DE19961646C1

DE19961646C1 - Schwingungsarmer, zweistufiger Tauchkolbenverdichter

Info

Publication number: DE19961646C1
Application number: DE19961646A
Authority: DE
Inventors: Frank Meyer; Michael Hartl; Stefan Schneider
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Priority date: 1999-12-21
Filing date: 1999-12-21
Publication date: 2001-11-15
Anticipated expiration: 2019-12-22
Also published as: WO2001046585A9; KR20020065595A; EP1242741A1; JP2003519740A; HK1054776A1; US20030108435A1; JP4773022B2; AU3726601A; KR100726202B1; CN1189658C; WO2001046585A1; CN1413292A; EP1242741B1; ATE302906T1; ES2248168T3; DE50011039D1; US6776587B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kolbenanordnung für einen zweistufigen Kolbenverdichter mit einer Kurbelwelle, mehreren Zylindern und darin laufenden Kolben, wobei zwei oder mehrere Niederdruckstufen und wenigstens eine Hochdruckstufe ausgebildet wird. DOLLAR A Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die zwei oder drei mehreren Niederdruckstufen in bezug auf die Hochdruckstufe derart angeordnet sind, daß die zwei oder mehreren Niederdruckstufen phasengleich oder um weniger als +- 15 DEG versetzt und um 180 DEG +- 20 DEG versetzt zur Hochdruckstufe verdichten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenanordnung für einen zweistufigen Kolbenverdichter mit einer Kurbelwelle, mehreren Zylindern mit darin laufenden Kolben, wobei zwei oder mehrere Niederdruckstufen und wenigstens eine Hochdruckstufe ausgebildet wird sowie einen Kolbenverdichter für Schienenfahrzeuge mit einer derartigen Kolbenanordnung.

Ein Kolbenverdichter mit einer Kurbelwelle, mehreren Zylindern und darin laufenden Kolben ist beispielsweise aus der DE-PS 765 994 bekannt geworden.

Im Schienenfahrzeugbau kommt in zunehmenden Maße Leichtbau zur Anwendung. Moderne Leichtbau-Wagenkastenstrukturen beispielsweise aus Aluminium- Strangpreßprofilen oder Trägerstrukturen aus dünnem Blech besitzen häufig Eigenfrequenzen nahe der Drehzahl des Kompressors der Luftbeschaffungsanlage. Der Einsatz von Kolbenverdichtern ist bei derartigen Konstruktionen oftmals nicht möglich, da häufig der zulässige Körperschallpegel überschritten wird.

Dies ist darauf zurückzuführen, daß Kolbenmaschinen bauartbedingt Massenkräfte und Momente hervorgerufen durch die oszillierenden Massen am Kurbeltrieb sowie Momente aus den Gaskräften erzeugen. Insbesondere bei den im Schienenfahrzeugbereich häufig eingesetzten zweistufigen Kolbenverdichtern tritt ein sehr ungleichförmiges Drehmoment auf. Wie die Analyse eines typischen Lastmomentes eines solchen Verdichters zeigt, entspricht der überwiegende Anteil des Lastmomentes der Drehfrequenz der Kolbenmaschine, die häufig im Bereich von 20 bis 30 Hz liegt. Diese Frequenzen wiederum sind für den im Fahrgastraum befindlichen Menschen sehr gut spürbar, da beispielsweise die Eigenfrequenz von Beinen mit durchgestreckten Knien bei ca. 20 Hz liegt.

Das oben beschriebene Lastmoment eines Kolbenverdichters erzeugt in dem Zusammenspiel mit dem Motor ein Erregermoment um die Kompressordrehachse. Das Trägheitsmoment eines herkömmlichen Kolbenkompressoraggregates ist um die Kompressordrehachse wesentlich geringer als um andere Achsen. Da der Übertragungsmode einer elastischen Lagerung um die Kompressorlängsachse in der Regel näher an der Drehfrequenz liegt als beispielsweise der Vertikalmode, der für die Übertragung von Massenkräften eine größere Rolle spielt, wird diese Drehschwingung in der Regel nicht so gut isoliert wie andere Erregerkomponenten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kolbenkompressormaschine anzugeben, die die zuvor beschriebenen Nachteile vermeidet.

