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Rotierende Kraft- bzw. Arbeitsmaschine für flüssige, dampf-oder gasförmige Medien
Für Maschinen, die sowohl als Kraftmaschine wie auch als Arbeitsmaschinen, z. B. als Pumpe, Verdichter od. dgl., mit flüssigen, dampf-oder gasförmigen Medien arbeiten können, wurde bereits vorgeschlagen, auf einem exzentrisch gelagerten Rotor sich während des Umlaufes zwang- läufig verstellende einteilige Drehkolben, meist in Form von Platten, vorzusehen, die mit dem Medium als Treib-oder Fördermittel derart zusammenarbeiten, dass das Medium die Drehkolben in dem sie führenden, ringförmigen Kanal bewegt (Motorwirkung) oder von den Drehkolben gefördert wird (Pumpenwirkung).
Die Drehkolben sitzen bei diesen Maschinen zumeist an einer von einer Welle getragenen Scheibe und sind derart verschwenkbar angeordnet, dass sie sich während ihres Umlaufes in ihrer Winkellage zur Durchströmungsrichtung des Mediums bzw. Betriebsstoffes ändern, wodurch der auf die Drehkolben wirkende Druck je nach der jeweiligen Winkellage der Drehkolben sich ändert.
Je nach Art, in welcher die Verstellung der Drehkolben während ihres Umlaufes durch zwangläufig wirkende Steuerung durchgeführt wird, kann sowohl die Umlaufzahl wie auch die Umlauf- menge des durch die Maschine strömenden Betriebsstoffes geregelt werden. Die Bauweise der bekannten Maschinen dieser Art ist aber verhält- nismässig umständlich und gestattet nicht eine einfache Einstellung bzw. Regelung der durch- zuleitenden Betriebsstoffmenge und damit der
Umlaufzahl bzw. eine Änderung der Drehrichtung.
Insbesondere wird aber bei allen diesen Rotations- maschinen keine ausreichende Flächendichtung erreicht, so dass auch keine höheren Betriebs- stoffdrücke erzielt werden, die einen günstigen
Wirkungsgrad wie auch die gewünschte kleine
Bauart ermöglichen.
Zweck der Erfindung ist es, eine Maschine der genannten Art zu schaffen, die sowohl als Motor wie auch als Pumpe, Verdichter u. dgl. arbeiten kann und trotz einfacher und kleiner Bauart die Erzielung grosser Leistungen bei höchsten Betriebsstoffdrücken gestattet.
Dieser Zweck wird beim Gegenstand der Er- findung dadurch erreicht, dass die Drehkolben zum Zwecke ihrer selbsttätigen Anpassung an die verschiedenen Querschnitte des Durchström- kanales je aus mindesten zwei gegeneinander be- wegbaren, zweckmässig verdrehbaren Teilen zu- sammengesetzt sind. Um eine auch bei hohen Drücken standhaltende Dichtung zu erzielen, ist der äussere Drehkolbenteil mit breiter Dichtungsfläche zwangläufig längs der Rotorgehäuseinnenwand geführt.
In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemässen Maschine kann die Rotorwelle samt dem die zweioder mehrteiligen Drehkolben tragenden Rotor in an sich bekannter Weise in bezug auf das Rotorgehäuse parallel zu sich bleibend oder um eine ausserhalb des Gehäuses gelegene Drehachse verstellbar sein oder umgekehrt, welche Ausführungsform nicht nur die stufenlose Regelbarkeit der Durchsatzmenge des verwendeten Betriebsstoffes und der Umlaufzahl der Maschine, sondern auch die Änderung der Dreh und Förderrichtung gestattet, wie dies insbesondere Flüssigkeitsgetriebe erfordern.
