FI67918B - Maskin foer utfoerande av expansion eller komprimering av gaser eller aongor - Google Patents

Description

6791 8

Kone kaasujen tai höyryjen paisunnan tai puristuksen toteuttamiseksi

Keksintö kohdistuu koneeseen kaasujen tai höyryjen paisumaan tai puristuksen toteuttamiseksi.Konetta voidaan sovel-5 taa moottoriksi,kompressoriksi tai muuksi laitteistoksi,jossa tarvitaan kaasujen tai höyryjen tilavuuden muutoksia.

Paisuntaa tai puristusta toteuttavat koneet voidaan jakaa turbokoneisiin ja syrjäytystyyppisiin koneisiin.Turboko-neiden etuina on suuri ominaisteho,tehonvälitysmekanismien 10 puuttuminen,vähäinen kuluminen sekä mahdollisuus suhteellisen halvan polttoaineen käyttöön lämpövoimaprosessin yhteydessä. Epäkohtina on kineettiseen toimintaperiaatteeseen liittyvät 10-20< häviöt,huono soveltuvuus keveille kaasuille sekä läm-pövoimaprosessin yhteydessä se seikka,että turbiinin alkupään 15 on oltava kaasun tai höyryn maksimilämpötilassa.

Syrjäytystyyppisiä koneita on olemassa edestakaisin liikkuvilla männillä varustettujen lisäksi myös erilaisia pyöriviä versioita,kuten ruuvikompressori ja Wankel-tyyppiset konstruktiot.Tunnettuihin syrjäytystyyppisiin liittyviä tyy-20 pillisiä epäkohtia ovat tehonvälitysmekanismien tarve,alhainen ominaisteho sekä tiivistävää voitelua käytettäessä voitelusta aiheutuvat tehohäviöt,lämpötilarajoitukset sekä nopea kuluminen.II.man tiivistävää voitelua toimivissa tyypeissä taasen on yleensä suuri kaasuvuoto,mikä on huomattavalta osal-25 ta seurausta laitteen sellaisesta rakenteesta,jossa vuotavien rakojen suuruus riippuu liikkuvien osien keskinäisestä synkronoinnista, mikä on aina vajavaista esim. hammaspyörissä esiintyvien välysten vuoksi.Synkronointia vaikeuttaa myös, jos siitä huolehtivien mekanismien on samalla välitettävä te-30 hoa.Toinen pääsyy suuriin vuotoihin on se,että tunnetuissa koneissa ei juuri ole mahdollista rajoittaa vuotonopeutta äänen nopeutta alhaisemmaksi.Joidenkin laitteiden rakenne on vielä sellainen,että ne soveltuvat käytettäväksi vain alhaisilla paineilla.

35 Keksinnönmukaista konetta käyttäen voidaan välttää edel lämainitut epäkohdat.Koneella on mahdollista päästä pieniin 2 67918 häviöihin ja koneelle on ominaista tehonvälit.ysmekanismien puuttuminen,tietyissä sovellutuksissa hyvinkin suuri ominais-teho,hyvä soveltuvuus keveille kaasuille,vähäinen kuluminen, tiivistävän voitelun puuttuminen sekä hyvä soveltuvuus kor-5 keille painetasoille sekä erilaisille lämpötilatasoille.

Keksinnönmukaisen koneen tunnusmerkit on esitetty vaa^-timuksessa 1 .Keksinnönroukainen kone on syrjä.ytystyyppinen ja sen liikkuvat osat ovat pyöriviä.Paisunta tai puristus tapahtuu koneen sisällä olevissa sulkeutuvissa,tilavuudeltaan 10 muuttuvissa tiloissa.Koneessa ei ole tehonvälitysmekanismeja, vaan paisuntakoneessa kaasuvoimien aikaansaama vääntömoment-ti voi vaikuttaa suoraan työroottoriin ja siihen kiinteästi liittyvään tehoakseliin,mikä etenkin suurtehokoneessa on oleellisen tärkeä etu.Moottoria kuormittavat kaasuvoimat saa-15 daan sillä tavalla symmetrisiksi,ettei vastaaviin laakereihin aiheudu muita voimia kuin roottorin painosta johtuvia,jolloin kitkateho laakereissa saadaan mitättömäksi varsinkin suljetussa korkeanainenrosessissa.Koneessa ei tarvitse käyttää tiivistävää voitelua,vaan välykset voidaan pitää niin pieninä 20 ja pyörimisnopeus niin suurena,että kaasuvuodot jäävät suhteellisesti ottaen vähäisiksi.Pyörimisnopeus on samalla mahdollista saada sellaiseksi,että kaasun liike-energian merkitys pysyy vähäisenä.

Pieniin häviöihin pääsemiseen vaikuttavia osatekijöitä 25 on se,että koneen välyksistä valtaosassa välyksen arvo ei riipu pyörivien osien keskinäisestä synkronoinnista ja lisäksi vuotonooeutta voidaan alentaa lahyrinttitiivistyksellä. Toisen keskeisen osatekijän muodostaa se,että hetkellisen venttiiliaukon suuruus voi olla samaa luokkaa kuin hetkelli-30 nen mäntäpoikkipinta-ala.Oleellista on myös,että venttiilit saadaan toteutettua niin,ettei niiden eteen jää käytännöllisesti katsoen lainkaan kuollutta tilaa.

Selitykseen liittyvät seuraavat kuvat: KUVA 1 esittää koneen mahdollista yleisrakennetta, 35 KUVA 2 esittää koneen yhden toiminnallisen perusyksikön osittaista poikkileikkausta tasossa 2-2,joka on merkitty kuviin 1 ja 3, KUVA 3 esittää koneen osittaista halkileikkausta tasossa 3-3, il ^ 6 7 91 8 joka on merkitty kuviin 1,2 ja 4, KUVA 4 esittää työelimen kehää tasoksi levitettynä,sekä vent-tiiliaukkojen sijaintia kuvien 2-3 mukaisessa tilanteessa, KUVAT 5 ja 6 valaisevat mahdollisuutta järjestää yksi raken-5 teellinen venttiili toiminnallisesti muodostamaan kolme virtuaalista kaasuaukkoa, KTTVA 7 esittää pyörivän venttiilin rakennetta kuvaan 2 merkityssä leikkauksessa 7-7, KUVA 8 esittää pyörivän venttiilin rakennetta kuvaan 7 merki-10 tyssä leikkauksessa 8-8, KUVA 9 havainnollistaa reaktioelimessä olevaan vastapintaan järjestettävää painekompensointia leikkauksena.tasossa 9-9, joka ilmenee kuvasta 2 sekä KUVA 10 esittää reaktiovoimien kompensointiin sonivien vasta-15 voimien ajallista vaihtelua.