Erfindungsgemäß wird das Problem durch eine drastische Reduzierung des Anteils der ersten Ordnung in dem vorwiegend aus den Gaskräften resultierenden Lastmoment gelöst, indem durch eine unübliche Kolbenanordnung zwei oder mehrere Niederdruckstufen sich phasengleich überlagern und ca. 180 versetzt zur Hochdruckstufe wirken.

In einer ersten Ausfürungsform der Erfindung handelt es sich bei der Kolbenanordnung um eine ölgeschmierte Kolbenanordnung.

Besonders bevorzugt ist es aber, wenn die Kolbenanordnung eine trockenlaufende Kolbenanordnung ist. In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung ist die Kolbenanordnung als 3-Zylinder-Anordnung mit zwei Nieder- und einem Hochdruckzylinder ausgeführt, wobei einem Hochdruckzylinder ein weiterer Niederdruckzylinder gegenüberliegt. Eine derartige Anordnung ist besonders bauraumsparend.

Durch den Einsatz schwerer Kolben können gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform die Druckspitzen im Drehkraftdiagramm deutlich reduziert werden, da eine erhöhte kinetische Energie des Kolbens in Verdichtungs-arbeit umgesetzt wird.

Bevorzugt sind die schweren Kolben derart dimensioniert, daß die in das Drehkraftdiagramm eingehenden Massekräfte größer als 15% der Gaskraft sind.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß bei einer 3-Zylinder- Anordnung die Massen des auf der Seite des Hochdruckzylinders liegenden Niederdruckzylinders, und zwar die Kolben- und/oder Pleuelmasse, so gewählt sind, daß sie den gegenüberliegenden Niederdruckkolben sowie den Hochdruckkolben ausgleichen. Der Ausgleich kann hierbei sowohl am Kolben als auch am Pleuel erfolgen. Durch die Erhöhung der Kolbenmasse resultierend aus dem Masseausgleich verringert sich die Lagerbelastung am Pleuel.

Dies ist insbesondere günstig für die Belastung am Kolbenbolzenlager der auf der Seite des Hochdruckzylinders liegenden Niederdruckstufe, weil diese aufgrund der benachbarten Hochdruckstufe bei der 3-Zylinder-Anordnung schlechter gekühlt wird.

Neben dem Massenausgleich mit Hilfe von Zusatzmassen ist es auch möglich, die oszillierende Masse der Kurbelwelle mit Hilfe von mitlaufenden Blindkolben auszugleichen.

Vorteilhafterweise sind die Kolben derart angeordnet, daß die Niederdruckkolben gleichphasig über das Kurbelgehäuse ansaugen, wobei beim Ansaugvorgang die beiden ins Kurbelgehäuse tauchenden Niederdruckstufen die Luft in den Verdichtungsraum stoßen. Dadurch wird der Ansaugdruck in der Niederdruckstufe vergrößert. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird dieser Effekt durch den Einsatz eines Rückschlagventiles am Einlaßstutzen von Luftfiltergehäuse zu Kurbelgehäuse verstärkt. Durch die Anordnung eines Rückschlagventiles wird der Wirkungsgrad insbesondere einer trockenlaufenden Kolbenanordnung verbessert.

Neben der Kolbenanordnung stellt die Erfindung auch einen Kolbenverdichter, insbesondere für Schienenfahrzeuge umfassend eine derartige Kolbenanordnung zur Verfügung, der vorteilhafterweise einen elektromotorischen Antrieb umfaßt.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 den Tangentialkraftverlauf eines herkömmlichen zweistufigen Kolbenverdichters in Boxer-Anordnung, wie er beispielsweise aus DUBBEL, Taschenbuch für den Maschinenbau 18. Auflage (Seite P32 und P33) bekannt geworden ist

Fig. 2 den Tangentialkraftverlauf eines erfindungsgemäßen Kolbenverdichters

Fig. 3 ein erfindungsgemäßen Kolbenverdichter im Schnitt.