Auf der Zeichnung sind drei beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes dargestellt, u. zw. zeigt Fig. 1 die erste Ausführungsform einer Maschine mit stabil gelagerter Welle im Längsschnitt, teilweise in Ansicht, Fig. 2 einen
Schnitt nach der Linie II-II und Fig. 3 eine Einzelheit in Vorderansicht. Die zweite Ausführungsform, u. zw. eine Maschine mit verstellbarer Welle, ist in Fig. 4 in Seitenansicht und in Fig. 5 in Vorderansicht, teilweise im Schnitt, veranschaulicht. Die Fig. 6 zeigt als dritte Aus- führung% form eine zu einem Flüssigkeitsgetriebe zusammengebaute Kraft-und Arbeitsmaschine im Längsschnitt.
Die als Kraft-bzw. Arbeitsmaschine für flüssige, dampf-bzw. gasförmige Medien, aber auch für stufenlos regelbare Flüssigkeitsgetriebe geeignete Maschine nach den Fig. 1-3 besteht aus dem
Maschinengehäuse 1, in dessen kreisrunder, zweckmässig ausgebuchster Erweiterung 2 ein beiderseits von Endscheiben 3 begrenzter Rotor- körper 4 exzentrisch angeordnet ist. Dies wird dadurch erreicht, dass die den Rotorkörper 4 tragende Antriebswelle 5 in den Gehäusedeckeln 6 ihre exzentrische Lagerung findet. Der Rotor- körper 4 besitzt eine Anzahl, z.
B. vier, von sich über seine Länge erstreckenden und im Quer- schnitt nach einem Kreisbogen geformten Aus- nehmungen, von denen jede einen walzenförmigen inneren Drehkolbenteil 7 gleitdichtend aufnimmt.
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flachen Bogen mondsichelartig ausgenommen, durchsetzen mit ihrem zylindrischen Endteil 7a die Endscheiben 3 und ruhen mittels eines zentrischen Zapfens 8 drehbar in Scheiben 9, die ihrerseits unter Zuhilfenahme von Durchgangsschrauben 10 mit de1T'Rotorkörper 4 und Endscheiben 3 starr zusammengespannt sind.
Eine weitere, jedoch kreisbogenförmig profilierte Ausnehmung der Kolbenteile 7 schafft Raum für einen äusseren Drehkolbenteil 11, der in Förderraumbreite zu einer der Gehäuseerweiterung 2 entsprechend gekrümmten Dichtungsplatte 12 verbreitert ist und auf einem den Endteil 7a des inneren Kolbenteiles 7 exzentrisch zu dessen Mittelachse durchsetzenden Bolzen 13 starr sitzt.
Damit die breite Dichtungsflächen darstellenden Dichtungsplatten 12 während des Rotorumlaufes längs der Innenwand der Gehäuseerweiterung 2 zwar dicht, aber ohne nennenswerte Bewegungs- widerstände geführt werden, ist auf den aus den
Endscheiben 3 herausragenden Bolzen 13 ein rahmenartiger Kulissenschlitten 14 (Fig. 1 links, strichliert) befestigt, dessen obere und untere
Rollen 15 in der Ringnut 16 eines Kulissen- steuerungsringes 17 satt geführt sind, wobei letzterer konzentrisch zur Gehäuseerweiterung 2 um einen die Exzentrizität des Rotorwellenlagers ausgleichenden Lagerring 18 drehbar ist. Zwecks
Erzielung einer vollkommenen Abdichtung, die auch vom Eintreten eines freien Spieles durch
Maschinenverschleiss unbeeinflusst bleibt, erweist es sich insbesondere für dünnflüssige oder gas- förmige Medien als Förder-bzw.
Treibmittel vorteilhaft, die Dichtungsplatten 12 nicht mit den äusseren Kolbenteilen 11 aus einem einzigen Stück zu fertigen, sondern je eine gesonderte Dichtungs- platte 12a (Fig. 1, rechts) in einer entsprechenden
Aussparung des verbreiterten Aussenumfangsteiles der äusseren Kolbenteile 11 einzusetzen, welche
Dichtungsplatten unter dem Einfluss von kleinen
Druckfedern 19 mit stets gleichmässigem Anpress- druck gegen die Innenfläche der Gehäuseerweite- rung 2 gedrängt werden.
