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den Zylinderböden zum Steuerspiegel führenden Kanälen für das Arbeitsmedium und mit einem mit Steuermündungen versehenen Dichtungskörper, welcher aus mindestens einem zentrisch ausgebildeten sowie einem exzentrisch angeordneten, zylindrischen Abschnitt besteht und in, im Gehäusedeckel angebrachten Anpresskammern eingepasst ist.
Nach dem Stammpatent, gemäss AT-PS Nr. 326484 sind solche Strömungsmaschinen derartausgebildet, dass die Rotor-Kanäle für das Arbeitsmedium im wesentlichen halb-axial verlaufen und mit geringem radialem Abstand in der dem Dichtungskörper zugewandten Rotor-Stirnfläche münden und der axial äussere, zylindrischeAbschnitt des Dichtungskörpers einen kleineren Durchmesser hat als ein gedachter Kreis, auf welchem die Mittelpunkte der Mündungen der Rotor-Kanäle liegen.
In der US-PS Nr. 3, 561, 328 des Patentinhabers ist eine Strömungsmaschine der eingangs angegebenen Bauart beschrieben, bei welcher der mit mindestens einem zentrischen und einem exzentrischen, zylindrischenAbschnitt bestehende Dichtungskörper einwandfrei gegen den Steuerspiegel des Rotors gepresst und dadurch das, das Aggregat durchströmende Arbeitsmedium gesteuert wird. Bei solchen Strömungsmaschinen müssten jedoch für Betrieb mit extrem hohen Drucken zusätzlich dem Dichtungskörper sogenannte "Gegenkammern" zugeordnet sein, u. zw. zwecks Vermeidung einseitiger Verkantung und des dadurch bedingtem Heisslaufens beider Steuerflächen aufeinander.
Andere bekannte Strömungsmaschinen mit an den Steuerspiegel des Rotors selbst-andrückendem Dichtungskörper sind überhaupt nur für begrenzten Betriebs-Druck einsetzbar, weil die Anpressung nicht über den gesamten Steuerspiegel des Rotors gleichmässig verteilt ist - wobei insbesondere die Anpresskammern nicht einwandfrei koaxial auf den Steuerspiegel ausgerichtet sind und daher rotierende und stationäre Steuerfläche schon bei mittleren Drücken von nur einigen hundert Atmosphären stellenweise so stark aufeinander gedrückt würden, dass sie heisslaufen können.
Nach der Erfindung werden nun bei gemäss dem Stammpatent ausgebildeten Strömungsmaschinen - insbe- sondere bei Radialkolbenpumpen bzw. bei Radialkolbenmotoren - die oben erwähnten Nachteile in einfacher und wirksamer Weise dadurch vermieden, dass der Gehäusedeckel, in welchem der Dichtungskörper eingepasst ist, aus zwei Teilen besteht, wobei im äusseren Deckelteil ein Abschluss-Ring eingesetzt ist, welcher eine exzentrisch ausgebildete Druckfluid-Kammer axial abdeckt, und dass am Dichtungskörper zusätzlich ein radial exzentrisch ausgebildeter Abschnitt angeordnet ist, welcher den Dichtungskörper exzentrisch überragt und im Gehäusedeckel in einem, zwischen äusserem Deckelteil und innerem Abschluss-Ring vorhandenen Ausnehmung eingesetzt ist.
Gegenüber der im Stammpatent geoffenbarten Ausführungsform der Strömungsmaschine wird durch die erfindungsgemäss vorgeschriebene zweiteilige Ausbildung des Gehäusedeckels der Dichtungskörper mit seiner Steuerfläche einwandfrei gleichmässig an der Rotor-Stirnfläche angedrückt-d. h., mit verhältnismässig geringer örtlicher Belastung-, wodurch ein praktisch reibungsloses, schwimmendes Gleiten von stationärer und rotierender Steuerfläche aneinander erzielt und somit auch bei extrem hohen Drücken von vielen hundert Atmosphären ein Heisslaufen derselben mit Sicherheit vermieden wird ; diese Strömungsmaschine kann also insgesamt mit wesentlich höherem Wirkungsgrad betrieben werden.