In Fig. 1 ist das Tangentialkraftdiagramm einer Kolbenanordnung wie aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise DUBBEL, Taschenbuch für den Maschinenbau 18. Auflage (Seite P32 und P33) dargestellt. Die x-Achse bezeichnet hierbei den Drehwinkel in Grad, die y-Achse das anliegende Moment. Mit 1 ist das Moment aus den Gaskräften bezeichnet, mit 3 das Gesamtmoment aus Massen- und Gaskräften und mit 5 das Moment aus den Massekräften.

Die Fourieranalyse des in Fig. 1 dargestellten Lastmomentes aus Massen- und Gaskräften eines Verdichters gemäß dem Stand der Technik läßt sich in folgende Anteile aufspalten:

1. Ordnung: 40 Nm
2. Ordnung: 20 Nm
3. Ordnung: 7 Nm

Der überwiegende Anteil des Lastmomentes entspricht der Drehfrequenz der Kolbenmaschine, die häufig bei 20, 25 oder 30 Hz liegt. Diese Frequenzen sind für den Menschen, zum Beispiel im Fahrgastraum eines Schienenfahrzeuges, gut spürbar. (So beträgt die Eigenfrequenz von Beinen mit durchgestreckten Knien ca. 20 Hz)

Das Lastmoment eines Kolbenverdichters erzeugt in Zusammenspiel mit dem Motor ein Erregermoment um die Kompressorlängsachse, wobei das Trägheitsmoment eines herkömmlichen Kolbenkompressoraggregates um die Kompressorlängsachse wesentlich geringer als um andere Achsen ist. Der Übertragungsmode einer elastischen Lagerung um die Kompressorlängsachse ist in der Regel näher an der Drehfrequenz als beispielsweise der Vertikalmode, der für die Übertragung von Massenkräften eine größere Rolle spielt. Diese Drehschwingung wird in der Regel nicht so gut isoliert wie andere Erregerkomponenten.

Erfindungsgemäß wird das Schwingungsproblem herkömmlicher Kolbenverdichter durch eine drastische Reduzierung des Anteiles der ersten Ordnung in dem vorwiegend aus den Gaskräften resultierendem Lastmoment gelöst. Diese Reduzierung der ersten Ordnung kann durch eine Kolbenanordnung erreicht werden, bei der zwei oder mehrere Niederdruckstufen sich phasengleich überlagern und um ca. 180 versetzt zur Hochdruckstufe wirken.

Das Tangentialkraftdiagramm einer derartigen Anordnung ist in Fig. 2 gezeigt. Wie in Fig. 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 das Moment aus Gaskräften, 3 das Moment aus Massen- und Gaskräften sowie 5 das Moment aus Massenkräften.

Die Fourieranalyse der Kurve gemäß Fig. 2 führt zu folgendem Ergebnis:

1. Ordnung: 19 Nm
2. Ordnung: 28 Nm
3. Ordnung: 7 Nm

Der Anteil der ersten Ordnung ist drastisch reduziert, was sich in einer reduzierten Schwingungserregung um die Kompressorlängsachse niederschlägt. Die unerwünschten Schwingungen im Fahrgastraum können so beträchtlich verringert bzw. fast ganz vermieden werden.

In Fig. 3 ist ein Kolbenverdichter mit einer erfindungsgemäßen Kolbenanordnung beispielhaft dargestellt. Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform handelt es sich um eine 3-Zylinder-Anordnung mit zwei Niederdruckzylinder 20, 22, die die Niederdruckstufe bilden sowie einem Hochdruckzylinder 24 der einer der Niederdruckstufen vorgeordnet ist.

Die Kolben 40, 42, 44 der drei Zylinder sind auf einer gemeinsamen Kurbelwelle über Pleuelstangen 27 mit Hilfe von Kugel- oder Rollenlagern 28 gelagert.

Zur Kühlung der Anordnung ist an der Stirnseite der Kurbelwelle 26 ein Lüfterrad 30 vorgesehen, das für eine Luftkühlung des Gehäuses 32, in dem die beiden Niederdruckstufen sowie die Hochdruckstufe angeordnet sind, bei umlaufender Kurbelwelle 26 sorgt.