Kuva 1 esittää ulkokohtaisesti keksinnönmukaisen koneen mahdollista yleisrakennetta.Kuvassa näkyy tehoakseli 2,johon liittyy rungon 4 sisällä oleva pyörivä työelin.Kuvan tapauksessa laitekokonaisuuteen kuuluu akselin 2 suunnassa kaksi 20 peräkkäistä toiminnallista yksikköä 40,jotka sijaitsevat rungon puoliskojen 4a ja 4b kohdilla.Kun yksiköt toimivat ajallisesti vastakkaisissa vaiheissa,voidaan päästä jokseenkin tasaiseen vääntömomenttiin.Laitteen kokoonpano voidaan suorittaa siten,että rungon puoliskot 4a ja 4b työnnetään ak-25 siaalisesti toisiaan kohti ja kiinnitetään toisiinsa laipoista 41.Kumpaankin toiminnalliseen perusyksikköön kuuluu kaksi reaktioelintä,jotka sijaitsevat poikittain työelimeen nähden symmetrisesti työelimen vastakkaisilla puolilla ja joiden akselit 9 näkyvät kuvas s a. Kuvas s a on myös esitetty välitysmeka^-30 nismi 42 työelimen ja reaktioelinten pyörimisliikkeiden synk-ronoimiseksi.Reaktioelinten akselit voidaan varustaa toimilaitteella 43,esim. sähkömoottoreilla.Tällöin oleellinen energianvaihto voi tapahtua kyseisen moottorin ja reaktioeli-men välillä, joten välitysraekanismeihin kohdistuvat rasituk-r 35 set ja myös kuluminen jäävät vähäisiksi.Periaatteessa voidaan tulla toimeen myös ilman mekaanista välitystä,jos moottorien ohjaus saadaan riittävän luotettavaksi.Koneeseen kuuluvia venttiilejä voidaan pyörittää akseleiden 24 ja 25 välityksel- 4 6791 8 lä.Pyörittäminen voi tapahtua kuhunkin akseliin liittyvällä moottorilla 39,jota voidaan ohjata elektronisesti.Vielä kuvassa näkyy koneen läpi kulkevan aineen virtauskanavat 18 ja 19,jotka on haaroitettu molempiin toimintayksiköihin.

5 Paisuntakäytössä kaasu tulaa laitteeseen kanavan 18 kautta ja poistuu kanavan 19 kautta,kiertosuunnan ollessa puristus-käytössä päinvastainen.

Koneen sisäistä rakennetta havainnollistavat kuvat 2-3. Runkorakenteen 4 sisällä olevan työelimen 1 pyörimistila 3 10 on yleismuodoltaan tässä esimerkissä sylinteriluonteinen.Te-hoakselin 2 yhteydessä oleva työelin on muotoiltu siten,että oyörimistilaan muodostuu kaksi työelimen kehän suuntaista työtilaa 5,jotka sijaitsevat symmetrisesti työelimen vastakkaisilla puolilla.Näitä työuomia vastaa kaksi työelimeen 1 15 nähden poikittaista reaktioelintä 8,jotka niinikään sijaitsevat symmetrisesti työelimen vastakkaisilla puolilla.Kun molempien työtilojen toiminnat tapahtuvat ajallisesti samassa vaiheessa,saavutetaan se tärkeä etu,ettei työelimeen aiheudu poikittaista reaktiovoimaa,vaan ainoastaan vääntö- tai kuor-20 mitusmomentti.Kun työtilat ovat sylinterimäisessä kappaleessa olevia uomia,ei työelimen akseliin aiheudu myöskään aksiaalisia voimavaikutuksia,koska työuoman molemmat sivureunat ovat samalla etäisyydellä akselin keskiviivasta.

Toiminnallisen perusyksikön reaktioelinten akselit 9 si-25 jaitsevat samassa tasossa,joka on työelimen akselin normaali-taso, ja poikittain työelimen akseliin nähden siten,että reaktio eli men akselin keskiviiva jää työelimen pyörimistilan 3 ulkopuolelle.Mahdollisia olisivat myös modifikaatiot,joissa reaktioelinten akselit olisi asennettu hieman vinosti työeli-30 men akselin normaalitasosta poikkeavasti.Yleisessä tapauksessa yhteen toiminnalliseen yksikköön kuuluisi n reaktioelintä.Tällöin myös työtiloja olisi vastaava määrä ja ne sijait-:. sisivat työelimen kehän suunnassa kulman 360°/n välein.Periaatteessa työtiloja voisi olla myös reaktio elinten lukumää-35 rän kokonaismonikerta.Tällöin niistä vain vastaava murto-osa olisi kerrallaan reaktioelinten kohdalla ja siis aktiivisessa käytössä.

