AT504984B1 - Ein- und auslasssteuerung für eine axialkolbenmaschine - Google Patents

Description

äitesaschcs AT504 984B1 2009-08-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Ein-Auslaßsteuerung mit Drehschieberventilen zur Steuerung von radialen Strömungskanälen von Axialkolbenmaschinen mit einem, in einem feststehenden Gehäuse drehbar angeordneten, angetriebenem Zylinderteil, darin achsparallel ausgeführten Zylinderbohrungen und darin gelagerten, Hubbewegungen ausführenden Kolben, im Speziellen von Hochdruck-Axialkolbenmaschinen der Schrägscheiben- und Schrägachsenbauart.

[0002] Bekannte Ein-Auslaßsteuerungen mit Drehschieberventilen zur Steuerung von radialen Strömungskanälen von Axialkolbenmaschinen sind in DE2025221A, AT261342B und US2005/0089410A1 beschrieben. DE2025221A beschreibt einen regelbaren Hydromotor. Dieser ist eingangsseitig mit einem zur Maschinenhauptachse zentrisch angeordneten, verstellbaren Drehschieber ausgestattet, der radiale Leitungen des Zylinderteiles, die über Rückschlagventile mit einer zentralen, druckfreien Rückflußleitung in Verbindung stehen, über ca. ein Viertel des Umfanges des Zylinderteiles drehschieberartig radial steuert (Abb.1,Abb.2). Das Ausströmen des Arbeitsmediums erfolgt durch einen Steuerspiegel, der achsiale Strömungskanäle des Zylinderteiles über eine nierenförmige Auslaßöffnung über ca. die Hälfte des Umlaufes des Zylinderteiles achsial steuert (Abb.3). Da die Beaufschlagung des Zylinderteiles im Drehschieber nur über einen Teil des Umfanges (theoretisch maximal die Hälfte, hier ca. ein Viertel des Umfanges) stattfindet, ergeben sich - bei heute üblichen Drücken von 300-400 bar - sehr hohe radiale Kräfte zufolge des hydrostatischen Druckes, die sehr hohe Anforderungen an die Lagerstellen stellen. Die Dichtigkeit von Zylinderteil und Drehschieberteil muß, da es keine funktionierende Dichtelementgrenze gibt, über sehr kleine Toleranzen erfolgen. Dies wird mit zunehmendem Durchmesser der Drehschieberfläche schwieriger, es wäre also wünschenswert, den zu dichtenden Durchmesser so klein wie möglich zu gestalten. Diese Reduzierung des Durchmessers ist im vorliegenden Fall einerseits durch die Anordnung der Rückschlagventile und der Leitungen im Inneren des Zylinderteiles nach unten begrenzt und steht andererseits der Forderung nach möglichst großen Strömungsleitungen entgegen (Abb.1,Abb.3). Ein Vertauschen von Ein- und Auslaßanschluß zur Vermeidung der resultierenden hohen Radialkräften ist bei der beschriebenen Anordnung funktionell nicht möglich. AT261342B beschreibt einen Strömungsmittelmotor mit einem ruhenden, mit einem Gehäuseteil fest verbundenen Zylinderteil und darin angeordneten Kolben, die von einer rotierenden, angetriebenen Taumelscheibe gesteuert werden. Mit der Taumelscheibe drehfest verbunden läuft