Zwei-oder mehrstufige Drehkolbenmaschine

Die vorliegende Erfindung betrifft eine zwei-oder mehrstufige Drehkolbenmaschine, mit mindestens einem Drehkolben sowie einem diesen antreibenden Getriebe pro Stufe, wobei die Antriebswelle des jeweiligen Getriebes mit einem Antriebsmotor gekuppelt ist.

Für die Auslegung von zwei- oder mehrstufigen Drehkolbenmaschinen mit einem, zwei oder mehr Drehkolben pro Stufe sind folgende Parameter maßgeblich :

• 1. Ansaugvolumenstrom
• 2. Ansaugdruck
• 3. Enddruck
• 4. Ansaugtemperatur
• 5. Fördermedium

Aus diesen Parametern ergibt sich für den Fachmann, ob für den konkreten Anwendungsfall der Einsatz einer zweistufigen oder mehrstufigen Maschine zweckmäßig ist.

Grundsätzlich läßt sich für jeden konkreten Anwendungsfall eine Maschine konstruieren und herstellen, die bei optimalem Wirkungsgrad bestimmte vorgegebene Werte in bezug auf jeden der oben angegebenen Parameter genau einhält. Derartige Maschinen müssen jedoch speziell für jeden Anwendungsfall als Sondermaschinen konzipiert und hergestellt werden und sind deshalb hinsichtlich der Planung und Herstellung sehr teuer.

Die Hersteller von Drehkolbenmaschinen haben deshalb seit langem zur Reduzierung des Planungs- und Herstellungsaufwandes Serienmaschinen in unterschiedlichen Baugrößen mit verschiedenen Kombinationsmöglichkeiten untereinander zur Verfügung gestellt. Derartige Serienmaschinen lassen sich aufgrund größerer Stückzahlen erheblich wirtschaftlicher herstellen als Sondermaschinen und sind deshalb billiger.

Neben der einfachen einstufigen Bauweise sind derzeit als Serienmaschinen auch sogenannte Parallelanordnungen oder Tandemanordnungen im Einsatz.

Der Vorteil derartiger Serienmaschinen hinsichtlich des Planungs- und Herstellungsaufwandes muß jedoch im Vergleich zu Sondermaschinen mit einer Reihe von Nachteilen erkauft werden.

Sowohl bei der Tandemanordnung als auch bei der Parallelanordnung von Serienmaschinen sind konstruktionsbedingt bestimmte Drehzahlverhältnisse und Drehkolbenlängen für die zweite Stufe vorgegeben, wodurch bei einer Abweichung von Auslegungspunkt, und somit in der überwiegenden Anzahl der Einsatzfälle, schlechtere Wirkungsgrade in Kauf genommen werden müssen. Dies führt im Vergleich zu reinen Sondermaschinen zu einer höheren Leistungsaufnahme und damit zu erhöhten Energiekosten im Betrieb.

Bei der Parallelanordnung ergeben sich darüber hinaus weitere Nachteile in bezug auf die Anpassung des Ansaugvolumenstromes. Da aufgrund des bei derartigen Doppel-Parallelanordnungen notwendigen Turbogetriebes die Achsabstände zwischen der Hauptantriebswelle und den Antriebswellen der beiden Stufen einer Baureihe stets konstant sind, muß in bezug auf das Übersetzungsverhältnis für den angestrebeten Ansaugvolumenstrom der ersten Stufe mit dem notwendigen Übersetzungsverhältnis für den idealen Zwischendruck in der zweiten Stufe für die überwiegende Anzahl der Anwendungsfälle stets ein Kompromiß eingegangen werden. Derartige Kompromisse führen jedoch ebenfalls zu schlechteren Wirkungsgraden und damit zu einem erhöhten Energieaufwand im Betrieb.

