-
Vorrichtung zur Regelung der von einer Heißgaskolbenmaschine abgegebenen
Leistung.
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Regelung der von
einer Heißgaskolbenmaschine abgegebenen. Leistung durch Änderung des mittleren Druckes
des in den Arbeitsräumen der Maschine befindlichen Arbeitsgases, mit einem Speicherbehälter
und einem Verdichter für das Arbeitsgas, wobei der Verdichter= austritt und der
Speicherbehälter zur Druck erhöhung des Arbeits= gases mit den Arbeitsräumen verbunden
werden können, während der Verdichtereintritt und der Speicherbehälter zur Drucksenkung
des Arbeitsgases mit den Arbeitsräumen der Maschine verbunden werden können.
-
Solche Vorrichtungen sind in der DT-OS 1 476 665 Fig.1 und in der
DT-OS 2 257 811 Fig.1 schematisch dargestellt. Bei der erst= genannten bekannten
Bauart sind Verdichteraustritt und Speicher= behälter hintereinandergeschaltet und
der Speicherbehälter steht unter hohem Druck. Die Druckerhöhung bzw. Leistungssteigerung
geht dort zwar schnell vonstatten, die Drucksenkung bzw. Lei= stungsverminderung
jedoch langsam, weil der Verdichter erst das Arbeitsgas aus den Arbeitsräumen herauspumpen
muß, so daß die Maschine bei Entlastung durchgehen müßte, wenn dies nicht durch
Hinzunahme eines weiteren Gasbehälters und eines Kurzschlußven= tiles verhindert
würde. Vgl. MTZ 29 (1968), Seite 290-291.
-
Bei der an zweiter Stelle genannten bekannten Bauart gemäß der DT-OS
2 257 811 sind Verdichtereintritt- und Speicherbehälter hintereinandergeschaltet
und der Speicherbehälter steht unter niedrigem Druck. Dort geht zwar die Drucksenkung
bzw. die Lei= stungsverminderung schnell vonstatten, nicht aber die Drucker= höhung
bzw. Leistungssteigerung, weil der Verdichter erst das
Arbeitsgas
in die Arbeiträume hineinpumpen muß. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Regelungsvorrichtungen
besteht darin, daß der Verdichter dauernd gegen hohen Druck arbeiten muß, teil=
weise sogar gegen ein geschlossenes Ventil, was zu vorzeitigem Verschleiß führt.
Man kann die Nachteile der bekannten Lösungen vermeiden, wenn man den Druck im Speicherbehälter
auf einem mitt= leren Wert hält und jeweils zunächst das Druckgefälle zwischen den
Arbeitsräumen und dem Speicherbehälter; das bei voller Lei= stung und bei Leerlauf
am höchsten ist, zur schnellen Druck derung in den Arbeitsräumen ausnutzt und lediglich
die für das betreffende Leistungsniveau noch zusätzlich erforderliche Druck= änderung
durch den Verdichter bewirken läßt. Dabei sollte das Eingreifen des Verdichters
nach erfolgtem Druckausgleich zwischen Speicherbehälter und Arbeitsräumen automatisch
erfolgen, damit die Regelvorrichtung nicht zu kompliziert wird. Außerdem ist zu
vermeiden, daß der Verdichter dauernd, d.h. auch bei gleichblei= bender Leistung
der Heißgaskolbenmaschine, gegen hohen Druck oder gar gegen ein geschlossenes Ventil
arbeiten muß.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Regel= vorrichtung
zur Verwirklichung des geschilderten verbesserten Regelverfahrens.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Umschalt und Ab= sperrvorrichtung
gelöst, welche die folgenden Strömungswege für das Arbeitsgas herstellen kann: a)
Bei Druckerhöhung des Arbeitsgases zwei Strömungswege, aus= gehend von dem Speicherbehälter,
von denen der eine Strömungs= weg direkt und der andere über den Verdichter zu den
Arbeitsräu= men führt, wobei beide Strömungswege gleichzeitig offen sind.
-
b) Bei Gleichhaltung des Druckes des Arbeitsgases einen Strö= mungsweg
vom Verdichteraustritt zum Speicherbehälter und von diesem zurück zum Verdichtereintritt.