in einer zentralen inneren Ventilkammer ein Regelventil um. Das Regelventil steuert drehschieberartig radiale Leitungen des Zylinderteiles, die gleichzeitig Ein- und Auslaßleitung sind (Fig.1,Fig.3). Das Regelventil ist mit ringförmigen Druck- und Entleerungsaussparungen ausgestattet, die über Leitungen mit Einlaßleitung und Auslaßleitung in Verbindung stehen, und dem Zweck dienen, die hohen radialen Kräfte zufolge des hydrostatischen Druckes zu egalisieren (Fig.9,Fig.10). Da auch hier keine Dichtelementgrenzen bei den drehschieberartig zusammenwirkenden Teilen Ventilkammer und Regelventil möglich sind, muß die Dichtigkeit mittels geringer Toleranzen der zu dichtenden Flächen zueinander erfolgen. Diese Flächen sind bei dieser Anordnung einerseits nur kleine Stege zwischen Niederdruck- und Hochdruckbereich (Fig.3), also von geringer Dichtwirkung, und andererseits als Bereiche, wo Arbeitsmedium von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite strömen kann, mehrfach vorhanden (Fig.9). Dies steht einem hohen volumetrischen Wirkungsgrad entgegen. Da weiters das Arbeitsmedium durch das Innere des Regelventiles zu-und abgeführt werden muß, ergeben sich - wenn das Regelventil nicht überproportional groß ausgelegt werden soll, sehr enge Strömungskanäle (Fig.3,Fig.10), die den hydraulischen Wirkungsgrad herabsetzen. US2005/0089410A1 beschreibt eine Dampfhochdruck-Hochtemperatur Arbeitsmaschine mit achsialer Ein-Auslaßsteuerung mittels in einem Gehäuse befindlichen Steuerspiegels mit nierenförmigen Ein- und Auslaßöffnungen, die mit achsialen Ein-Auslaßleitungen eines drehenden Zylinderteiles an dessen Kopfseite drehschieberartig Zusammenarbeiten (Fig.4, Fig.5, Fig.11, Fig.13). Hohle, mit radialen Öffnungen, radialen Einschnürungen und spiraligen Verteilnuten versehene Kolben sind in, drehfest mit dem Zylinderteil verbundenen Laufbuchsen verschieblich gelagert, die mit radialen Verteilnuten und radialen Bohrungen ausgestattet sind. Von einer zentrischen, achsialen Bohrung im Zylinderteil führen 1/9 radiale Ol-Leitungen Schmier- und Kühlmedium zu den radialen Verteilnuten und radialen Bohrungen der Laufbuchsen und weiter über die radialen Einschnürungen und radialen Bohrungen in das Innere der Kolben und weiter über die radialen Bohrungen, radialen Einschnürungen und die spiraligen Verteilnuten der Kolben in den Ölsumpf des Gehäuseinneren zurück (Fig.4,Fig.7,Fig.9). Diese Anordnung dient der kontinuierlichen Schmierung und inneren Kühlung der Kolben und stellt keine Steuerung dar, da durch die radialen Verteilnuten und radialen Bohrungen der Laufbuchsen und die radialen Bohrungen, radialen Einschnürungen und spiraligen Verteilnuten der Kolben eine kontinuierliche, nie unterbrochene Verbindung zwischen der zentrischen Ölleitung und dem Ölsumpf des Gehäuseinneren besteht.