Ausserdem ist auch der sehr einfach aufgebaute, selbstanpressende Steuerkörper leicht und präzise herstellbar-und vor allem auch mit seinem exzentrisch vorstehenden Abschnitt im zweiteiligen Gehäuse einwandfrei montierbar. Bei der Strömungsmaschine sind schliesslich für viele Verwendungszwecke gegenüber konventionellen Ausführungsformen die oben erwähnten, dem Dichtungskörper zugeordneten Gegenkammern überhaupt entbehrlich.
In den Zeichnungen ist einAusführungsbeispiel der erfindungsgemäss aufgebauten Strömungsmaschine mit axialem Einlass und Auslass und im rotierenden Zylinderblock eingesetztem Dichtungskörper in Fig. l im axialen Mittelschnitt veranschaulicht ; weiters zeigen Fig. 2 und 3 diese Strömungsmaschine je im Querschnitt li- n bzw. ni-nider Flg. l.
Bei der hier dargestellten Strömungsmaschine - sei es als Radialkolbenpumpe oder als Radialkolbenmo- tor - ist im Gehäuse --39-- der Rotor --36--, welcher die Arbeitszylinder --34-- mit darin eingesetzten Kolben --35-- sowie die zugehörigen Zuleitungen undAbleitungen --33-- enthält, sowohl in normalen Radiallagern --38-- als auch mit einem Ende am Axiallager --37-- gelagert. Die hintere Stirnfläche des Rotors - dient hier als rotierende Steuerfläche --32--, welche zusammen mit der am Dichtungskörper-l- angeordneten, stationären Steuerfläche --31-- den Steuerspiegel --30-- bildet, welcher in Wirklichkeit nur einige 1/1000 bzw. 1/100 mm eng ist.
Am Dichtungskörper-l-sind ausserdem Druckfluidtaschen --17 und 18-- angeordnet, über welche die Zu- und Ableitungen --33-- des umlaufenden Rotors --36-- gleiten und dabei je Umlauf einmal mit der Zuleitung bzw. einmal mit der Ableitung verbunden sind, wodurch in durchaus bekannterWeise das Arbeitsmedium durch das Aggregat gesteuert wird. Weiters sind die in der Strömungsmaschine vorhandenen Leitungen --43 und 44-- mit den Druckfluidtaschen --17 bzw. 18-- verbunden, so dass dieselben als Zuleitung oder als Ableitung für das Arbeitsmedium dienen.
Wie gleichfalls aus der
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US-PS Nr. 3,561, 328 bekannt : kann der Dichtungskörper --1-- mit durch denselben hindurch erstreckten Druckfluidleitungen --46 und 45-- versehen sein und einen zentrisch ausgebildeten sowie einen in bezug auf denselben exzentrischen Abschnitt haben-welch letzterer jedoch mit einem Umriss insgesamt innerhalb des grösseren zentrischen Abschnittes liegt ; bei jener bekannten Ausführungsform haben vielmehr die im Gehäusedeckel angebrachten Anpresskammern und die in denselben eingepressten Abschnitte des selbst-anpressenden Dichtungskörpers --1-- so grosse Querschnitte, dass die Überbemessung durch Anordnung einer Gegendruckkammer wieder teilweise aufgehoben wird.
Diese bekannte Strömungsmaschine wäre nämlich sonst ausschliesslich für Betrieb mit niedrigen bzw. mit mittleren Drücken geeignet.