In der in Fig. 3 gezeigten Stellung befinden sich die Kolben 40, 42 der Niederdruckzylinder in der obersten Stellung. Der Hochdruckkolben 44 befindet sich am oberen Ende des Zylinders. Wird die Kurbelwelle 26 bewegt, so bewegen sich die beiden Kolben 40, 42 der Niederdruckzylinder gleichphasig und um 180 versetzt gegenüber dem Kolben 44 der Hochdruckstufe.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform handelt es sich um einen ölfrei verdichtenden Kolbenverdichter mit Ansaugluftführung über das Kurbelgehäuse.

Die einzelnen Kolben 40, 42, 44 sind gegenüber dem Zylinder mittels Dichtelementen 50 abgedichtet. Der Antrieb der Kurbelwelle 26 erfolgt mit Hilfe eines Elektromotores 60.

Nachfolgend soll die Arbeitsweise des in Fig. 3 dargestellten Kolbenverdichters näher beschrieben werden:
Beim Verdichtungsvorgang in den Niederdruckstufen vergrößert sich durch die gleichphasig aus dem Kurbelgehäuse 32 tauchenden großen Niederdruckkolben 40, 42 das Luftvolumen im Kurbelgehäuse 32. Luft wird ins Kurbelgehäuse gesaugt. Beim Ansaugen der Luft in den Verdichtungsraum tauchen die Niederdruckkolben 40, 42 ins Kurbelgehäuse 32. Das Volumen im Kurbelgehäuse 32 verringert sich in dem Moment, in dem Luft aus dem Kurbelgehäuse 32 in den Verdichtungsraum der Niederdruckstufen gesaugt wird, d. h. die Kolbenunterseite der Niederdruckkolben 40, 42 schiebt Luft aus dem Kurbelgehäuse 32 in die Verdichtungsräume der Niederdruckstufen. Dadurch wird der Ansaugdruck in den Niederdruckstufen gegenüber den Ausführungen gemäß dem Stand der Technik vergrößert. Unterstützt wird dieser Effekt bei Einsatz eines Rückschlagventiles am Einlaßstutzen von Luftfiltergehäuse zum Kurbelgehäuse 32, wobei insbesondere der Wirkungsgrad verbessert wird.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Kolbenverdichters besteht in folgendem:
Bedingt durch das stark schwankende Lastmoment des Kolbenverdichters wird Drehungleichförmigkeit erzeugt. Diese wird durch den E-Motor 60 verstärkt, weil der Motor 60 auf die Lastspitze phasenversetzt reagiert und zwar dann, wenn der Momentenbedarf des Kompressors niedrig ist. Die daraus resultierende Drehzahlschwankung über eine Umdrehung kann bei Kolbenverdichtern gemäß dem Stand der Technik beispielsweise ±14% betragen. Dieser Effekt konnte bislang nur durch den Einsatz großer Schwungmassen reduziert werden, was aber schon aus Gewichtsgründen nicht erwünscht war. Des weiteren weist der E-Motor 60 eine deutlich erhöhte Stromaufnahme und eine drastische Reduzierung des Leistungsfaktors - bis auf 0,6 - auf und muß daher bei Ausführungsformen gemäß dem Stand der Technik überdimensioniert werden. Durch die erfindungsgemäße starke Reduzierung der ersten Ordnung im Lastmoment wird dieser Effekt reduziert. Die Drehunggleichförmigkeit wird geringer, sie wird gemäß der Erfindung von zum Beispiel 0,15 auf 0,08 reduziert. Die Stromaufnahme des Motors sinkt. Der Leistungsfaktor erhöht sich beträchtlich beispielsweise von Lf = 0,7 auf 0,8 bei einer Anordnung gemäß der Erfindung.

Durch den Einsatz schwerer Kolben können in einer weitergebildeteten Ausführungsform die Druckspitzen im Drehkraftdiagramm deutlich reduziert werden, da eine erhöhte kinetische Energie des Kolbens in Verdichtungsarbeit umgesetzt wird.