-
c) Bei Drucksenkung des Arbeitsgases zwei Strömungswege ausge hend
von den Arbeitsräumen, von denen der eine Strömungsweg direkt und der andere über
den Verdichter zu dem Speicherbehäl ter führt, wobei beide Strömungswege gleichzeitig
offen sind.
-
Die vorgenannten drei Arbeitsstellungen a), b) und c) ergeben eine
Dreipunktrezelung mit den Arbeitsvorgängen "Mehr Leistung", "Gleiche Leistung" und
"Weniger Leistung'1, die demzufolge leicht von einem Drehzahlregler gesteuert werden
können. Der Verdichter braucht im Vergleich zu den bekannten Vorrichtungen im Höchst=
fall nur die halbe Druckdifferenz zu überwinden und ist bei gleichbleibender Leistung
völlig entlastet. Die erfindungsgemäße Regelung arbeitet å jeweils in einer Richtung
erheblich schneller als die bekannten Vorrichtungen.
-
Zweckmäßig besteht die erfindungsgemäße Umschalt- und Absperr= vorrichtung
aus zwei Einheiten mit je vier Anschlüssen für äuße= re Strömungswege, bei denen
jeweils ein erster Anschluß mit dem Speicherbehälter und jeweils ein zweiter-Anschluß
mit einer Kurz= schlußleitung in Verbindung stehen, während der dritte und vier=
te Anschluß der ersten Einheit mit dem Verdichtereintritt bzw.
-
mit den Arbeitsräumen und der dritte und vierte Anschluß der zweiten
Einheit mit dem Verdichteraustritt bzw. den-Arbeitsräumen in Verbindung stehen,
wobei in die Kurzschlußleitung ein Rück= schlagventil eingebaut ist, das ein Rückströmen
des Arbeitsgases vom Verdichteraustritt über die Kurzschlußleitung zum Verdichter=
eintritt verhindert.
-
Eine vorteilhafte vereinfachung der Regelvorrichtung kann da= durch
erreicht werden, daß å ede der beiden Einheiten der Um= schalt- und Absperrvorrichtung
nur zwei Stellungen einnehmen kann, in denen drei der vier Anschlüsse für die äußeren
Strö= mungswege durch innere Strömungswege der Einheiten miteinander verbunden sind,
wobei die Anschlüsse, die zur Kurzschlußleitung bzw. zum Verdichter führen in allen
Stellungen miteinander ver= bunden sind.
-
Vorteilhaft sind in die vom Verdichteraustritt bzw. vom Verdich= tereintritt
zu den Arbeitsräumen führenden Strömungeswege Rück= schlagventile in der Nähe der
Arbeitsräume eingebaut, die ein Rückströmen von Arbeitsgas in unerwünsthter Richtung
verhindern.
-
Diese Rückschlagventile bewirken eine Verkleinerung der schäd=
lichen
Räume der Iieißgaskolbenmaschine und senken das Druckver= hältnis des Verdichters
für das Arbeitsgas.
-
In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt.
-
Fig.1 zeigt eine Heißgaskolbenmaschine mit der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung,
wobei sich die Umschalt- und Abspetr= vorrichtung in der Stellung für Leistungssteigerung
befindet.
-
Fig.2 zeigt die gleiche Maschine und Vorrichtung in der Stellung für
gleichbleibende Leistung.
-
Fig. 3 zeigt die gleiche Maschine und Vorrichtung in der Stellung
für Leistungsverminderung.
-
Von der Heißgaskolbenmaschine ist eine Zylindereinheit dargestellt.
-
In dem Zylinder 1 führen der Arbeitskolben 2 und der Verdränger= kolben
3 hin- und hergehende, gegeneinander phasenverschobene Bewegungen aus, die durch
ein nicht dargestelltes mit den Kolben verbundenes Triebwerk bewirkt werden. Die
Arbeitsräume der Ma= schine werden von- dem kalten Raum 4 und dem heißen Raum 5
gebil= det, die über den Kühler 6, den Regenerator 7 und den Erhitzer 8 miteinander
in Verbindung stehen. In den Räumen 4 und 5 herrscht ungefähr der gleiche Druck,
der unter dem Einfluß der durch die Kolbenbewegungen verursachten periodischen Volumenänderungen
der Räume 4 und 5 um einen Mittelwert schwankt, der ein Maß für die von der Maschine
abgegebene Leistung darstellt. Dem Erhitzer 8 wird durch eine Heizvorrichtung 9
von außen Wärme zugeführt.