Die der Pressung des
Mediums ausgesetzten Teile der äusseren Kolben- teile 11 weisen eine im wesentlichen nach Zylinder- flächen an die Mittelachse der Bolzen 13 ver- laufende Form auf, derzufolge sich die von beiden
Seiten her geltend machenden Kraftkomponenten immer gegenseitig aufheben, weshalb die Bolzen 13 nahezu unbelastet sind und daher auch keine die
Verstellung der inneren Kolbenteile 7 in bezug auf die äusseren Kolbenteile 11 erschwerenden
Kräfte auf den Schlitten 14 bzw. Kulissen- steuerungsring 17 übertragen können. Zwischen radialen Führungsleisten 20 (Fig. 2 unten und
Fig. 3) der Endscheiben 3 ist ein Schlitten 21 radial verschiebbar, der mittels eines Kupplungs- bolzens 22 den Kulissensteuerungsring 17 an den
Rotor schaltet und deren gemeinsame Drehung veranlasst.
Die vollständige Abdichtung des
Maschinendruckraumes von den übrigen Gehäuse- räumen wird mit Hilfe von zweckmässig lamellierten, teilweise auch federbelasteten Dich- tungsringen 23,24, 25 erzielt, von denen die
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die zuletzt erwähnten schliesslich die inneren Kolbenteile 7 an ihrer Durchgangsstelle durch die Endscheiben 3 abdichten.
Während des Rotorumlaufes halten die Kolbendichtungsplatten 12 bzw. 12a der äusseren Kolbenteile 11 die Dichtung zwischen der Gehäuseerweiterung 2 und den Rotorarbeitsräumen aufrecht, zumal sie ja zwangsläufig von ihrem Schlitten 14 in der konzentrisch zur Gehäuseerweiterung 2 gelegenen Ringnut 16 des sich mitdrehenden Kwissensteuerungsringes 17 geführt werden und somit mit ihrer der Gehäuseerweiterung 2 entsprechend gekrümmten Dichtungsfläche längs der Gehäuseinnenwand gleiten. Da aber anderseits das Achsmittel der Rotorwelle 5 dauernd exzentrisch unterhalb demjenigen der Gehäuseerweiterung 2 verlegt ist, bewegen sich auch die Achsmittel der mit ihren Zapfen 8 im Rotorkörper gelagerten inneren Kolbenteile 7 längs einer in bezug auf die Gehäuseerweiterung 2 bzw.
Kreisbahn der Kolbendichtungsplatten 12 bzw. 12a nach unten verschobenen Kreisbahn, was zur Folge hat, dass die in unveränderlicher Lage geführten äusseren Kolbenteile 11 in der unteren"Rotorhälfte einen exzentrischen Druck, in der oberen Rotorhälfte aber einen exzentrischen Zug auf die inneren
Kolbenteile 7 ausüben und somit deren
Drehung in ihrer Lagerung entgegen dem bzw. im Uhrzeigersinn herbeiführen. Dadurch wird auch der je von den gedachten Verbindungs- linien zwischen den Achsmitteln des Bolzens 13, des Kolbenteiles 7 und der Welle 5 eingeschlossene
Winkel in der oberen Rotorhälfte gestreckt, in der unteren Rotorhälfte jedoch verkleinert.
Die
Wirkung der Drehkolben 7, 11 gleicht somit der- jenigen von Kniehebeln, die im oberen Teil des
Rotors nahezu in die Strecklage überführt werden, wogegen sie im unteren Teil so weit eingeknickt werden, dass der Rotor den Durchströmkanal vollends verschliesst. Demnach steht dem Förder- oder Treibmittel in der oberen Maschinenhälfte ein breiter Durchflusskanal zur Verfügung und die z. B. als Pumpe verwendete Maschine fördert bei einer Rotordrehrichtung im Uhrzeigersinn von links nach rechts, wobei die Kolbenteile 7, 11 selbsttätig an die pro Umdrehung sich stetig ändernde Breite des Durchströmkanales angepasst werden. Um beim Umlaufen der Kolben- teile 7, 11 von vornherein ein absolut störungs- freies Eindrehen bzw.