Zum Verständnis des der Erfindung zugrunde liegenden technischen Sachverhalts werden hier die an den Stirnflächen bzw. an denEndabschnitten des selbst-anpressenden Dichtungskörpers-l-herrschenden Verhältnisse erläutert :
An der, der rotierenden Steuerfläche --32-- des Rotors --36--, zugewandten, stationären Steuerfläche
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Dichtungskörpers-l-befindenHochdrucktasche --17 bzw. 18-- heraus kann durch den dazwischen liegenden Steuerspiegel --30-- etwas Druckmedium entweichen, wodurch im Steuerspiegel --30-- von der betreffenden Steuertasche --17 bzw. 18-- auswärts bzw. einwärts ein Druckgefälle entsteht, welches zwar nicht genau linear ist-bzw. mitunter auch überhaupt nicht vorhanden, nämlich wenn beide Steuerflächen --31, 32-- satt aneinander anliegen ;
für Berechnungen kann jedoch dieses Druckgefälle im allgemeinen als etwa linear angenommen werden ; für besonders genaue Berechnungen-insbesondere bei hohen Relativgeschwindigkeiten zwischen diesen Steuerflächen-ist eine genauere Berechnung auf Basis eines nichtlinearen Druckgefälles durchaus zweckmässig. Der volle Hochdruck herrscht im wesentlichen um die Druckfluidtaschen --17 bzw. 18-- herum, etwa bis je zur Mitte des radial innerhalb bzw. des radial ausserhalb liegenden, ringsektorförmigen Abschnittes des Steuerspiegels --30-- - also von ri bis ro (Fig. 2,19 und 20).
Weil Im allgemeinen jeweils nur eine der beiden Druckfluidtaschen --17 oder 18-Hochdruck führt, herrscht derselbe auch nur in der zugehörigen Hälfte des Steuerspiegels --30-- - also über einen Bereich von etwa 1800 ; defakto wird aber durch die über den Umsteuersteg gleitende Mündung der Rotor-Leitung --33-- der Hochdruck etwa um den Winkel y (27) über 180 hinaus getragen-und herrscht somit über einen Bereich von 1800 + 2 y, wobei y allerdings variabel Ist und im allgemeinen zwischen 0 und 150 liegt.
Zur weiteren Berechnung wird der Wert G eingeführt :
G = (180 + 2 y)/360 (1)
Die im Steuerspiegel --30-- vorhandene Hochdruck-Fläche ist dann :
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Auf diesem Wege konnte bereits letztlich die zur Anpressung des Dichtungskörpers --1-- an der rotierenden Steuerfläche --32-- des Rotors --36-- wirkende Anpresskraft zwar mit ausreichender Genauigkeit ermittelt werden-wobei jedoch trotzdem Verkantungen und Heisslaufen beider Steuerflächen --31, 32-- vorka- men, weil bisher die unerlässliche, genaue Bemessung der Exzentrizität der am Dichtungskörper-l-ange- setzten Schulter nicht einwandfrei möglich war.
Die bisherige Annahme : wonach der Druckmittelpunkt des Steuerspiegels --30-- in der Mitte zwischen beiden Radien r, und ri liegen soll, ist zwar für NiederdruckDichtungskörper vollkommen ausreichend-nicht jedoch bei solchen Dichtungskörpern-l-für Strömungsmaschinen, welche mit mehreren hundert Atmosphären Druck betrieben werden sollen. Für die genaue Berechnung derartiger Dichtungskörper-l-ist vielmehr der integrale Mittelwert über die Hochdruckzone AHPm unerlässlich.
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Berücksichtigung- -1-- liegt ; dieser Schwerpunkts-Abstand gc ist nämlich derjenige Punkt, über welchem der Schwerpunkt gc (42) der zugeordneten, jenseits des selbst-anpressenden Dichtungskorpers-l-liegendenDruck- fluid-Kammern liegen muss.
Durch Mittelwert-Bildung über den betreffenden Winkelbereich wird nun der
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des Wertes fG mit dem Mittelwert rg, berechnet werden. Nur durch die hier angegebene, genaue Ermittlung des Schwerpunktes der Hochdruckzone AHpm des Steuerspiegels --30-- durch seinen Abstand Gc von der betreffenden Mittelebene des Rotors --36-- kann ein selbst-anpressender Dichtungskörper --1-- berechnet und konstruiert werden, welcher in Strömungsmaschinen mit Betriebsdrücken von mehreren oder vielen hundert Atmosphären mit hohem Wirkungsgrad betriebssicher funktioniert.