Auf diese Art und Weise ist es möglich die Erregermomente in allen Ordnungen noch weiter zu reduzieren.

Um einen Masseausgleich der oszillierenden und der rotierenden Massen zu erreichen, sind die Massen des auf der Seite des Hochdruckzylinder liegenden Niederdruckzylinders so gewählt, daß sie den gegenüberliegenden Niederdruckkolben sowie den Hochdruckkolben ausgleichen. Der Ausgleich kann sowohl am Kolben als auch am Pleuel erfolgen. Durch die Erhöhung der Kolbenmasse resultierend aus dem Massenausgleich verringert sich die Lagerbelastung am Pleuel. Dies ist günstig für die Belastung am Kolbenbolzenlager der auf der Seite des Hochdruckzylinders liegenden Niederdruckstufe, weil diese verursacht durch die benachbarte Hochdruckstufe schlechter gekühlt wird.

Mit der Erfindung wird somit erstmals eine Kolbenanordnung und ein Kolbenverdichter zur Verfügung gestellt, mit dem die unerwünschten Schwingungen erster Ordnung, wie sie bei Kolbenverdichtern gemäß dem Stand der Technik auftreten, reduziert werden können.

Bezugszeichenliste

1

Moment aus Gaskräften

3

Moment aus Massen- und Gaskräften

5

Moment aus Massenkräften

20

,

22

Niederdruckzylinder

24

Hochdruckzylinder

26

Kurbelwelle

27

Pleuelstange

28

Kugellager

30

Lüfterrad

40

,

42

Niederdruckkolben

44

Hochdruckkolben

60

Elektromotor

Claims

1. Kolbenanordnung für einen zweistufigen Kolbenverdichter mit
einer Kurbelwelle (26) sowie
mehreren Zylindern (20, 22, 24) mit darin laufenden Kolben (40, 42, 44), wobei
zwei oder mehrere Niederdruckzylinder und wenigstens ein Hochdruckzylinder ausgebildet wird,
und wobei
die zwei oder drei oder mehreren Niederdruckzylinder in bezug auf die Hochdruckstufe derart angeordnet sind, daß die zwei oder mehreren Niederdruckzylinder phasengleich oder um weniger als ±15° versetzt und um 180° ± 20° versetzt zu einem oder mehreren Hochdruckzylindern verdichten.

2. Kolbenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenanordnung eine ölgeschmierte Kolbenanordnung ist.

3. Kolbenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenanordnung eine trockenlaufende Kolbenanordnung ist.

4. Kolbenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenanordnung als 3-Zylinder-Anordnung ausgeführt ist, die zwei Nieder- (20, 22) und einen Hochdruckzylinder (24) umfaßt, wobei einem Hoch- (24) und einem Niederdruckzylinder (22) ein weiterer Niederdruckzylinder (20) gegenüberliegt.

5. Kolbenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Masseausgleich der oszillierenden Massen (Kolben, Pleuel) mit Hilfe von Zusatzmassen an wenigstens einem der Kolben (20, 22, 24) und/oder an einem Pleuel vorgenommen wird.

6. Kolbenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Masseausgleich der oszillierenden Masse mit Hilfe von mitlaufenden Blindkolben vorgenommen wird.

7. Kolbenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Masseausgleich mit Hilfe von Zusatzmassen auf der Kurbelwelle (26) erfolgt.

8. Kolbenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenanordnung derart aufgebaut ist, daß die Kolben der Niederdruckstufe gleichphasig über das Kurbelgehäuse (32) ansaugen, wobei beim Ansaugvorgang die beiden ins Kurbelgehäuse (32) tauchenden Niederdruckkolben (40, 42) die Luft in den Verdichtungsraum drängen.

9. Kolbenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rückschlagventil an der Einlaßöffnung zum Kurbelgehäuse (32) angeordnet ist.

10. Kolbenverdichter, insbesondere für Schienenfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenanordnung eine Kolbenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 umfaßt.

11. Kolbenverdichter gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenverdichter einen elektromotorischen Antrieb (60) umfaßt.