Einknicken derselben zu ermöglichen, sind die in Betracht kommenden
Maschinenteile derart zu bemessen, dass der von den Verbindungslinien der Achsmittel des
Bolzens 13, des Kolbenteiles 7 und der Welle 5 gebildete Winkel auch für die sich im gestreckten
Zustand befindlichen Kolbenteile 7, 11 kleiner als 180" ist. Die bei der Verstellung der Kolben- teile 7, 11 vor sich gehende relative Verschiebung des Schlittens 14 innerhalb der Ringnut 16 des Kulissr : nsteuerungsringes 17 erfolgt wegen der
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beiderseitigen Führung auf Rollen 15 unter nur geringen Bewegungswiderständen.
Zur Vermeidung unzulässig hoher Drücke bei der Förderung inkompressibler Medien sind im Wirkungsbereich der Kolbenteile 7, 11 ein oder mehrere sich in Abhängigkeit vom Arbeitsdruck mehr oder weniger ein-bzw ausschaltende Zusatzräume vorgesehen, welche je nach der Grösse der Maschine in der Gehäuseerweiterung 2 oder im Rotorkörper 4 untergebracht sein können.
Die Kolbendichtungsplatte 12 bzw. 12a kann auch derart ausgebildet sein, dass ihre gekrümmte Dichtungsfläche in bezug auf den Bolzen 13 nicht einseitig sondern symmetrisch (Fig. 6, unten) ausgebildet ist, welche Ausführungsform sich besonders für eine ihre Drehrichtung wechselnde Arbeitsmaschine, z. B. eines stufenlos regelbaren Flüssigkeitsgetriebes, eignet, dessen Wirkungsweise noch an Hand der folgenden Figuren näher erläutert werden wird.
Die Maschine nach den Fig. 4 und 5 weist eine im wesentlichen übereinstimmende Bauart wie die bereits besprochene auf ; unterschiedlich jedoch ist, dass die Rotorwelle 5 zum Gehäuse i bzw. zur Gehäuseerweiterung 2 nicht in unver- änderlicher Lage, sondern parallel zu sich selbst verstellbar gelagert ist. Um dies zu erreichen, sitzt der umlaufende Kulissensteuerungsring 17 wieder zentrisch auf einem mit dem Gehäuse 1 starr verbundenen, aber aussen als Gleitfläche ausgestalteten Abschlussdeckel 25, wogegen die durch eine hinreichend grosse Bohrung des
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körper 4 mit den Endscheiben 3, die inneren Kolbenteile 7, Bolzen 13, äussere Kolbenteile 11, 12 und Schlitten 14 - in eigenen Seitenschildern 26 ihre Lagerung findet.
Die gegen das Gehäuse 1 verstellbaren Seitenschilder 26 liegen an den Aussenflächen der Gehäuseabschlussdeckel 25 gleitdichtend an, wobei die Abdichtung durch die Dichtungsringe 27 noch erhöht wird.
Die gleichmässige Verstellung der Seitenschilder 26 samt dem in ihm gelagerten Rotor wird dadurch bewirkt, dass sie auf einer Seite je um einen in einem Gehäuseauge 28 sitzenden Bolzen 29 verschwenkbar sind, auf der anderen Seite aber vermittels einer das Gehäuse 1 umspannenden Gabel 30 gelenkig zusammengefasst werden, deren Gelenkbolzen 31 durch je einen Augenansatz32 der Seitenschilder 26 hindurchgreifen. Der Kopf 33 der Gabel 30 ist seinerseits um Zapfen 34 eines den Bund 35 einer Schraubenspindel 36 umfassenden Spindellagers 37 verschwenkbar. Die mit einem Handrad 38 ausgestattete Schraubenspindel 36 greift in eine Mutter 39 ein, die in einer Anguss 40 des Gehäuses 1 ortsfest untergebracht ist.