[0003] Ziel der Erfindung ist eine Ein-Auslaßsteuerung mit Drehschieberventilen zur Steuerung von radialen Strömungskanälen von Axialkolbenmaschinen, bei der einerseits keine resultierenden radialen Kräfte zufolge hydrostatischen Druckes auftreten, andererseits im Vergleich zu bekannten Steuerungsarten die Drehschieberventile - zwecks Erreichens eines hohen volumetrischen Wirkungsgrades - kleine Durchmesser und die Ein-Auslaßleitungen zwecks Erreichens eines hohen hydraulischen Wirkungsgrades -große Querschnitte aufweisen.

[0004] Die erfindungsgemäßen Ziele werden dadurch erreicht, daß die Zylinderbohrungen des Zylinderteiles sowohl mit radialen Einlaßkanälen, als auch mit radialen, den Einlaßkanälen gegenüberliegenden Auslaßkanälen ausgestattet sind, die Einlaßkanäle zum Außenumfang des Zylinderteiles, weiter zu einem Ringkanal des Gehäuseteiles und weiter zu einem Saugstutzen des Gehäuseteiles führen, die Auslaßkanäle zu einem zentrischen Achsialkanal des Zylinderteiles und weiter in einen zentrischen Druckstutzen des Gehäuseteiles führen und Drehschieberventile, die mit radialen, mit den Zylinderbohrungen in Verbindung stehenden Steueröffhungen ausgestattet sind, achsial gesichert und zentrisch in den Zylinderbohrungen angeordnet sind und von Einrichtungen, die am Gehäuseteil abstützen, derart gesteuert werden, daß die Zylin-derbohrangen zwischen unterem Totpunkt und oberem Totpunkt mit den radialen Einlaßkanälen und zwischen oberem Totpunkt und unterem Totpunkt mit den radialen Auslaßkanälen in Verbindung stehen.

[0005] Bei der erfindungsgemäßen Anordnung herrscht am Umfang des Zylinderteiles ständig zentrisch der Pumpeneingangsdruck, im Zylinderteilinneren ständig zentrisch der Pumpenenddruck. Dies bewirkt, daß keine resultierenden radialen Kräfte zufolge des hydrostatischen Druckes auftreten. Die Drehschieberventile haben einen geringen Durchmesser und einen hohen Dichtflächenanteil, sind ständig vom Arbeitsmedium umströmt und können mit sehr geringen Toleranzen gegenüber der Lagerstelle im Zylinderteil ausgelegt werden, wodurch die Leckverluste von der Druck- zur Saugseite sehr gering gehalten und damit ein hoher volumetrischer Wirkungsgrad erreicht werden kann. Die radialen Ein- und Auslaßöffnungen können, unabhängig von den Druckverhältnissen groß ausgelegt werden und bewirken einen hohen hydraulischen Wirkungsgrad. Einrichtungen zur Veränderung der Steuerzeiten zwecks Erreichens von Gleichdruck zwischen Zylinderbohrungen und Auslaßkanälen bei Beginn der Druckphase sind in einfacher Weise möglich.

[0006] Zwei erfindungsgemäße Varianten der Steuerung der Drehschieberventile (Exzentersteuerung und Zahnradsteuerung) sind in Beschreibung, Zeichnungen und Unteransprüchen dargelegt.

FIGURENÜBERSICHT

Fig.1 Längsschnitt, Axialkolbenmaschine mit Exzentersteuerung der Drehschieberventile (untere Kolben in Bildebene gedreht)

Fig.2 Querschnitt A-A durch die Ein-Auslaßebene Fig.3 Querschnitt B-B durch die Steuerebene

Fig.4 Längsschnitt, Axialkolbenmaschine mit Zahnradsteuerung der Drehschieberventile (untere Kolben in Bildebene gedreht)

Fig.5 Querschnitt A-A durch die Ein-Auslaßebene Fig.6 Querschnitt B-B durch die Steuerebene tarssÄiies patemt AT504 984B1 2009-08-15