Weiters muss nun der Druckfeld-Schwerpunkt gc derjenigen Druckfluid-Kammer ermittelt werden, in welcher der betreffende Abschnitt 8 bzw. 2 des Dichtungskörpers-l-abgestützt ist und durch welche der
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--1-- gegentungskörpers --1-- liegenden Mittelebene des Rotors --36--. Bei Ausführungsformen des Dichtungskörpers - für Mehrstrom-Betrieb kann der Abstand gc auch vom Zentrum einer andern Druckfluid-Kammer gemessen sein.
Vorerst wird die Querschnittsfläche durch die Druckfluid-Kammer berechnet : AHPmib = AHPm'fb, (5) worin AHpm aus Gleichung (2) bekannt ist und der Überflächen-Faktor fb-empirisch ermittelt-beiHoch-
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wird der Radius m (24) des exzentrisch angeordneten, zylindrischen Abschnittes --3-- des Dichtungskörpers - und der Durchmesser D seines zentrisch ausgebildeten Abschnittes --6-- sowie der -im Gehäusedeckel --5-- angebrachten-zugehörlgen Druckfluid-kammern --2 bzw. 8--, in welchen der Dichtungskörper-l-axial beweglich eingesetzt ist. Wenn am Dichtungskörper--1-- noch ein zentral angeordneter An- satz-12-- vom Durchmesser d angebracht ist, muss die Stirnfläche bzw.
Querschnittsfläche desselben sinngemäss zur oben angegebenen Gesamtfläche AHPmib addiert werden, um den Radius m des exzentrischen Abschnittes --3-- zu erhalten ; der Durchmesser D des zentrisch ausgebildeten Abschnittes-6des Dichtungskörpers-l-ergibt sich durch Addition der Fläche AHpmib zur Querschnittsfläche mit dem Durchmesser 2m.
Zur Bildung des integralen Mittelwertes muss zunächst derjenige des Radius A (Fig. 3, 43) in einemintervall des Durchmesser-Kreises um einen im Abstand der Exzentrizität e (Fig. 3,23) liegenden Mittelpunkt gebildet werden, u. zw. mittels der in der US-PS Nr. 3,320, 897 des Patentinhabers angegebenen Gleichungen :
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und Integriert :
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Zwecks Ermittlung des Druckfeld-Schwerpunktes der betreffenden Druckfluid-Kammer --8--, bzw. der Schulter-Stirnfläche des Dichtungs-Körpers --1-- muss der Druckfeld-Schwerpunkt der betreffenden Intervallfläche Kl bekannt sein, welcher jedoch nicht etwa in der Mitte zwischen innerem und äusserem Radius dieses-radial aussen breiteren - Intervalles Kl liegt ;
der integrale Mittelwert rg des Radius r durch die Intervallfläche Kl beträgt :
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Weiters wird das Produkt "Ba" = mal Mittelwert "' gebildet - wobei letztlich Kt eliminiert werden kann, nämlich :
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Der gesuchte Abstand gc des Druckfeld-Schwerpunktes der gesamten zur Exzentrizitäts-Ebene senkrechten Mittelebene ergibt sich dann aus :
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= J Ba/Klkann - ist trotzdem als Berechnungs-Grundlage gut verwendbar, wobei eine diskrete Anzahl z von Intervallen ausgerechnet, summiert und diese Summe durch z dividiert wird ; der so erhaltene Nenner des Bruches wird dann durch den aus Gleichung (7b) erhaltenen Mittelwert ET, dividiert-und somit der gesuchte Abstand g ausreichend genau erhalten.
Für die praktische Berechnung von ge-beispielsweise mit Intervallen von 10 zu 100 - können jederzeit Tabellen aufgestellt bzw. allenfalls auch geeignete Nomogramme angelegt werden.
Auf Grund dieser hier für die konstruktive Ausbildung der erfindungsgemässen Strömungsmaschine aufgestellten Bedingungen müssen nunmehr beideAbstände "Gc" des Druckfluid-Schwerpunktes des Steuerspiegels - und"gc" der Schulter-Stirnfläche des Dichtungskörpers--1--bzw. der betreffenden Druckfluid-Kammer --8-- gleichgesetzt werden, wonach der Dichtungskörper-l-sowie die zugehörigen Druckfluid-Kammern --8, 2 und 13-- dimensionsmässig genau festgelegt sind-und somit der Dichtungskörper-l-auch für extrem hohe Drücke von mehreren hundert Atmosphären einwandfrei arbeitet.