-
Die Regelvorrichtung besteht aus dem Speicherbehälter 10 und dem von
der Heißgaskolbenmaschine angetriebenen Verdichter 11 für das Arbeitsgas, sowie
einer Umschalt und Absperrvorrichtung, die von den Einheiten 12 und 13 gebildet
wird, die bei dem Ausführungs= beispiel als Umschalt- und Absperrhähne ausgeführt
sind, deren Gehäuse vier Anschlüsse für äußere Strömungswege und deren Küken drei
innere miteinander verbundene Strömungswege aufweisen und
zwei Stellungen
einnehmen können. Die Einheiten 12 und 3 sind durch eine Kurzschluleitung 14 miteinander
verbunden, in die ein Rückschlagventil 15 eingebaut ist, das ein Rückströmen von
Arbeitsgas von dem Verdichteraustritt 16 über die Kurzschluß= leitung 14 zum Verdichtereintritt
17 verhindert. In den Strö= mungsweg, der vom Verdichteraustritt 16 zu den Arbeitsräumen
4 und 5 führt, ist ein Rückschlagventil 18 in der Nähe des kalten Raumes 4 eingebaut,
das ein Ausströmen von Arbeitsgas aus dem Raum 4 verhindert. In den Strömungsweg,
der vom Verdichterein= tritt 17 zu den Arbeitsräumen 4 und 5 führt, ist ein Rückschlag=
ventil 19 in der Nähe des Raumes 4 eingebaut, das ein Einströmen von Arbeitsgas
in diesen Raum verhindert.
-
Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung kann wie
folgt beschrieben werden: Vor der Inbetriebnahme der Heigaskolbenmaschine wird der
pei= cherbehälter 10 mit Arbeitsgas, meist Helium, aufgefüllt, so daß er unter einem
Druck steht, der zwischen den mittleren Drük= ken in den Arbeitsräumen 4 und 5 bei
voller Leistung und bei Leerlauf der Maschine liegt. Dann werden die Umschalt- und
Ab= sperrhähne 12 und 13 in die in Fig.1 gezeigte Stellung gebracht, worauf sich
der kalte Raum 4 und der heiße Raum 5, letzterer über den Kühler 6, den Regenerator
7 und den Erhitzer 8, mit Arbeitsgas füllen, bis im Speicherbehälter 10 und in den
Arbeits= räumen 4 und 5 der gleiche Druck herrscht. Dabei strömt das Ar= beitsgas
aus dem Speicherbehälter 10 über den Umschalt- und Ab= sperrhahn 13, das Rückschlagventil
15, die Kurzschlußleitung 14, den Umschalt- und Absperrhahn 12 und das Rückschlagventil
18 innerhalb kürzester Zeit in den kalten Raum 4 und von dort über den erwähnten
Weg 6, 7, 8 in den Raum 5. Dann wird die Maschine durch einen nicht dargestellten
Anlasser angeworfen. Reicht das in den Räumen 4 und 5 herrschende Druckniveau nach
erfolgtem Druckausgleich nicht aus für die von der Maschine abzugebende Leistung,
was sich in einem Absinken der Maschinendrehzahl unter den Sollwert äußert, so beläßt
der nicht dargestellte Drehzahl=
regler der Maschine die Umschalt-
und Absperrhähne 12 und 13 in der in Fig.1 dargestellten Lage. Dann fängt der Verdichter
11 automatisch an Arbeitsgas aus dem Speicherbehälter 10 in die Räume 4 und 5 zu
fördern. Dabei strömt das Arbeitsgas von dem Speicherbehälter 10 über den Umschalt-
und Absperrhahn 13 zum Verdichtereintritt 17, wird vom Verdichter 11 auf höheren
Druck gebracht und strömt dann von dem Verdichteraustritt 16 über den Umschalt-
und Absperrhahn 12 und das Rückschlagventil 18 in den Raum 4 und von dort in den
Raum 5. Die Druckdifferenz zwischen Verdichteraustritt 16 und Verdichtereintritt
17 hält das Rück= schlagventil 15 und damit die Kurzschlußleitung 14 geschlossen.
-
Hat der Druck in den Arbeitsräumen 4 und 5 den zu der jeweiligen Maschinenleistung
gehörenden Wert des mittleren Druckes erreicht, was sich im Erreichen der Solldrehzahl
äußert, so bringt der Dreh= zahlregler den Umschalt- und Absperrhahn 12 in die Stellung
ge= mäß Fig.2, während das Umschalt- und Absperrventil 13 in seiner Stellung verharrt.
Nun fördert der Verdichter 11 das Arbeitsgas vom Verdichteraustritt 16 über den
Umschalt- und Absperrhahn 12 in den Speicherbehälter 10, aus dem das Arbeitsgas
über den Um= schalt- und Absperrhahn 13 wieder zum Verdichtereintritt zurück gelangt.
Dabei braucht der Verdichter 11 nur die Strömungswider= stände zu überwinden, wobei
diese Druckdifferenz das Rückschlag= ventil 15 und damit die Kurzschlußleitung 14
geschlossen hält.
-
Ist der mittlere Druck in den Arbeitsräumen 4 und 5, z.B. nach einer
Entlastung der Maschine, zu hoch für die abzugebende Ma= schinenleistung, was sich
in einem Ansteigen der Maschinendreh= zahl äußert, so bringt der Drehzahlregler
der Maschine den Um= schalt- und Absperrhahn 13 in die in Fig.3 gezeigte Stellung,
während der Umschalt- und Absperrhahn 12 in seiner Stellung ver= harrt. Da der mittlere
Druck in den Arbeitsräumen 4 und 5 für die vorausgegangene Leistungsperiode von
dem Verdichter 11 über den Druck im Speicherbehälter 10 erhöht war, kann nunmehr
Ar= Arbeitsgas aus dem Raum 4 und damit auch aus dem Raum 5 in kür= zester Zeit
über das Rückschlagventil 19, den Umschalt- und Ab= sperrhahn 13, das Rückschlagventil
15, die Kurzschlußleitung 14
und den Umschalt- und Absperrhahn 12
in den Speicherbehälter 10 strömen, bis der Druckunterschied zwischen den Arbeitsräumen
4 bzw. 5 und dem Speicherbehälter 10 abgebaut ist. Ist der in den Räumen 4 und 5
nach diesem Druckausgleich noch vorhandene Druck zu hoch für die von der Maschine
abzugebende Leistung, was sich in einer über dem Sollwert liegenden Maschinendrehzahl
äußert, so hält der Drehzahlregler die in Fig.3 gezeigten Stellungen der Umschalt-
und Absperrhähne 12 und 13 aufrecht. Der Verdich= ter 11 fängt dann automatisch
an Arbeitsgas aus- dem kalten Raum 4 und damit auch aus dem heißen Raum 5 zu entnehmen
und in den Speicherbehälter 10 zu fördern. Dabei strömt das Arbeitsgas aus dem Raum
4 über das Rückschlagventil 19, über den Umschalt- und Absperrhahn 13 zum Verdichtereintritt
17, wird von dem Verdich=.
-
ter 11 auf höheren Druck gebracht und strömt von dem Verdichter= austritt
16 über den Umschalt- und Absperrhahn 12 in den Spei= cherbehälter 10. Ist der Druck
in den Arbeitsräumen 4 und 5 so weit gefallen, daß die Maschinendrehzahl auf den
Sollwert zurück= geht, so bringt der Drehzahlregler den Umschalt- und Absperrhahn
13 wieder in die Fig.2 gezeigte Stellun.
-
Es wird demnach sowohl bei Leistungssteigerung, als auch bei Leistungsverminderung
jeweils zunächst das Druckgefälle zwischen dem Speicherbehälter 10 und den Arbeitsräumen
4 bzw. 5 dazu be= nutzt das Arbeitsgas schnell in die bzw. aus den Arbeitsräumen
4 und 5 zu bringen und damit die Raktion der Regelung auf Be= lastungsänderungen
schnell in Gang zu bringen. Erst dann setzt die Wirkung des Verdichters 11 automatisch
ein, der die rest= liche Druckänderung verhältnismäßig schnell zu Stande bringt,
weil er nur noch eine relativ kleine Druckdifferenz zu überwin= den braucht. Dieses
Verfahren ergibt unter den gegebenen Umstän= den das schnellstmöglichste Reagieren
der Leistungeregelung in beiden Richtungen.