FUNKTION

[0007] Fig. 1 -Fig.3 stellen die erfindungsgemäße Ein-Auslaßsteuerung mit Exzentersteuerung am Beispiel einer Axialkolbenmaschine der Schrägscheibenbauart dar. Fig.1 stellt die Axialkolbenmaschine im Längsschnitt, Fig.2 im Querschnitt durch die Ebene der Ein- Auslaßkanäle, im weiteren "Ein-Auslaßebene" genannt und Fig.3 im Querschnitt durch die Exzentersteuerung, im weiteren "Steuerebene" genannt, dar. Ein Zylinderteil 2 ist zweifach mittels Schrägrollenlager in einem Gehäuseteil 1 drehbar gelagert. Mehrfache Kolben 3 sind in Zylinderbohrungen 2b des Zylinderteiles 2 achsparallel angeordnet und sind von einer im Gehäuseteil 1 kippbar angeordneten Schrägscheibe 9 gesteuert. Zylinderteil 2 und Antriebswelle 2e sind einteilig ausgeführt. Zumindest ein ringförmiges Dichtelement ist zwischen Gehäuseteil 1 und Zylinderteil 2 angeordnet. Im Zylinderteil 2 sind sowohl radiale Einlaßkanäle 2a, die radial vom Außenumfang des Zylinderteiles 2 zur Zylinderbohrung 2b führen, als auch radiale, den Einlaßkanälen 2a gegenüberliegende Auslaßkanäle 2c, die von den Zylinderbohrungen 2b radial nach innen zu einem zentrischen Achsialkanal 2d und weiter zu einem zentrischen Druckstutzen 1d des Gehäuseteiles 1 fuhren, ausgebildet -Fig. 1, Fig.2-. In den Zylinderbohrungen 2b sind Drehschieberventile 4 zentrisch und achsial gesichert angeordnet und weisen radiale Steueröffnungen 4a und zur Drehschieberventilachse A4 mit einer Exzentrizität E exzentrische, parallele Steuerachsen 4b auf. Die exzentrischen Steuerachsen 4b reichen durch den Kopfteil des Zylinderteiles 2 und sind drehbar in einem ringförmigen Steuerteil 5 gelagert. Der ringförmige Steuerteil 5 ist gleit- oder rollengelagert mit gleicher Exzentrizität E zur Pumpenhauptachse AP drehbar in einem Verstellteil 6 angeordnet, der zentrisch zur Pumpenhauptachse AP drehbar im Gehäuseteil 1 gelagert ist und mittels einer Verstelleinrichtung 7 verdreht werden kann. Bei Rotation des Zylinderteiles 2 bewegen sich die Steuerachsen 4b auf einem Kreis, der unter der Exzentrizität E parallel zum Bewegungskreis der Drehschieberventile 4 verläuft. Dies bedingt eine Relativbewegung der Drehschieberventile 4 gegenüber dem Zylinderteil 2 dergestalt, daß die radialen Steueröffnungen 4a über einen halben Umlauf die Zylinderräume 2b mit den radialen Einlaßkanälen 2a und über einen halben Umlauf die Zylinderräume 2b mit den radialen Auslaßkanälen 2c in Verbindung stehen -Fig. 2-. Dabei erfolgt das Ansaugen über Saugstutzen la und einen radialen Einlaßringkanal 1b des Gehäuseteiles 1 über die Einlaßkanäle 2a in die Zylinderbohrungen 2b und ein Ausschieben aus den Zylinderbohrungen 2b über die Auslaßkanäle 2c in den zentrischen Achsialkanal 2d des Zylinderteiles 2 in den Druckstutzen 1d des Gehäuseteiles 1. Da am Umfang des Zylinderteiles ständig zentrisch der Pumpeneingangsdruck, im Zylinderteilinneren ständig zentrisch der Pumpenenddruck wirkt, ergeben sich keine resultierenden radialen Kräfte zufolge des hydrostatischen Druckes. Die maximalen Querschnitte für die Ein-und Auslaßkanäle 2a,2c ergeben sich, wenn der Ventilöffnungswinkel α der radialen Steueröffnungen 4a - abgesehen von einer kleinen, für die einwandfreie Abdichtung notwendigen Überdeckung im oberen und unteren Totpunkt - mit vorzugsweise 90° ausgeführt ist. Die Drehschieberventile 4 sind aus Gründen der Platzersparnis so ausgeführt, daß sie einen Innendurchmesser aufweisen, der größer-gleich dem Durchmesser der Kolben 3 dergestalt ausgelegt ist, daß die Bewegung der Kolben 3 friktionsfrei in die Drehschieberventile 4 reichen kann. Da die Drehschieberventile 4 vom Volumenstrom direkt gekühlt werden, können die Toleranzen sehr eng gewählt, und damit die Leckverluste sehr gering gehalten werden. Die Verstelleinrichtung 7, beispielhaft als Schneckentrieb ausgeführt, kann den Verstellteil 6 um die Pumpenhauptachse AP verdrehen, wodurch eine druckgleiche Öffnung der Drehschieberventile 4 bei Beginn des Verdichtungsprozesses eingestellt werden kann. Dies vermindert die Geräuschemissionen und erhöht den volumetrischen Wirkungsgrad. Ist eine Regelung zu druckgleicher Öffnung - z.B. bei Einsatz als Hydromotor - nicht notwendig, entfällt die Verstelleinrichtung 7 und der Verstellteil 6 wird als Teil des Gehäuseteiles 1 ausgeführt. Die Dichtflanken 1c, die den Ringkanal 1b zum Gehäuseinneren abdichten, können auch entfallen, wodurch Leckölmengen dem Kreislauf nicht zurückgeführt werden müssen, alle Teile geschmiert werden und eine gute Wärmeverteilung und Ableitung gewährleistet ist [0008] Fig.4-Fig.6 stellen die erfindungsgemäße Ein-Auslaßsteuerung mit Zahnradsteuerung am Beispiel einer Axialkolbenmaschine der Schrägscheibenbauart dar. Fig.4 stellt die Axialkolbenmaschine im Längsschnitt, Fig.5 im Querschnitt durch die "Ein-Auslaßebene" und Fig.6 im 3/9 terefchisd'« patiBisntt AT504 984 B1 2009-08-15

