AT511376B1 - Vorrichtung zur verminderung von verlusten in radialschieber-rotationsmaschinen - Google Patents

Abstract

Radialschieber- Rotationsmaschine mit einem Stator (1), einem exzentrisch gelagerten Rotor (13) mit nutförmigen Ausnehmungen in denen sich beweglich gelagerte Schieber (5) befinden sowie Öffnungen zum Medieneinlass (3) und Medienauslass (4). Das Innenprofil das Stators, wird durch einen vorteilhaften Übergang in eine an den Rotor angepasste Form, so ausgebildet ist, dass die Zellen im Bereich des Medienauslasses größtmöglich entleert werden und es im Bereich zwischen Medienauslass und Medieneinlass aufgrund eines minimalen konstanten Spaltes zu keiner Erzeugung eines gegen die Bewegungsrichtung gerichteten Drehmoments kommt.

Description

Einleitung [0001] Gegenstand der Erfindung ist eine Radialschieber- Rotationsmaschine mit einem Statorund einem exzentrisch gelagerten Rotor, der radial bewegliche Schieber beinhaltet, wobeizwischen den Schiebern und dem Stator, dem Rotor und Stirnwandungen ein bei Rotation desRotors variables Zellvolumen gebildet wird, zur bevorzugten Nutzung als Expansionsmaschinefür ein beliebiges, vorzugsweise gasförmiges, Medium, welches in das Zellvolumen eingebrachtund nach Abgabe von Expansionsarbeit wieder abgeführt wird, wobei zwischen der Abfuhr undder Zufuhr des Mediums eine Stelle existiert bei der, der Abstand zwischen der äußeren Mantel¬fläche des Rotors und der Statorinnenwand ein Minimum erreicht.

Stand der Technik [0002] Bei einer Radialschieber- Rotationsmaschine rotiert in einem stehenden Gehäuse, demsogenannten Stator, mit einer hohlzylindrischen oder vergleichbaren Ausnehmung, ein Rotormit einer zum Stator versetzten Achse, in welchem radial bewegliche Vorrichtungen, typischer¬weise in Form von Schiebern, in dafür vorgesehenen Nuten angeordnet sind. Aufgrund derFliehkraft sowie speziell angebrachter Vorrichtungen gleiten die Außenkanten dieser Schieberan der Innenwand des Stators. Zwischen der Statorinnenwand, den Stirnflächen des Stators,dem Rotor und jeweils zwei aufeinander folgenden Schiebern bilden sich Zellen aus, derenVolumina sich kontinuierlich während einer Umdrehung des Rotors von einem Minimalwert zueinem Maximalwert und wieder zurück zum Minimalwert ändert. Im Falle der Nutzung als Ex¬pansionsmaschine wird das zu expandierende Arbeitsmedium im Bereich des kleinsten Zellvo¬lumens in die Zellen eingebracht und nach erfolgter Expansion, bei der es zur Abgabe vonArbeitsleistung kommt, die über die Schieber auf den Rotor übertragen wird, wieder aus demZellvolumen abgeführt. Auch die Umkehrung des Vorganges zur Komprimierung von flüssigenoder gasförmigen Medien mithilfe derartiger Einrichtungen ist denkbar.

[0003] Ein solcher zuvor beschriebener allgemeiner Aufbau einer Radialschieber- Rotationsma¬schine ist in der Gebrauchsmusterschrift DE 202005008514 U1 dargestellt. Die erfindungsge¬mäße Neuerung dieser Maschine ist eine spezielle Ausführung des Stators in der Art, dassWärme über die Hülle eingebracht werden kann und auf ein Arbeitsfluid abgegeben wird.

[0004] Auch das Dokument US 5,947,712 beschreibt, bezogen auf die Funktionsweise, einetypische Flügelzellenmaschine mit den bekannten Hauptbauteilen für diese Maschinenbauart,zur Expansion von Medien.