Il 5 6791 8

Reaktio elimen 8 väliseinäpinnan 10 muodostama,kuvassa 3 pisteviivalla osoitettu väliseinä 15 jakaa työtilan 5 kahteen osatilaan,jöistä prosessitila 6 on yhteydessä sitä vastaavaan virtauskanavaan 18 venttiileillä 23 suljettavien rungossa 4 5 olevien aukkojen 26 kautta.Työtilan toinen osatila,siirtotila 7 on taasen jatkuvasti yhteydessä vastaavaan virtauskanavaan 19 runkorakenteessa olevan aukQTL.52 kautta.Mainitun aukon kantta myös reaktioelin ulottuu työelimen pyörimistilaan.Väliseinän muodostavan pinnan 10 reaktio elimessä on tiiviyssyistä 10 syytä olla osa pyorähdyspintaa reaktioelimen akselin 9 suhteen. Pinta voisi olla tasopinta,jonka normaali on akselin 9 suuntainen. Rsimerkissä pinta on hieman kartiomainen pyörähdyspin-ta akseliin 9 kohdistuvien poikittaisten voimien välttämisek- _ si,kuten myöhemmin tarkemmin esitetään.Seinämäpinnan 10 reuna-15 viivan muoto ilmenee kuvasta 3»reunaviivaan kuuluessa osuudet 44,45,46 ja 47.Väliseinäpinta on siis varustettu yhdellä siir-tymäsektorilla 77,jota vastaavan reunaosuuden 47 etäisyys reaktioelimen akselin keskiviivasta on pienempi kuin muilla osuuksilla.Riirtymäsektorin kulma ψ on esimerkissä 90° eli 20 noin 1/4 koko kulmasta,jolloin jo päästään riittävän tukevaan reaktioelimeen ja samalla työuonan tehokkaaseen hyväksikäyttöön. 'räliseinän 15 muodostaa se reaktioelimen pyörimisliikkeen myötä vaihtuva osa seinämäpintaa 10,joka kulloinkin on työelimen pyörimistilan sisällä,Kun sylinterikoordinaatiston 25 aksiaalikoordinaattiakseli z ajatellaan yhtyväksi reaktio-elimen keskiviivaan,voidaan seinämäpinnan 10 reunaviivan yleisluonteinen muoto määritellä radiaalikoordinaatin r ja kulmako o rd i naa tin Λ avulla siten,että kulmskoordinaatin muuttuessa suuntaan,joka vastaa reunaviivan eri osien tulo-30 järjestystä työelimen pyörimistilaan paisuntakäytössä, ja alkaen siirtymäsektorilta 77,jonka ollessa työelimeen päin kääntyneenä tapahtuu prosessijakson vaihtuminen,radiaalikoordinaatti kasvaa kasvaa minimiarvosta r^ melko jyrkästi ''reunaosuus 44) vakiolliseen arvoon r1 »jossa se pysyy suuren osan täyttä 35 k ierrosta vastaavasta kulraakoordinaatin muutoksesta,pienentyen freunaosuus 46) ennen kierroksen umpeutumista takaisin pieneen arvoon.Prosessitilan kaasuaukot 26 sijaitsevat työelimen akse- 6791 8 6

Iin suunnan suhteen kohdalla,jossa väliseinäpinnan 10 siirty-mäsektoria 77 reunustavat reunaviivan säteisluonteiset osuudet 44 ja 46 paisuntakäytössä saapuvat työelimen pyörimisti-laan ja puristuskäytössä sieltä poistuvat.Sanotut osuudet 44 5 ja 46 voivat olla muotoillut vastaamaan kaasuaukkojen kohdalla olevan työelimen pyörimistilan ulokeosan 48 pohjan 49 poikkileikkausmuotoa niin,että kyseisten reunojen eri osat saanuvat työelimen pyörimistilan ulokeosaan tai siitä nois-tuvat ainakin suunnilleen samanaikaisesti.^delläesitetty mää-10 ritelmä on tarkoitettu kuvaamaan reunan yleismuotoa,josta voi olla paikallisia poikkeamia,ulokkeita tai lovia.Työelimen ja reaktio elimen välisessä synkronoinnissa esiintyvä virhe ei vaikuta vakiosäteistä osuutta 45 vastaavaan välykseen H,ao.ik>« astaan lyhyttä osuutta 44 vastaavaan välykseen 15,joka on 15 olemassa vain osan ajasta,jakavan väliseinän 15 ollessa työtilan prosessitilan puoleisessa päässä olevalla osuudella. Siirtotilan 7 puoleista päätä vastaava osuus 46 ei ole vuodon kannalta merkityksellinen,koska sanotun osuuden ollessa työelimen pyörimistilassa ei paine-eroa nrosessitilan ja 20 siirtotilan välillä ole.

Kaasuaukkoja 26 sulkevien venttiilien 23 sijaintikohta työelimen akselin suunnan suhteen ilmenee kuvasta 3.Venttiilien akselit 24 ja 25 sijaitsevat työelimen akselin normaalitasossa, joka ei ole sama,jossa reaktioelinten akselit 9 25 ovat.Esimerkissä kuhunkin prosessitilaan liittyy kaksi kaa-suaukkoa 26 ja vastaavasti kaksi venttiiliä 23,joiden pyöri-mistaso suuntautuu suunnilleen työelimen akselia kohti.Kuolleen tilan välttämiseksi venttiilien edessä työelimen pyöri-mistila voi poiketa kyseisellä kohdalla sylinterimäisestä 30 perusmuodosta siten, että pyörimistilaan kuuluu s.ylinterimäi-sen osuuden ympärillä oleva kehänsuuntainen ulokeosa 48,jonka jonka muodostaa rungossa oleva ura.Uran pohja 49 on muotoiltu vastaamaan mahdollisimman hyvin venttiilien ehjän kehä-pinnan 99 muotoa,kuten myöhemmin tarkemmin esitetään.

35 Kuva 4 esittää osaa työelimen kehästä tasoksi levitet tynä käytettyjen koordinaattien ollessa työelimen kiertymä-kulma ja etäisyys zw työelimen akselin suunnassa.

ti 7 67918

Kuvassa näkyy peräkkäisiä työtiloja 5 erottavat välikannak-set 21»jotka sijaitsevat symmetrisesti työelimen vastakkaisilla puolilla.Kyseiset välikannakset kulkevat reaktioelimen siirtymäsektorin lävitse prosessijakson vaihtumisen yhteydes-5 sä,jolloin elinten mainitut osat ovat kääntyneinä toisiaan kohti.Välikannas 21 toimii tiivistyskohtana neräkkäisten työtilojen välillä.Tätä varten välikannaksessa on venttiilien kohdalle pyörimistilan ulokeosan 48 poikkileikkausta vastaava ulokeosa 50.Tämä uloke on mahdollista tehdä samasta 10 kappaleesta kuin muu työelin,jos koneen runko on varustettu reaktioelintä vastaavalla sektorilla olevalla aksiaalisuun-taisella sisäseinässä olevalla uralla 51 (kuva 3),jota myöten mainittu välikannaksen ulokeosa saadaan tuoduksi aksiaali-suunnassa paikoilleen kokooonpanovaiheessa.Vaihtoehtoisesti 15 voitaisiin ulokeosa kiinnittää paikoilleen rungon sisään.Kuvassa 4 on myös esitetty toista prosessitilaa 6 vastaavien kaasuaukkojen 26 sijainnit hetkellä,jolloin väliseinä 15 on kuvassa 4 esitetyllä kohdalla,joka vastaa myös kuvissa 2-3 esitettyä tilannetta.