Querschnitt durch die "Steuerebene" dar. Die Drehschieberventile 4 sind mit zur Drehschieberventilachse A4 zentrischen Steuerzahnrädern 4c ausgestattet, die durch den Kopfteil des Zylinderteiles 2 reichen und mit einem in Gehäuseteil 1 zentrisch zur Pumpenhauptachse AP drehbar angeordneten Sonnenzahnradteil 8 gleichen Teilkreisdurchmessers in Eingriff stehen. Bei Umlauf des Zylinderteiles 2 erzwingt das Abrollen der Steuerzahnräder 4c auf Sonnenzahnradteil 8 die Drehschieberventile 4 zu einer Relativbewegung gegenüber dem Zylinderteil 2 derart daß die radialen Steueröffnungen 4a über einen halben Umlauf die Zylinderräume 2b mit den radialen Einlaßkanälen 2a und über einen halben Umlauf die Zylinderräume 2b mit den radialen Auslaßkanälen 2c in Verbindung stehen und ein Ansaugen und Ausschieben analog der Exzentersteuerung erfolgt -Fig. 5-. Die Relativbewegung der Drehschieberventile 4 gegenüber dem Zylinderteil 2 erfolgt bei der Zahnradsteuerung - im Vergleich zur Exzentersteuerung - mit umgekehrter Drehrichtung. Die Verstelleinrichtung 7, beispielhaft als Schneckentrieb ausgeführt, kann den Sonnenzahnradteil 8 um die Pumpenhauptachse AP verdrehen, wodurch eine druckgleiche Öffnung der Drehschieberventile 4 bei Beginn des Verdichtungsprozesses eingestellt werden kann. Ist eine Regelung zu druckgleicher Öffnung nicht notwendig, entfällt die Verstelleinrichtung 7 und der Sonnenzahnradteil 8 wird als Teil des Gehäuseteiles 1 ausgeführt.

Bezugszeichenliste 1 Gehäuseteil 1a Saugstutzen 1b Ringkanal 1c Dichtflanken 1d zentrischer Druckstutzen 2 Zylinderteil 2a radiale Einlaßkanäle 2b Zylinderbohrungen 2c radiale Auslaßkanäle 2d zentrischer Achsialkanal 2e Welle 3 Kolben 4 Drehschieberventil 4a radiale Steueröffnung 4b exzentrische Steuerachse 4c zentrisches Steuerzahnrad (Variante) 5 ringförmiger Steuerteil 6 Verstellteil 7 Versteileinrichtung 8 Sonnenzahnradteil (Variante) 9 Schrägscheibe uT unterer Totpunkt oT oberer Totpunkt AP Pumpenhauptachse A4 Achse des Drehschieberventiles 4 A4b Achse der exzentrischen Steuerachse 4b 4/9