[0005] Nachfolgend soll nun sowohl für die DE 202005008514 U1 als auch die US 5,947,712nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungen oder Anwendungen, sondern auf die nachteiligwirkenden Innenformen der Statoren eingegangen werden.

[0006] Durch kreisförmige Innenprofile der Statoren kommt es zu Kompression des in der Zelleverbleibenden Mediums, sobald der, in Drehrichtung gesehene, nachlaufende, das Zellvolumenbildende, Schieber die Auslassöffnungen überschritten hat. Die Kompression schreitet fort bisdas Zellvolumen, bedingt durch die exzentrische Lagerung des Rotors, das kleinst möglicheVolumen erreicht hat. Dieses erreicht es dann, wenn der vorlaufende Schieber und der nachlau¬fende Schieber den gleichen Winkelabstand zu einer Linie haben, die durch die Verbindung desRotormittelpunktes und des Punktes des geringsten Abstandes zwischen Rotor und Statorin¬nenfläche entsteht. Weiters wirkt sich bei diesem Innenprofil des Stators negativ aus, dass vomPunkt des geringsten Abstandes zwischen Rotor und Statorinnenfläche bis zum Punkt desMedieneinlasses bereits wieder ein Zellvolumen gebildet wird, wodurch ein Gegenmoment zurbevorzugten Bewegungsrichtung entstehen kann.

[0007] Eine Verringerung des Spaltmaßes zwischen Rotor und Stator erfolgt in beiden Fällendurch eine exzentrische Lagerung wodurch sich oben beschriebene Nachteile für den Wir¬kungsgrad der Radialschieber- Rotationsmaschinen ergeben.

[0008] Dokument US 4,385,873 beschreibt, bezogen auf die Funktionsweise, eine typische

Flügelzellenmaschine mit den bekannten Hauptbauteilen für diese Maschinenbauart, die bezo¬gen auf die Innenform des Stators bzw. der innen montierten Schalen vergleichbare Nachteilewie zuvor beschriebenen Varianten aufweist.

[0009] Dokument US 3,890,071 beschreibt, bezogen auf die Funktionsweise, eine typischeFlügelzellenmaschine mit den bekannten Hauptbauteilen für diese Maschinenbauart, bei derjedoch der Punkt des geringsten Abstandes, der hier sogenannte tangentiale Punkt, zwischenRotor und Statorinnenfläche, durch eine im Stator montierte Kopfplatte erzeugt wird. In Verbin¬dung mit der Fase in der Kopfplatte wird zwar die Zelle größtmöglich entleert, jedoch wirddadurch ein anderes Problem hervorgerufen. Wenn ein Spalt zwischen dem Rotor und demtangentialen Punkt auftritt, wird zu expandierendes Medium durch diesen Spalt und die Fase inder Kopfplatte direkt in den Medienauslass geleitet. Dies tritt dann auf, wenn ein Schieber denMedieneinlass passiert hat und der nachfolgende Schieber den tangentialen Punkt noch nichterreicht hat. Weiters wirkt sich bei dieser Variante die Zellbildung, zwischen dem tangentialenPunkt und dem Bereich des Medieneinlasses, durch erzeugen eines Gegenmoments zur be¬vorzugten Bewegungsrichtung, negativ aus.

Aufgabe der Erfindung [0010] Somit ist es Aufgabe der Erfindung eine Ausführungsform zu finden, damit die im Standder Technik erwähnten nachteiligen Auswirkungen kaum oder nicht zum Tragen kommen.

[0011] Dies wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1erreicht. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden gemäß den Unteransprüchen vorge¬schlagen.