20 PaisuntakäytÖssä työelin pyörii suuntaan 16 ja reaktio- elin suuntaan 17.Prosessijakson alkaessa reaktioelimen sä-teisluonteinen reuna 44 alkaa työntyä työelimen pyörimistilaan ulokeosan 48 kohdalta.Tällöin prosessitila 6 alkaa kasvaa alkaen arvosta nolla.Kun venttiileillä varustetut kaasun 25 tuloaukot 26 ovat juuri ulokeosan kohdalla,pääsee prosessi-tilaan tulemaan kaasua kanavasta 18 aivan jakson alusta alkaen sitä mukaa kuin prosessitila kasvaa.Kaasuaukot ovat siis runkorakenteessa 4 työelimen akselin suunnassa katsoen työ-elimen kehän suuntaisten työtilojen sen sivulaidan 12 puolel-30 la,jolla sijaitsee työtilan prosessitilan puoleinen nää 20, sekä työelimen kehän suunnassa väliseinän 15 suhteen prosessitilan nuolella mieluiten niin,että ainakin yksi aukko ulottuu sanotun väliseinäkohdan viereen.Aukkojen suulla olevat venttiilit avautuvat sitä mukaa kuin kyseinen aukko tulee 35 työelimen välikannaksen suojaamaksi,jolloin vuoto vastakkaisen työtilan siirtotilan puoleiseen päähän 22 estyy.Kun venttiilit eräässä vaiheessa sulkeutuvat ja työelin jatkaa pyöri- 6791 8 β mistään,prosessitila edelleen suurentuu ja suljetussa tilassa oleva kaasu siis paisuu,Kun työelimen kiertyminen on esi-merkkilaitteessa edennyt kohdalle r+ Π50 (315°), reakt io elimen väliseinäosan 10 siirtotilan puoleinen reuna 46.saapuu 5 pyörimistilaan,jolioin prosessitilan tiiviys lakkaa.Paisunta päättyy tällä kohdalla,Häviöiden välttämiseksi voidaan työtilan siirtotilan puoleinen pää 22 kokonaisuudessaan leventää, jotta kaasu pääsisi virtaamaan reaktioelimen ohitse,Samasta syystä voidaan rungossa olevan reaktioelimen aukon 52 10 reuna muotoilla vastaamaan työtilan prosessitilan puoleisen pään 20 reunan 78 muotoa,jolloin tiiviys prosessitilan alkupäässä lakkaa syhkronisesti loppupään kanssa ja työelimen jatkaessa nyörimistään alkupäässä oleva aukko jatkuvasti kasvaa. Paisuntajakson aikana tapahtuvaa prosessitilan kasvua 15 nollasta tiettyyn maksimiarvoon vastaa siirtotilan vastaava nieneneminen,jolloin edellisen jakson aikana paisunut kaasu tulee työnnetyksi rungossa olevan aukon 52 kautta siirtoti-laa vastaavaan kanavaan 19.Uusi prosessinakso alkaa kun työ-elimen välikannas 21,erityisesti sen ulokeosa 50,tulee reak-20 tioelimen muodostaman väliseinän 15 kohdalle.Yhden prosessi-jakson aikana reaktioelin pyörähtää yhden kierroksen ja työ-elin puoli kierrosta.Puristuskäytössä osien pyörimissuunnat samoinkuin kaasun virtaussuunta ovat päinvastaisia paisuntaan verrattuna.Tuo lioin kaasua imetään kanavasta 19 siirtotilaan, 25 joka jakson aikana kasvaa maksimiarvoon.Jakson vaihtuessa kyseinen tila muuttuu prosessitilaksi,koska väliseinä 15 tuolloin siirtyy välikannaksen 21 ylitse vastakkaisen työtilan puolelle.Täten sisäänotettu kaasumäärä joutuu seuraavan jakson aikana prosessitilan jatkuvasti pienentyessä puristuksen 30 kohteeksi ja senjälkeen työnnetyksi pois prosessitilasta venttiiliaukkojen kautta prosessitilan kanavaan 18.

Kuvasta 4 ilmenee,että työtilassa voidaan erottaa kolme pääosaa,prosessitilan puoleinen pää 20,jonka reunan 78 muodon määrää reaktioelimen säteisluonteinen reuna 44,siirtoti-35 lan puoleinen pää 22,jossa varsinaista prosessia ei tapahdu, sekä näiden välinen osuus 242,jossa poikkipinta-ala on maksi-maalinen.Kun käytetään pienehköä painesuhdetta,väliseinä 15 9 6791 8 liikkuu prosessitilan ollessa suljettuna vain viimemainitussa, ideaalisessa osassa.Täten suljetun prosessivaiheen osuus koko prosessijaksosta saadaan sangen pieneksi.Tällöin kaasu-vuoto suljetusta tilasta sekä kaasun lämmönvaihto seinämien 5 kanssa suljetun tilan aikana voidaan saada huomattavasti pienemmiksi kuin vastaavat kokonaissuureet prosessijakson aikana, jotka nekin voidaan saada pieniksi.