Gegenüber der einstufigen Bauweise müssen sowohl im Falle der Tandemanordnung als auch im Falle der Parallelanordnung jeweils spezielle Getriebe und Gehäuse vorgesehen werden, da bei der Tandem-Anordnung die Leistung für die zweite Stufe zusätzlich über das Getriebe für die erste Stufe übertragen werden muß und bei der Parallelanordnung ein spezielles Turbogetriebe für den zweistufigen Betrieb erforderlich ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine vollkommen neuartige, zwei- oder mehrstufige Drehkolbenmaschine zu schaffen, die für jeden Anwendungsfall hinsichtlich des Wirkungsgrades, der eingangs genannten Parameter und insbesondere hinsichtlich des Ansaugvolumenstromes eine optimale Anpassung wie bei Sondermaschinen zuläßt, dabei jedoch in bezug auf den Bau- bzw. Fertigungsaufwand und hinsichtlich der Disponierbarkeit wirtschaftlicher herstellbar ist als Sondermaschinen und vergleichbare bisher bekannte Serienmaschinen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jede Stufe eine achsparallel zur jeweiligen Drehkolbenachse verlaufende und mit der Antriebswelle achsgleich verbundene Nebenwelle aufweist, die an ihrem der Antriebswelle entgegengesetzten freien Ende zum Abgriff von Drehmomenten ausgebildet ist und daß die Antriebswelle des Getriebes der jeweils nachgeschalteten Stufe mit dem freien Ende der Nebenwelle der jeweils vorgeschalteten Stufe gekuppelt ist.

Durch die erfindungsgemäßen Merkmale ist erstmalig eine zwei- oder mehrstufige Drehkolbenmaschine geschaffen, bei der für jede Stufe eine Nebenwelle vorgesehen ist, über die ein Drehmoment mit der Drehzahl der Antriebswelle abgegriffen werden kann, ohne daß dadurch das Übersetzungsgetriebe für den bzw. die Drehkolben belastet wird. Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, über die jeweilige Nebenwelle zwei oder mehrere Drehkolbenmaschinen zur Bildung von zwei oder mehreren Stufen aneinander zu kuppeln. Die Stufen können dabei eine beliebige Baugröße aufweisen, d. h. an die Nebenwelle der ersten bzw. der jeweils davor liegenden Stufe kann eine Stufe gleicher, größerer oder kleinerer Baugröße angekuppelt werden. Aufgrund des jeweils eigenen Übersetzungsgetriebes können dabei alle Stufen an die jeweils erforderlichen optimalen Ansaugvolumenströme und Zwischendrücke angepaßt werden, wodurch alle Stufen in bezug auf die eingangs genannten Parameter hinsichtlich des Wirkungsgrades im optimalen Einsatzbereich betrieben werden können.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ergeben sich diese Möglichkeiten mit Serienmaschinen. So können derartige Maschinen ohne jeglich Änderung sowohl als Einzelstufe, als auch als erste, zweite oder n-te-Stufe eingesetzt werden. Infolge dieser vielfältigen Einsatzmöglichkeiten werden höhere Stückzahlen als bei bisher im Einsatz befindlichen Serienmaschinen benötigt, wodurch eine wirtschaftlichere Herstellung als bisher möglich ist. Zusätzlich ergibt sich eine schnellere Lieferbereitschaft.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Konzeption ist, daß der Einsatz von zusätzlichen und speziell angepaßten Getrieben, wie sie für Tandemanordnungen und Parallelanordnungen erforderlich sind, nicht notwendig ist.

Wie bereits erwähnt, können Stufen beliebiger Baugröße zusammengekuppelt werden. Dabei ist es auch möglich, zwei Maschinen gleicher Baugröße zusammenzukuppeln und die erste im oberen Umfangsgeschwindigkeitsbereich und die zweite im unteren Umfangsgeschwindigkeitsbereich zu betreiben.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Konzeption arbeitet im Falle der Aneinanderkopplung mehrerer Maschinen der erfindungsgemäßen Art jede Maschine letztendlich als Einzelstufe, die durch eine entsprechende Wahl des Übersetzungsverhältnisses ihres Getriebes den jeweiligen Erfordernissen ihrer Aufgabe in der Gesamtanlage entsprechend angepaßt werden kann.

Die erfindungsgemäße Maschinenkonzeption kann sowohl bei Drehkolbenmaschinen mit einem, als auch bei solchen mit zwei oder mehreren Drehkolben eingesetzt werden. Sie eignet sich jedoch besonders vorteilhaft für Drehkolbenmaschinen mit zwei Drehkolben pro Stufe.

Zwar ist aus der US-A-34 07 996 bereits eine zweistufige Drehkolbenmaschine in Parallelanordnung bekannt, bei der die Antriebswelle für die gemeinsame Getriebeanordnung zum Antrieb der Drehkolben beider Stufen verlängert ist. Das freie Ende dieser verlängerten Welle dient jedoch lediglich zum Abgreifen eines Drehmoments für den Antrieb eines gemeinsamen Lüfters und einer gemeinsamen Ölpumpe der beiden Stufen.

Grundsätzlich ist es möglich, die Nebenwelle aus mehreren Teilen zusammenzusetzen. Vorteilhaft ist jedoch eine Konstruktion, bei der die Nebenwelle mit der Antriebswelle einstückig verbunden ist.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einer Drehkolbenmaschine dieser Art ist das Getrieberad auf der Antriebswelle beidseitig gelagert. Dadurch kann eine Dimensionierung der Nebenwelle auf Biegung entfallen, so daß nur die Übertragung des jeweils erforderlichen Drehmomentes in die Berechnung der Wellendimension eingeht. Derartige nur auf Torsion beanspruchte Wellen können bekanntlich kleiner dimensioniert werden, als solche, die auch auf Biegung beansprucht sind.

Grundsätzlich kann die Nebenwelle jede beliebige Länge aufweisen. Zweckmäßig ist es jedoch, wenn die Länge der Nebenwelle gleich oder größer der Länge des oder der Drehkolben ist. Dadurch liegt das zum Abgriff von Drehmomenten ausgebildete freie Ende der Nebenwelle auf der der Antriebswelle entgegengesetzten Seite der Drehkolbenmaschine, wodurch die Ankopplung weiterer Drehkolbenmaschinen vereinfacht wird, da diese in Reihe hintereinander angeordnet werden können. Dies vereinfacht auch die Ausbildung der gemeinsamen Fundamente.

Bei Drehkolbenmaschinen, bei denen die Länge der Nebenwelle gleich oder größer der Länge des oder der Drehkolben ist, kann das Gehäuse im Bereich unterhalb der Nebenwelle als Verbindungskanal für die Ölschmierung der Maschine ausgestaltet und damit in besonderer Weise zusätzlich genutzt werden.

Die erfindungsgemäße Nebenwelle eignet sich nicht nur zum Ankuppeln von Drehkolbenmaschinen zur Ausbildung von zwei oder mehreren Stufen, sondern darüber hinaus auch zur Ankoppelung von Zusatzaggregaten. So kann an die Nebenwelle beispielsweise ein Ventilatorrad einer Kühlanordnung für die Maschine angekoppelt sein. Es ist jedoch auch möglich, das Ventilatorrad direkt auf die Nebenwelle aufzuschieben, wodurch dieses nicht nur am Ende, sondern auch an einer anderen Stelle angeordnet werden kann.

An die Nebenwelle kann bei Drehkolbenmaschinen der erfindungsgemäßen Art auch eine Ölpumpe angekoppelt werden. Diese Ölpumpe kann zum einen der Getriebe- und Lagerschmierung dienen und zum anderen - bei nasser Betriebsweise der Maschine-zur Förderung des Schmiermittels für die Drehkolben eingesetzt werden.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Ölpumpe auf die Nebenwelle aufgeschoben werden. Dadurch ist es möglich, die Ölpumpe nicht nur im Bereich der Enden der Nebenwellen anzuordnen, sondern gegebenenfalls auch an irgendeiner Stelle zwischen den Enden.

Bei einer Drehkolbenmaschine mit Dieselmotorantrieb ist es zweckmäßig, daß die Drehrichtung der Nebenwelle der Drehrichtung des Dieselmotors entspricht. Dadurch können aufwendige Umkehrgetriebe vermieden werden.

Im folgenden sind zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung Drehkolbenmaschinen sowohl der bekannten als auch der erfindungsgemäßen Art in verschiedenen Ausführungen und Kombinationen dargestellt.

• Figuren 1, 2, 3 und 4 zeigen schematisch in vier verschiedenen Baugrößen Drehkolbenmaschinen der bekannten Art in einstufiger Bauweise,
• Figuren 5, 6 und 7 zeigen schematisch in drei verschiedenen Baugrößen Drehkolbenmaschinen der bekannten Art in zweistufiger Bauweise (Tandemanordnung),
• Figuren 8, 9 und 10 zeigen schematisch ebenfalls in drei verschiedenen Baugrößen Drehkolbenmaschinen der bekannten Art in zweistufiger Bauweise (Parallelanordnung),
• Figur 11 zeigt schematisch eine zwei- bzw. vierstufige Drehkolbenmaschine der erfindungsgemäßen Art,
• Figur 12 zeigt schematisch eine zweistufige Drehkolbenmaschine der erfindungsgemäßen Art, die aus zwei verschieden großen Einzelstufen zusammengesetzt ist, und
• Figur 13 zeigt schematisch eine Drehkolbenmaschine der erfindungsgemäßen Art, die aus zwei gleich großen Einzelstufen zusammengesetzt ist.
• Figur 14 zeigt schematisch in einem Schnitt eine etwa der Anordnung gemäß Fig. 12 entsprechende zweistufige Drehkolbenmaschine der erfindungsgemäßen Art, wobei die zweite Stufe abgebrochen dargestellt ist.

Bisher wurden einstufige, mit zwei Drehkolben ausgestattete Drehkolbenmaschinen mit einem Übersetzungsgetriebe - und falls notwendig - mit Synchronisationszahnrädern ausgestattet. Zur Reduzierung der Planungs- und Herstellungskosten wurden von den Herstellern von Drehkolbenmaschinen dabei Serienmaschinen in vier unterschiedlichen Baugrößen zur Verfügung gestellt, wie dies in den Figuren 1, 2, 3 und 4 schematisch dargestellt ist.

War eine zweistufige Ausführung notwendig, wurden bisher entweder zwei einstufige Drehkolbenmaschinen mit zwei Motoren eingesetzt, oder eine Tandemanordnung mit Nebenläuferantrieb der zweiten Stufe (vgl. Fig. 5 bis 7) bzw. eine Parallelanordnung (vgl. Fig.8 bis 10) gewählt.

Für diese bekannten zweistufigen Maschinen war es allerdings notwendig, jeweils spezielle Gehäuse und Getriebe zur Verfügung zu stellen. So konnte beispielsweise das in der jeweiligen Größe für die einstufige Bauweise verwendete Übersetzungsgetriebe (vgl. beispielsweise Baugröße der Fig.1) nicht für die zweistufige Bauweise in Tandemanordnung (vgl. beispielsweise Fig. 5) eingesetzt werden, da bei der Tandemanordnung das gesamte, für den Antrieb der zweiten Stufe benötigte Drehmoment über das Übersetzungsgetriebe der ersten Stufe läuft. Auch konnte bei einer derartigen Tandemanordnung im Falle einer Verwendung der Drehkolben einer Baugröße aus der einstufigen Bauweise in der zweiten Stufe der Zwischendruck wegen der festliegenden Drehzahl und Übersetzungsverhältnisse nicht den Idealwerten angepaßt werden.

Bei der bekannten zweistufigen Bauweise in Parallelanordnung (vgl. Fig. bis 10) wiederum waren ebenfalls nur Kompromisse in bezug auf die Anpassung des Ansaugvolumenstromes und des Zwischendruckes möglich, da das bei derartigen Doppel-Turboanordnungen notwendige Turbogetriebe einer Baureihe stets einen konstanten Achsabstand zwischen der Hauptantriebswelle und den Antriebswellen der beiden Stufen aufweist und sich diese vorgegebenen Achsabstände nicht mit den für eine optimale Betriebsweise notwendigen Stufendrehzahlen abstimmen lassen.

Diese Abstimmungs- und Anpassungsprobleme werden durch die erfindungsgemäße Konzeption vollkommen vermieden. So besitzen Drehkolbenmaschinen der erfindungsgemäßen Art pro Stufe eine achsparallel zur Drehkolbenachse verlaufende und mit der jeweiligen Antriebswelle 1 für das Getriebe 2, 3 achsgleich verbundene Nebenwelle 4, die an ihrem der Antriebswelle 1 entgegengesetzten freien Ende 5 zum Abgriff von Drehmomenten ausgebildet ist, wobei die Antriebswelle 1 des Getriebes 2, 3 der jeweils nachgeschalteten Stufe mit dem freien Ende 5 der Nebenwelle 4 der jeweils vorgeschalteten Stufe gekuppelt ist.

Derartige mit einer Nebenwelle 4 ausgestattelte Drehkolbenmaschinen der erfindungsgemäßen Art können wirtschaftlich einschließlich des Gehäuses in Serienfertigung in verschiedenen Baugrößen hergestellt werden. Diese Drehkolbenmaschinen werden erfindungsgemäß zu zwei- oder mehrstufigen Maschinen (vgl. Fig. 11 bis 13) hintereinander geschaltet. Auch können jeweils an das freie Ende der Nebenwelle 4 Zusatzaggregate, wie beispielsweise eine Ölpumpe oder ein Ventilatorrad angekoppelt werden. Da zwei- oder mehrstufiger Maschinenkonzeption dienen die Nebenwellen 4 zur Übertragung des Drehmomentes auf die jeweils anschließende Stufe. Aufgrund des erfindungsgemäßen Einsatzes einer Nebenwelle kann von der einen auf die andere Stufe jeweils ein Drehmoment mit der Drehzahl der Antriebswelle übertragen werden, ohne daß dadurch das Übersetzungsgetriebe für die jeweilige Stufe belastet wird. Da außerdem das Übersetzungsverhältnis der jeweiligen Stufe auf die Drehzahl der nachfolgenden Stufe keinerlei Einfluß hat, kann das Getriebe 2, 3 jeder Stufe den jeweiligen Erfordernissen der jeweiligen Stufe zur Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades individuell angepaßt werden.

Wie in den Fig. 12 und 13 schematisch dargestellt, können zur Bildung einer zweistufigen Drehkolbenmaschine der erfindungsgemäßen Art nicht nur Drehkolbenmaschinen unterschiedlicher Baugröße (Fig. 12), sondern auch gleicher Baugröße (Fig. 13) miteinander kombiniert werden, und somit eine dem jeweiligen Verwendungszweck genau angepaßte Maschine erstellt werden, ohne daß es dabei des Aufwandes einer Sondermaschine bedarf.

Die Schnittdarstellung gemäß Fig. 14 zeigt schematisch die Ankopplung von Zusatzaggregaten an die Nebenwelle. So ist dicht neben der beiden Stufen miteinander verbindenden Kupplung 9 auf der Nebenwelle 4 der ersten Stufe ein Ventilatorrad 7 angeordnet, das Kühlluft durch einen an das Gehäuse der ersten Stufe angebauten Kühler 8 saugt oder drückt. In diesem Ausführungsbeispiel treibt die Nebenwelle 4 auch eine Ölpumpe 6 an, die auf die Nebenwelle aufgeschoben und in einer innerhalb des Gehäuses angeordneten Ausnehmung angeordnet ist.