Beschreibung [0012] Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel, welches in einerAbbildung schematisch dargestellt wird, weiter erläutert. Dabei können einzelne dargestellteoder beschriebene Bauteile oder Baugruppen durch andere Bauteile oder Baugruppen mitähnlicher oder gleicher Wirkungsweise oder Eigenschaften ergänzt oder ersetzt werden. Ingleicher Weise ist es natürlich auch möglich, Teile einer zusammengefügten baulichen Einheitals einzelne Bauteile auszuführen. Umgekehrt können auch einzelne Bauteile als eine baulicheEinheit, bestehend aus zumindest zwei Bauteilen, ausgeführt werden. Auch ist die Anzahl unddie Aufteilung der am Umfang verteilten Bauteile oder Baugruppen, wie zum Beispiel Schieber,variabel. Diese Bauteile oder Baugruppen können je nach Art des verwendeten Mediums, oderder Ausführung der Maschine zur Expansion oder Kompression, in Anzahl und Ausführung andie jeweiligen Betriebsbedingungen angepasst werden. Daher soll durch das nachfolgend dar¬gestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel der Umfang der Erfindung in keiner Weiseeingeschränkt werden. ABBILDUNGEN: [0013] Fig. 1 zeigt den Querschnitt einer Radialschieber- Rotationsmaschine und eine mögli¬ che Ausführung der speziellen Innenform des Stators.

[0014] Fig. 2 zeigt eine schematische Detailansicht in einem Winkelbereich zwischen 210°- 0° des Querschnitts in Fig. 1 [0015] Bei dem in den Figuren 1 und 2 abgebildeten schematischen Ausführungsvorschlageiner Radialschieber- Rotationsmaschine, hier als Expansionsmaschine dargestellt, sind derStator 1, der Rotor 13, Schieber 5 und Öffnungen zum Medieneinlass 3 und Medienauslass 4dargestellt.

[0016] Der Stator 1 wird mit einer zylindrischen Ausnehmung mit kreisähnlichem Querschnittausgeführt, wobei die durch die Ausnehmung erzeugte Mantelinnenfläche die Statorinnenwanddarstellt.

[0017] Der Rotor 13, der hinsichtlich der Statorachse exzentrisch gelagert ist, weist in diesem speziellen Ausführungsbeispiel sechs am Umfang gleichmäßig verteilte nutförmige Ausneh¬mungen, für die Schieber 5, auf. Zusätzlich weist der Rotor 13 eine axial zentrierte Ausneh¬mung für eine formschlüssige Kraftübertragung der abgegebenen Expansionsarbeit und ergän¬zende Ausnehmungen in axialer und radialer Richtung für zusätzliche, vorzugsweise elastischeKomponenten, auf.

[0018] Die in den nutförmigen Ausnehmungen des Rotors 13 beweglich gelagerten Schieber 5können mit zusätzlichen Hilfselementen 6, hier vereinfacht als Feder-Stift- Kombination darge¬stellt, zur radialen Bewegungsunterstützung ausgestattet werden.

[0019] Diese Hilfselemente 6 bewirken eine zusätzliche Kraft in radialer Richtung und sorgensomit für eine ausreichende Abdichtung zwischen der Außenkante der Schieber 5 und derInnenwand des Stators 1.

[0020] Bevorzugt wirken die zusätzlichen Elemente nur im Bereich von hohem Druck und sindim Bereich des niederen Drucks, in dem die Fliehkraft für eine ausreichende Anpressung derSchieber 5 und damit für Abdichtung sorgt, wirkungslos. Zusätzlich können die Hilfselemente 6mit einem Rückhaltemechanismus ausgestattet sein, der der Fliehkraft entgegengewirkt. Somitist es auch im Bereich in dem nur die Fliehkraft für die Anpressung sorgt möglich den Anpress¬druck bestmöglich einzustellen. Durch diese Maßnahmen können beispielsweise Reibungsver¬luste und Verschleiß verringert werden.

[0021] Die Schieber 5 können weiters aus einem Hauptkörper und zusätzlichen funktionellenElementen, wie Dichtelemente zur Abdichtung gegenüber benachbarten oder angrenzendenBauteilen, bestehen. Solche zusätzliche Dichtelemente 14 können in axialen Nuten im Schieber5 liegen, durch die unter anderem ein Druckausgleich zwischen den Zellen verhindert werdenkann, der sonst über die für die Schieber 5 vorgesehenen Nuten stattfindet. Die Dichtelemente14 müssen jedoch so am Schieber 5 angeordnet sein, dass sie auch bei der größten Auslen¬kung des Schiebers 5 während einer Umdrehung ihre Dichtwirkung beibehalten.