Venttiiliaukon kokonaispinta-ala saadaan suureksi,jos käytetään useita kaasuaukkoja 26 peräkkäin työelimen kehän 10 suunnassa,yhden aukoista ulottuessa väliseinäkohdan viereen, kunkin aukon ollessa varustettu rakenteellisella venttiilillä, jotka sijaitsevat viuhkamaisesti niin, että kurikin pyöri-mistaso suuntautuu ainakin suunnilleen työelimen akselin keskiviivaa kohti.Pri venttiilien akselit voisivat olla yh-15 distetytkaksoisnivelellä,jolloin koko venttiiliketjua olisi mahdollista nyörittää viimeisen venttiilin akselin avulla. Kuvien 2-4 mukaisessa esimerkissä on kuitenkin onnistuttu tulemaan toimeen vain kahdella aukolla 26 ja niitä vastaavilla rakenteellisilla venttiileillä 23»jotka on muotoiltu si-20 ten,että ne efektiivisesti vastaavat kolmea erillista aukkoa vastaavine venttiileineen,kummankin venttiilin muodostamien virtuaalisten aukkojen 27a,27b ja 27c sijaitessa peräkkäin työelimen kehän suunnassa.Paisunnassa venttiilin avaus kunkin virtuaalisen aukon osalta voidaan aloittaa heti,kun kyseinen 25 rakenteellisen aukon osa on tullut välikannaksen 21 suojäämäksi.Kun sanottujen virtuaalisten aukkojen leveys jp'-akse-Iin suunnassa on pieni,tullaan toimeen suhteellisen kapealla välikannaksella ja koneeseen saadaan enemmän hyödyllistä työtilaa. Avautuminen voi tapahtua sanotun välikannaksen suojas-30 sa niin,että prosessitilan alkupään 20 tullessa kunkin aukon kohdalle avautuminen on jo täysin tapahtunut.Virtuaalisten aukkojen käyttö on edullista,paitsi rakenteen yksinkertaistamisen ja työtilan lisäämisen kannalta,myös siksi että siten on mahdollista tulla toimeen vain yhdellä rakenteellisten 35 aukkojen 26 välisellä seinämällä 38 (kuva 4),jolla on koko-naisaukon kasvua hidastava vaikutus.

Virtuaalisten aukkojen toteutuksen selventämiseksi tar- 6791 8 to kastellaan kuvien 5 ja 6 avulla mahdollisuuksia venttiilin ehjän kehäpinnan ja työelimen välikannaksen ulokeosan kehä-pinnan ja samalla työelimen pyörimistilan ulokeosan pohjan keskinäiseksi muotoilemiseksi.Kuvissa Pv ^ ^v ovat työ-5 elimen kehän ja venttiilin kehän suuntaisia koordinaatteja. Yhtenäiset viivat esittävät sen pyörähdyspinnan muotoa,johon uran 48 pohja 49 yhtyy ja katkoviivat venttiilin ehjän kehä-pinnan 99 muotoa.Kuvan 5 tapauksessa ajatellaan,että venttiilin ehjä kehärinta halutaan yhtyvän sanottuun uran pohjan 10 mukaiseen pyörähdyspintaan pitkin viivoja A-B ja C-D.Tähän pääsemiseksi ajatellaan venttiilikappaleesta määrätyksi kaksi kyseisillä kohdilla sijaitsevaa ympyrää,jotka ovat identtisiä ja sijaitsevat yhdensuuntaisissa tasoissa,jotka ovat symmetrisesti työelimen akselin keskiviivan kautta kulkevan 15 venttiiliakselin normaalitason kahta puolta yhtäsuurilla etäisyyksillä.Mainitut symmetrisesti sijaitsevat ympyrät määräävät yksikäsitteisesti uran pohjan 49 muodon.Tämän jälkeen jäljelläolevana vapausasteena on määrätä venttiilikap-paleen pyörähdysmuodot muissa tasoissa niin,että venttiilin 20 kehä jossakin kulmassa ulottuu enintään melkein kosket tamaan uran pohjan mukaista pyörähdyspintaa.Mainittujen kahden tason välisellä alueella sivuaminen tapahtuu tällöin viivalla K-L,joka sijaitsee venttiilin akselin kautta kulkevassa työelimen akselin normaalitasossa.Mainittujen tasojen ulko-25 puolisella osalla taasen sivuaminen tapahtuisi ensiksi reunoilla, symmetrisessä tapauksessa kaikilla viivoilla A-G,B-H, C-I ja D-J.Jos viivan K-L tarjoamaa mahdollisuutta ei käytetä hyväksi,vaan tehdään kyseinen kohta hieman väljäksi,käyttämällä viivoja A-B ja C-D tiivistyskohtina saadaan raken-30 teellinen kaasuaukko 26 jaettua kolmeen virtuaaliseen aukkoon 27a, 27b ja 27c, jotka ovat peräkkäisiä ψ -akselin suunnassa.Tiiviys ulkoreunoilla G-H,H-J,I-J ja I-G saavutetaan siten,että runkorakenne on muotoiltu työelimen välikarv-naksen ulokeosan muotoa vastaavaksi.Venttiilin ehjän kehäpin-35 nan ja sanotun ulokeosan kehäpinnan muodot vastaavat toisiaan niin hyvin,että väliin jäävällä kuolleella tilalla ei ole käytännön merkitystä.Kuvassa 6 on edellä selostettu tilanne il u 67918 käännetty 90°,jolloin mainitut perusympyrät on valittu työ-elimen puolelta,jolloin on saatu työelimen kehän suuntaiset tiivistysviivat A*-B' ja 0'-D’.Täten aikaansaatavat aukot 27a,27b ja 27c ovat koordinaatin Λ suunnassa rinnakkaisia, 5 mutta koordinaatin suunnassa peräkkäisiä.J^yös tällöin voidaan venttiilin avaus paisunnassa kunkin virtuaalisen aukon osalta aloittaa heti,kun kyseinen virtuaalinen aukko on tullut välikannaksen 21 suojaamaksi.

Kuvan 6 tapauksessa virtuaalisten aukkojen yhtäsuuruus 10 edellyttää venttiilin akselin sijaitsemista työelimen akse-: Iin suunnassa symmetrisesti aukkojen 26 suhteen.Kuvien 2-4 mukaisessa esimerkissä käytetään kuvan 5 mukaista periaatetta, venttiilien sijainnin ollessa epäsymmetrinen siten,että venttiilien akselit sijaitsevat työelimen akselin norraaali-15 tasossa,joka on suunnilleen työuoman sivureunan 12 kohdalla. Tällöin venttiilin akseli 24 on helpommin saatavissa kulkemaan reaktioelimen sivuitse.Vyös symmetrinen sijainti olisi mahdollinen,jos venttiilit tehtäisiin hieman suuremmiksi tai jos molempien venttiilien pyörittäminen tapahtuisi taaempaan 20 venttiiliin kiiluvalla akselilla 25,venttiilien ollessa yhdistetty akseleiden välisellä kaksoisnivelellä.

Pyörivien venttiilien rakenne selviää kuvista 2,7, ja 8. Venttiilit ovat perusmuodoltaan pyörähdyskappaleita,joista on kuitenkin eräältä sektorilta poistettu materiaalia niin, 25 että kun kyseinen sektori on kaasuaukkoon 26 päin kääntyneenä syntyy yhteys prosessitilan 6 ja kanavan 18 välille.Kun peräkkäiset virtuaaliset aukot 27a-c on tarkoitus paisunnassa avata sitä mukaa kuin ne tulevat välikannaksen 21 suojaamiksi, eri virtuaalisten aukkojen aukioloajat ovat erilaisia.Tä-30 män vuoksi on venttiilissä oleva aukko 28 muodostettu kolmesta venttiilin akselin suuntaisesta osasta,joilla on yksilölliset avautumiskulmat ja /3C venttiilin akselilta 24 katsoen.Aukkojen reunat 29a-c,jotka paisuntakäytössä venttiilin pyöriessä suuntaan 31 toimivat etureunoina,ovat yksilöl-35 lisillä kohdilla,kun taas toiset reunat 30 ovat samalla kohdalla, jolloin kaikkien aukkojen sulkeutuminen paisunnassa ja avautuminen puristuksessa tapahtuu samanaikaisesti,jolloin 12 6791 8 kyseinen venttiilitoiminta saadaan mahdoliisimmannn®peaksi. Samasta syystä on edullista,että aukon 26 näkökulma venttiilin akselin suhteen on mahdollisimman pieni.Esimerkissä se on noin 30°,jolloin häviöt kyseisessä vaiheessa eivät 5 enää ole oleelliset.Kuvien mukaisten venttiilien yksi pyörähdys vastaa yhtä prosessijaksoa.Kuvissa venttiilit ovat varustetut pyörähdyskappaleen muotoisilla tukiosilla 32,joihin on mahdollista kohdistaa vastapainetiloista 33 ajallisesti ohjelmoitu painevaikutus prosessitilan 6 ja kanavan 18 välisen 10 paine-eron kompensoimiseksi.Tämä voidaan toteuttaa samoin kuin myöhemmin selostettava reaktioelimeen kohdistettava ohjelmoitu painevaikutus.Vaihtoehtoisesti voidaan ajatella prosessitilan paineen johtamista vastapainetiloihin,joiden pinta-alan olisi tuolloin oltava aukkoa 26 vastaavan.

Ί5 Venttiilien paikoilleenasennusta varten rungossa voi olla kuvan 7 mukaisesti lisäosa 34,joka asennetaan paikoilleen vasta venttiilien asentamisen jälkeen.Painekompensointia voisi käyttää myös aksiaalisuunnassa esiintyvien huomattavasti poikittaisvoimia pienempien voimien kompensointiin.Jos 20 painevoiraat on kompensoitu,venttiilin aseman määrääviin laa-kereihin kohdistuvat voimavaikutukset jäävät pieniksi,jolloin laakerointi voidaan saada mahdollisimman tarkaksi ja laakereissa syntyvät häviöt saadaan pidettyä pieninä.On selvää,että etenkin pienillä paineilla voitaisiin tulla toimeen myös 25 ilman painekompensointia.

Kuvassa 7 on vielä esitetty mahdollisuus käyttää suojus-osaa 35,joka vähentää kaasuvirran mahdollisuutta lämmönvaih— toon venttiilin kehäpinnan kanssa.

Kaasun kulku 36 voi tapahtua esim. kuvan 8 mukaisesti 30 venttiilien ohitse pitkin rungossa olevia kanavia 37,joiden yhteinen poikkipinta-ala saadaan suuremmaksi kuin kaasuaukon 26 pinta-ala.

Keksinnön piiriin kuuluvat myös modifikaatiot,joissa reaktioelimet ja/tai venttiilit ovat muotoillut siten,että 35 niiden yksi kierros vastaa kahta prosessijaksoa.Tällöin elimissä olisi kaksi aukkosektoria 77 tai 28 symmetrisesti elimen vastakkaisilla puolilla.Etuna olisi elinten rakenteelli-

II

13 6791 8 nen symmetria keskiakselin suhteen,mutta epäkohtana suuremmat häviöt ja reaktio elimen osalta myös huomattavasti pienempi työtilavuus.Kyseisten elimien tasapainoitus voidaan ensisijaisessa suoritusmuodossa toteuttaa poistamalla materiaalia 5 toiminnallisesti epäoleellisilta kohdin aukkosektoreita vastapäätä. Säteittäi3et solat 102 kuvassa 7 palvelevat mainittua tarkoitusta.

Kuvan 3 mukaisesti tehoakseli 2 voi koostua kahdesta osasta,jotka ovat varustetut paksunnoksella 76 niiden asenta-10 miseksi työelimen päihin niin,että voidaan välittää hyvin suuriakin vääntömomentteja.Työelin voidaan lukita akseliin esim. kuvassa 2 näkyvillä pyöreinä lukituselimillä 79.

Reaktioelimet voivat olla tukevia kappaleita,jotka voivat välittää paine-erosta johtuvia suuria voimia reaktioeli-15 men akselin suuntaisesti työelimen pyörimistilan ulkopuolelle. Työelimen välikannaksen 21 läpikulkua varten reaktioelin on muotoiltu kuvassa 2 näkyvällä tavalla siten,että sen kehäpin-nassa on siirtymäsektorilta lähtevä ruuvimaisesti kiertyvä ura 243,joka vähitellen mukautuu elimen yleismuotoon elimen 20 ohuimman kohdan paikkeilla.Jos paaisunnnan loppupiste sijoitettaisiin aikaisemmaksi kuin 135° (315°),voisi reaktio-elin olla ohuimmalta kohdaltaan vieläkin paksumpi.Reaktiovoimat voidaan kompensoida ohjelmoidulla painevaikutuksella,joka kohdistetaan reaktioelimessä olevaan koinpensointlointaan 11, 25 joka on työelimen pyörimistilan 3 ulkopuolella.laakerit 67 ja 68 voivat kantaa epätäydellisestä kompensoinnista aiheutuvat voimat. Mainitut laakerit voidaan mitoittaa siten, että ne voivat lyhytaikaisesti kantaa koko reaktiovoiman siinä tapauksessa, että kompensointi pettäisi.Reaktioelimen asentami-30 nen voi tapahtua siten,että akseli 9 työnnetään erillisen renkaanrauotoisen osan 64 lävitse,ruuvataan paikoilleen ja lukitaan lukitsemiselimellö 66.Aksiaalivoimat laakeriin 67 välittyvät rengasmaisen osan 64 kautta.kun taas laakeriin 68 kierteen 65 ja akselin 9 välityksellä.Asennuksen yhteydessä 35 voidaan järjestää sopiva aksilaalinen esipuristus aksiaalisen välyksen välttämiseksi.Reaktioelimen asentamisen jälkeen voidaan asentaa vastavoimaosä 63 kehänsuuntaisesti naikoil^t 14 6791 8 leen työntämällä.Vastavoimaosa voi olla kuvan 9 mukaisesti varustettu kolmella matalalla vastapainetHalla 53-55 paine-voimien kohdistamiseksi reaktioelimeen.Kuvassa 9,jossa konetta on katsottu akselin 9 suunnassaan esitetty pisteviivalla 5 työtilan kokonaispoikkileikkauksen 60 sijainti.Vastavoimien resultantti voidaan pitää joka hetki samalla reaktio elimen akselin suuntaisella suoralla kuin jakavan väliseinän 15 hetkellinen painopiste.Kun sanotun pinnan painopisteen ura 59 pyayy vastapainetilojen painopisteiden 56-58 määräämän kol-10 mion sisäpuolella,on mahdollista järjestää voimien resultantti seuraamaan sanottua uraa.

Vastapainetiloja ympäröi leveä tiivistysalue 61,joka voi olla varustettu lukuisilla urilla 62,jotka muodostavat kaasu-vuodon nopeutta alentavan labyrinttitiivistyksen.Kun urien 15 tilavuus on pieni,painejakauma tiivistyksessä seuraa hyvin kussakin vastapainetilassa olevaa vaihtelua.Paineen asteittaisen alentuman vuoksi noin puolet tiivistysalueesta kuuluu efektiivisesti vastapainetiloihin.

Kuvassa 10 on esitetty sopiva vastavoimien F^-P^ ajal-20 linen kulku vastaavissa onteloissa 53-55 kuvan 9 tapauksessa funktiona reaktio elimen pyörähdyskulmasta K , kun 0 vas taa paisuntajakson alkuhetkeä.Käyrät F^-F^ poikkeavat sini-muodosta eniten siinä,että niillä on tasainen osuus molemmissa huipuissa,kun taas käyrässä F^^ on vain toinen huippu ta-25 sainen.

Paineen jaksottainen vaihtelu voidaan aikaansaada kuhunkin vastapainetilan yhteyteen liitetyn laitteen avulla toteutetulla tilavuuden jaksottaisella vaihtelulla.Edestakainen tilavuudenvaihtelu ei periaatteessa kuluta energiaa.Jos vas-30 tapainetilojen tilavuus on luokkaa 1# koneen vastaavasta työ-tilavuudesta,häviöt kompensointilaitteissa saattaisivat olla vain tuhannesosia koneen tehosta käytännössä.

Tilavuusvaihtelun aikaansaavat laitteet voidaan sijoittaa rungossa oleviin asennusreikiin 69 (kuva 2).Jos paine-35 kompensointia sovelletaan myös venttiileihin,vastaavat laitteet voidaan sijoittaa asennusreikiin 108 ja 109.Viitenumerot 105-107 kuvissa 2-3 osoittavat muutamia synkronoinnista ti .. 6791 8 1 5 riippumattomia tiivistysviivoj a. Välysten pitämiseksi mahdollisimman pieninä koneen osat on mahdollista myös termostosoi-da.Kuvassa 3 on esitetty tarvittavat lämmönvaihtoaineen kulkureitit työelimen osalta numeroin 176-180,reaktio elimen 5 osalta numeroin 182-183 sekä numerolla 184 venttiilien osalta.

PATENTTIVAATIMUS ET

1. Kone kaasujen tai höyryjen paisunnan tai puristuksen toteuttamiseksi sulkeutuvissa,tilavuudeltaan muuttuvissa tiloissa; koneeseen kuuluessa ainakin yksi runkorakenteen (4) 10 rajoittama pyörimistila (3)»jossa on keskiakselinsa ympäri pyörivä työelin (1),joka muodostaa yhdessä runkorakenteen kanssa ainakin yhden työtilan (5)»joka liikkuu kehänsuuntai-sesti työelimen mukana,työelimen ollessa varustettu ainakin yhdellä työtiloja erottavalla välikannaksella (21),joka ulot-15 tuu lähelle pyörimistilan seinämää; ainakin yksi työelimeen nähden poikittain sijaitseva,pyörivä reaktioelin (8),joka jalkaa työtilan kahteen osaan; mainittuihin työtilan osiin (6,7) johtavat virtauskanavat (18,19) kaasun tai höyryn poistumista varten; sekä laitteet (42) koneen liikkuvien osien keskinäi-20 seksi synkronoimiseksi,koneeseen kuuluessa ainakin yksi työ-elin (1),joka on akselinsa suunnassa niin pitkä,että työelimen kehän suuntaisten työtilojen sivuille jää ehjää kehäpin-taa; ainakin yksi pyörivä reaktioelin (8),jonka työtilaan poikittaisen väliseinän (15) muodostava osa (10) on muotoil-25 tu niin,että siinä on yksi,enintään kaksi siirtymäsektoria (77),jossa reunaviivan etäisyys reaktio elimen pyörimisakselista on pienempi kuin muilla sektoreilla; ja ainakin yksi koneen rungossa (4) väliseinäkohdan (15) suhteen prosessiti-lan (6) puolella oleva aukko (26),joka yhdistää prosessiti-30 lan (6) ja vastaavan virtauskanavan (18)Jtyöelimen (1) ja reaktioelimen (8) pyörimisten ollessa synkronoitu niin,että kerran prosessijakson aikana työelimen (1) yksi välikannas (21) voi kulkea yhden reaktioelimessä (8) olevan siirtymä-sektorin (77) lävitse,sekä työelimen (1) ja venttiilielimen 35 ollessa synkronoitu niin,että yhteys prosessitilan (6) ja ,6 67918 vastaavan virtauskanavan (18) välillä on olemassa sellaisen osan prosessijaksoa,jonka aikana työtila (5) kulkee kehän-suuntaisesti tietyn matkan,jonka toisessa päässä reaktioeli-men muodostava jakava väliseinä (15) on työtilan prosessiti-5 iän puoleisen pään kohdalla , tunnettu siitä,että rrosessitilan aukkoja (26) sulkevien venttiilien pyörimisakselit (24,25) sijaitsevat työelimen akselin (2) sellaisessa normaalitasossa,joka poikkeaa oleellisesti reaktioelinten akselit sisältävästä normaalitasosta ja on mieluiten lähellä 10 työelimen kehän suuntaisen työtilan sitä sivureunaa (12), jonka puolella sijaitsee työtilan prosessitilan puoleinen äääripää (20)»venttiilien pyörimistason suuntautuessa ainakin suunnilleen työelimen pyörimisakselia kohti.

2. Vaatimuksen 1 mukainen kone, tunnettu siitä, 15 että prosessitilaan johtavien aukkojen (26) kohdalla työelimen pyörimistilan (3) rajapintana olevan pyörähdyspinnan (49) muoto on mahdollisimman hyvin pyörivän venttiilin (23) ehjän kehäpinnan (99) muotoa vastaava,mainitun kehäpinnan (99) sivutessa mainittua pyörähdyspintaa (49) pitkin kahta viivaa 20 (A-B ja G-D),joita myöten kaksi kuviteltua,yhdensuuntaista tasoa leikkaa mainittua pyörähdyspintaa,mainittujen kuviteltujen tasojen sij.aitessa symmetrisesti kahden puolen sellaista työelimen akselin (2) keskiviivan kautta kulkevaksi kuviteltua tasoa,joka on venttiilin akselin (24,25) normaalitaso, 25 mainittujen viivojen kohdan muodostaessa venttiilin ehjän kehäpinnan (99) ja työelimen välikannaksen (21) väliset tiivns-t.yskohdat, jotka jakavat aukon (26) kolmeen työelimen kehän suunnassa peräkkäiseen osaan,jotka toimivat virtuaalisina aukkoina (27a-27c),joiden kunkin osalta venttiilin avaus pai-30 suntakäytössä voi alkaa heti kun työelimen välikannas on ehtinyt täysin peittää kyseisen virtuaalisen aukon. 1 2 3 il

Vaatimuksen 1 mukainen kone, tunnettu siitä, 2 että prosessitilaan johtavien aukkojen (26) kohdalla työelimen pyörimistilan (3) rajapintana olevan pyörähdyspinnan (49) 3 35 muoto on mahdollisimman hyvin pyörivän venttiilin (23) ehjän „ 67918 kehäpinnan (99) muotoa vastaava»mainitun kehäninnan (99) sivutessa mainittua nyörähdyspintaa (49) pitkin kahta viivaa (A'-B1 ja 0joita myöten kaksi kuviteltua,yhdensuuntaista loikkaa mainittua nyörähdysp.intaa,mainittujen kuviteltujen 9 tasojen sijaitessa symmetrisesti kahden nuolen sellaista venttiilin akselin (24,25) keskiviivan kautta kulkevaksi kuviteltua tasoa,joka on työelimen akselin normaalitaso»mainittujen viivojen kohtien muodostaessa venttiilin ehjäin kehäninnan (99) ja työelimen välikannaksen (.91) väliset tiivistys-10 kohdat,jotka jakavat aukon (26) kolmeen venttiilin kehän suunnassa peräkkäiseen osaan,jotka toimivat virtuaalisina aukkoina (27a-27c),jo iden kunkin osalta venttiilin avaus raisuni akäytössä voi alkaa heti kun työelimen välikannas on ehtinyt täysin peittää kyseisen virtuaalisen aukon, 15 4. Vaatimuksen 2 mukainen kone, tunnettu siitä, että rrosessitilaan (6) liittyy kaksi työelimen (1) kehän suunnassa peräkkäistä aukkoa (26),jo itä vastaavilla kahdella venttiilillä f 23) saadaan aikaan kuusi virtuaalista aukkoa (27),jotka ovat peräkkäin työelimen kehän suunnassa, 20 5. Vaatimuksen 3 mukainen kone, t u n n e t t u siitä, että rrosessitilaan (6) liittyy kaksi työelimen (1) kehän suunnassa peräkkäistä aukkoa (26),joita vastaavilla kahdella venttiilillä (23) saadaan aikaan kuusi virtuaalista aukkoa (27) siten,että kummankin venttiilin kohdalle muodostuu kol-25 me venttiilin kehän suunnassa peräkkäin olevaa virtuaalista aukkoa (27). 1

Vaatimuksen 2 mukainen kone, tunnettu siitä, että venttiili (23) on kunkin virtuaalisen aukon (27a-27c) osalta varustettu tietyllä sektorilla ( /?a -/?,) olevalla 30 aukolla (28),jonka ollessa prosessitilan (6) aukkoon (26) päin kääntyneenä syntyy yhteys prosessitilan ja vastaavan virtauskanavan (18) välille,mainittujen venttiilissä olevien aukkojen toisten reunojen (30) ollessa samoilla kohdilla siten, että venttiilin sulkeutuminen paisunnassa ja avautuminen ,β 67918 puristuksessa tapahtuvat samaaikaisesti kaikkien virtuaalisten aukkojen (27) osalta,kun taas toiset reunat (?9) ovat yksilöllisillä kohdilla siten,että kunkin virtuaalisen aukon avautumisen alkuhetkellä paisunnassa ja sulkeutumisen loppu-5 hetkellä puristuksessa kyseinen virtuaalinen aukko on työelimen väliknnnaksen ( 71) suojaamana, 7. vaatimuksen 2 mukainen kone, tunne ttu siitä, että keskimmäinen virtuaalinen aukko (27b) on jaettu edelleen poikittaisesti kahteen osaan tiivistysviivalla (K-L),joka 10 sijaitsee työelimen akselin (2) siinä normaalitasossa,joka kulkee venttiilin akselin (24,25) kautta.

Θ. Vaatimuksen ”5 mukainen kone, tunnettu siitä, että keskimmäinen virtuaalinen aukko on jaettu edelleen poikittaisesti kahteen osaan tiivistysviivalla,joka sijaitsee 15 venttiilin akselin (24,25) siinä normaalitasossa,joka kulkee työelimen akselin (2) kautta.

tl