Zuerst werden eine Anzahl von verschiedenen Exzentrizitäten e zugeordneten ge-Werten berechnet und daraus die endgültige Exzentrizität e des Dichtungskörpers-l-bestimmt, bei welcher beide Schwerpunkte Gc und gc in axialer Richtung genau in Koinzidenz liegen. Diese Berechnung ist zwar sehr umfangreich und zeitraubend-es wer-
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bar sein müssen-beide Schwerpunkte gc und Gc nicht genau übereinander liegen können, werden die gc-Abstände gleichmässig nahe an die Gc-Abstände herangesetzt ;
falls jedoch diese Differenz zu gross wird, dann muss-insbesondere beizentralem Ansatz--12-- mit grossen Durchmesser-ebendie in der US- PS Nr. 3 561, 328 beschriebene Gegendruck-Kammer angewendet werden-damit der Dichtungskörper-l-wieder für extrem hohe Drücke und Drehzahlen betriebssicher arbeitet.
Bei der erfindungsgemäss ausgebildeten Strömungsmaschine - bei welcher also die Abstände Gc und gc beider Druckfeld-Schwerpunkte wenigstens annähernd oder genau axial in Deckung liegen-muss in der im Gehäusedeckel --5-- exzentrisch angeordneten Druckfluid-Kammer --2-- eingesetzte, exzentrische Abschnitt --3-- des Dichtungskörpers --1-- über den zylindrischenAbschnitt--6-- des Dichtungskörpers --1-an einem Teil seines Umfanges radial überragen-so dass also dieser überragende, segmentartige Teil--14-nicht mehr durch die dem zylindrischen Abschnitt --6-- selbst zugeordnete Druckfluid-Kammer-8-- eingeschoben werden kann.
Zur Erfüllung der vorgeschriebenen Positionen Gc und gc muss daher der Gehäuse-
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ausgebildet sein ; dieser Gehäusedeckel besteht aus einem äusseren Deckelteil --5--, in welchem sowohl die Druckfluid-Kammer --2-- für den exzentrisch ausgebildeten Abschnitt --3-- als auch die zur Aufnahme des zentrischen, zylindrischen Abschnittes --6-- des Dichtungskörpers --1-- bestimmte - jedoch aus Montage-
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- Druckfluid-Kammer --8-- angebrachtin einer exzentrisch überstehenden Randzone formschlüssig abgedeckt ist ;
im Deckelteil--5-- ist noch die zentrisch angeordnete Druckfluid-Kammer bzw. druck-entlastete Kammer --13-- zur Aufnahme des innersten, zentrisch angeordneten Ansatzes --12-- des Dichtungskörpers --1-- angebracht, welcher somit innerhalb des zweiteiligen Gehäusedeckels-5 bis 7-insgesamt axial beweglich eingesetzt ist.
Bei Strömungsmaschinen mit doppeltwirkenden Dichtungskorpern-l-für Durchlass des Arbeitsmedium in beiden Richtungen müssen die beiden im Gehäusedeckel--5-- angebrachten Druckfluid-Kammern --2 und 8-- gleichen Querschnitt haben, was erfüllt ist durch Gleichung
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worin bedeuten
R = Radius des exzentrischen Abschnittes --3-- des Dichtungskörpers --1--,
D = Durchmesser seines äusseren zylindrischen Abschnittes und d = den Durchmesser des innersten, zentrischen Ansatzes --12--.
Bei Radialkolbenpumpen bzw. Radialkolbenmotoren mit axialem Einlass und Auslass wird durch Einsatz des erfindungsgemäss ausgebildeten Dichtungskörpers, welcher für hohe Drücke und Drehzahlen ebenso geeignet ist wie für extrem niedrige und ausserdem einfach herstellbar ist und überaus rationell arbeitet, ein optimaler Wirkungsgrad erreicht.