[0022] Die Öffnungen im Stator 1 zum Medienein- 3 und Medienauslass 4, hier als Bohrungendargestellt, können normal auf die entsprechende Tangente der Statorinnenwand, jedoch auchin jedem anderen vorteilhaften Winkel zu dieser Tangente, angebracht sein.

[0023] Diese Bohrungen können mit entsprechenden Vorrichtungen zum Medienzufluss undMedienabfluss, die hier jedoch nicht dargestellt sind, ergänzt werden.

[0024] Die Bohrungen für den Medienauslass 4, sind hier so angeordnet, dass es zu keinerKompression von noch im Zellvolumen vorhandenem Medium kommt.

[0025] Die zylindrische Ausnehmung im Stator, deren Profil im expandierenden Winkelbereichzwischen dem Medieneinass, hier der Punkt des geringsten Abstandes zwischen dem Rotor 13und der Statorinnenwand, 20, und dem Endpunkt des größten Zellvolumens, das hier von zweiaufeinanderfolgenden Schiebern zwischen den Punkten 24 und 25 gebildet wird, einer Kreis¬form gleicht, weist im Winkelbereich zwischen den Punkten 25 und 20 ein spezielles Profil auf.

[0026] Im Bereich von Punkt 25 ändert sich die Innenkontur zu einem Kreisbogen, in Formeiner nach innen gerichteten konkaven Wölbung, der sich bis zum Punkt 21 erstreckt. In diesemPunkt schließt ein zweiter Kreisbogen an, ebenfalls in Form einer nach innen gerichteten kon¬kaven Wölbung, der bis zum Punkt 20 reicht. Der Winkelbereich des zweiten Kreisbogensumfasst jedenfalls einen Teilungswinkel der Schieber 5, der sich ergibt wenn der Vollwinkeldurch die Anzahl der Schieber 5 geteilt wird. Der Radius und / oder der Mittelpunkt des zweitenKreisbogens sind so gewählt, dass sich in diesem Winkelbereich zwischen Rotor 13 und Stator1 ein kleiner, begrenzter und möglichst konstanter, Spalt bildet und der Kreisbogen im Punkt 20in die Kreisform des expandierenden Bereichs übergeht.

[0027] Die Größe des Spaltes wird hier über einen Prozentsatz des Rotorradius begrenzt,wobei es natürlich auch möglich ist andere vorteilhafte Möglichkeiten zur Begrenzung des Spal¬tes zu wählen. Der Prozentsatz, der angibt wie groß der maximale Abstand zwischen der äuße¬ren Mantelfläche des Rotors 13 und der Statorinnenwand ist, errechnet sich aus Fertigungstole¬ ranzen, notwendigen Montagespalten und Sicherheitsabständen, die beispielsweise verschie¬dene Wärmedehnungen berücksichtigen, und beträgt hier 3,5 Prozent des Rotorradius.

[0028] Um einen Übergang zwischen den beiden kreisbogenförmigen Wölbungen herzustellen,kann der Radius des ersten Kreisbogens so angepasst werden, dass sich der Endpunkt demPunkt 22 annähert und dieser sich mit dem Anfangspunkt der zweiten Wölbung durch eineGerade 23 verbinden lässt. Durch diesen Übergang ändern sich jedoch weder Winkelbereichnoch Radius des zweiten Kreisbogens.

[0029] In einer besonders vorteilhaften Ausführung ist der Spalt zwischen der äußeren Mantel¬fläche und der Statorinnenwand zumindest zwischen den Punkten 21 und 20 konstant, wodurchdie Umfangskurve des Rotorprofils und der zweite Kreisbogen den gleichen Mittelpunkt haben.Durch die Parallelität der beiden Kurven in diesem Bereich wird die Kompression von noch inder Zelle verbleibendem Medium ausgeschlossen. Die Erfindung soll jedoch nicht auf die Paral¬lelität der Kurven eingeschränkt werden, sondern soll sowohl divergente als auch konvergenteKurven, jeweils begrenzt durch den maximalen Abstand, einschließen.