Bei Betätigung des Handrades 38 wird somit'die sich in die Mutter 39 hinein-oder aus ihr herausschraubende Schraubenspindel 36 über die als Lenker wirkende Gabel 30 eine gleichförmige Verstellung der Seitenschilder 26 und somit der Welle 5 samt Rotor und den Bolzen29 als Schwenkpunkt, u. zw. innerhalb des Bereiches von Punkt I bis II, in der einen oder anderen Richtung herbeiführen.
Selbstverständlich kann die Verstellung der Seitenschilder 26 auch durch andere Triebwerksteile, z. B. mittels Exzenters, Schneckenrades und Schnecke, Zahnstangen und Zahnradtrieb od. dgl., erfolgen, wie auch die Seitenschilder 26 der Höhe nach parallel zueinander geführt sein können.
Die Wirkungsweise der Maschine soll an Hand des in Fig. 6 veranschaulichten Flüssigkeitsgetriebes erläutert werden, in dessen einen in
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Pumpe gemäss den Fig. 4 und 5, unten jedoch ein Motor B mit ortsfest, aber exzentrisch gelagerter Welle entsprechend den Figuren 1 bis 3 eingebaut ist.
Wenn die Welle 5 sich nach Betätigung des Handrades 38 in der unteren Grenzstellung I (Fig. 4 und 6 oben) befindet, wirken alle Teile in der bei der Maschine mit ständig unterhalb des Gehäusemittels gelagerten Welle 5 der Fig. 1 bis 3 bereits beschriebenen Weise und die Pumpe A wird daher, wie gleichfalls dort festgestellt, bei einem Umlauf im Uhrzeigersinn voll von links nach rechts fördern (Fig. 6, voll gezeichnete Pfeile). Die Getriebeflüssigkeit, z. B. öl, im Umlaufkanal 41 wird demnach den Motor B im Uhrzeigersinn antreiben.
Je mehr die Welle 5 und somit der Rotor der Pumpe A mittels des Handrades 38 gegen das Gehäusemittel angehoben wird, desto geringer wird die Förderleistung der Pumpe, um bei Erreichung der zentrischen Stellung 0 (Fig. 4) gänzlich aufzuhören, da in dieser Lage die Kolbenteile 7, 11 keine Verstellung erfahren und der Getriebeflüssigkeit in der oberen und unteren Pumpenhälfte je der gleiche Durchströmkanal zur Verfügung steht, durch die die Getriebeflüssigkeit im Kreislauf herumgeführt wird.
Bei einer Verstellung der Welle 5 nach der oberen Grenzstellung II (Fig. 4) hin erfolgt eine Verschiebung des Rotors nach oben und damit eine Drehung der inneren
Kolbenteile 7 in umgekehrter Richtung, wodurch nunmehr in der unteren Maschinenhälfte ein grösserer Durchströmkanal entsteht und demnach die Pumpe A in umgekehrter Richtung (Fig. 6, gestrichelte Pfeile) fördert bzw. den Motor B in Umlauf setzt. Somit hat man es in der Hand, durch Verstellung der Welle 5 die Förderleistung der Pumpe A und die Arbeitsleistung des Motors B stufenlos zu regeln, aber auch die Drehrichtung willkürlich zu ändern.
Die erfindungsgemässe Maschine kann beispiels- weise auch noch als rotierende Kolbenwasserkraft- maschine, insbesondere für hohe Drücke, vorteil- haft Anwendung finden, wobei die erforderliche konstante Drehzahl bei schwankenden Kraft- abnahmen mittels eines das Getriebe für die
Seitenschilder 26 betätigenden Drehzahlreglers, der die Verstellung des Kolbensystems 7, 11 bewirkt, eingehalten wird.