[0030] Zusammengefasst ergibt sich die Verringerung des Abstandes zwischen Rotor undStator also nicht zwangsläufig durch eine exzentrische Lagerung zueinander, der zufolge sichder Rotor in Drehrichtung dem Stator nähert, sondern vielmehr durch eine Veränderung derStatorinnenwand im Bereich des Medienauslasses.

[0031] Durch diese speziellen Ausformungen wird einerseits der Bereich der Medienabfuhr sogestaltet, dass es zu einer kompletten, oder zumindest größtmöglichen, Entleerung des in derZelle noch enthaltenen Mediums kommt, wodurch es zu keiner, oder nur geringer, Kompressiondes in der Zelle verbleibenden, entspannten Mediums kommt, und dadurch auch zu keinerKompressionsarbeit. Zusätzlich wird dadurch erreicht, dass sich nach erfolgter Abfuhr zwischenRotor 13 und Stator 1 kein oder nur ein minimaler, jedoch möglichst konstanter, Spalt bildet umdas Zellvolumen in diesem Bereich kleinstmöglich halten zu können, wodurch es zu keiner, odernur geringen, Erzeugung eines gegen die bevorzugte Bewegungsrichtung gerichteten Dreh¬moments kommt. Erfindungsgemäß kann dies auch durch eine Vielzahl von geometrischenAusformungen und oder Zusatzeinbauten, wie zusätzlich im Stator eingebaute Elemente, er¬reicht werden.

Claims (4)

1. Patentansprüche 1. Radialschieber- Rotationsmaschine mit einem Stator (1) und einem exzentrisch gelagertenRotor (13), der radial bewegliche Schieber (5) beinhaltet, wobei sich zwischen den Schie¬bern und dem Stator, dem Rotor und den Stirnwandungen ein bei Rotation des Rotors va¬riables Zellvolumen bildet, zur bevorzugten Nutzung als Expansionsmaschine für ein belie¬biges vorzugsweise gasförmiges Medium, welches in das Zellvolumen am Medieneinlass (3) einströmt und nach Abgabe von Expansionsarbeit durch den Medienauslass (4) aus¬strömt, wobei zwischen der Abfuhr und der Zufuhr des Mediums ein Bereich existiert, derzumindest einen Teilungswinkel zweier aufeinanderfolgender Schieber (5) umfasst und beider Medienzufuhr (3) endet, in welchem der Abstand zwischen der äußeren Mantelflächedes Rotors und der Statorinnenwand ein Minimum erreicht dadurch gekennzeichnet,dass dieses Minimum dadurch erreichbar ist, dass das typischerweise kreisförmige Stator-innenprofil im Bereich des Medienauslasses durch einen Übergang in eine an den exzent¬risch gelagerten Rotor angepasste Profilform abgeändert ist, sich das Statorinnenprofilzwischen Medienauslass (4) und Medieneinlass (3) zumindest aber über einen Schieber¬abstand möglichst nahe an das Außenprofil des Rotors anpasst und der Abstand zwischender äußeren Mantelfläche des Rotors (13) und der Innenwand des Stators (1) zwischendem Ende des Medienauslasses und dem Beginn des Medieneinlasses maximal 3,5% desRotorradius beträgt.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Innenprofil des Stators (1) und das Außenprofil des Rotors beginnend vom Ende des Medienauslasses (4) bis zumAnfang des Medieneinlasses (3) parallel sind.
3. 3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dassdie Ausformungen der Innenwand des Stators (1) mit Hilfe zweier oder mehrerer Kreisbö¬gen erreichbar ist.
4. 4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dassdie radiale Anpresskraft der Schieber (5) durch zusätzliche sowohl kraftverstärkende alsauch kraftverringernde Hilfselemente (6) einstellbar ist. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen