Drehkolbenmaschine mit exzentrisch ineinander angeordneten Drehkolben und fliegend gelagertem äusserem Drehkolben Die Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschine mit exzentrisch ineinander angeordneten Drehkolben, von denen mindestens der äussere Drehkolben fliegend gelagert ist und einer den anderen mitnimmt und bei denen das Arbeitsmittel durch die zwischen dem äusseren und inneren Drehkolben bestehende stirnsei tige freie Öffnung zu- und abgeführt wird.
Solche Maschinen sind an sich bekannt, sie ent sprechen jedoch nicht mehr den neuzeitlichen erhöh ten Anforderungen.
Die Maschine gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der äussere Drehkolben allein die Arbeit über seinen Wellenzapfen leistet, indem der unmittelbar mitgenommene innere Drehkolben infolge seiner Gestaltung als Widerlager mitläuft, wobei der Radius der Läuferspitze des inneren Drehkolbens maximal 1-3 ",!u des Drehkolbendurchmessers be trägt und die Drehkolbenstirnkanten die Steuerung bewirken, wobei die Mantelfläche des inneren Dreh kolbens auf der Ein- und Austrittsseite abgeschrägt ist, ferner dadurch gekennzeichnet,
dass die Zu- und Ab führung des Arbeitsmittels durch Einlass- und Auslass- schlitze erfolgt, die beide in einer festen Gehäusewand oder einer beweglichen Stirnscheibe so angeordnet sind, dass nur je eine Öffnung für den Einlass und Auslass vorgesehen ist, wobei der Einlassschlitz gleich zeitig mit mehreren Arbeitskammern der Drehkolben maschine in Verbindung steht.
Eine solche Maschine ist für grosse Durchsatz mengen bei kleinem Bauvolumen, grosser Umfangs geschwindigkeit und nur unwesentlicher Abnutzung der Drehkolbenzähne geeignet, wenn sie gleichzeitig mit grosser Exzentrizität ausgerüstet ist. Letzteres ist nur erreichbar bei wenig abgerundeten Zahnspitzen des inneren Drehkolbens und nicht zu grosser Zähne zahl.
Zusammen mit den geringen Leckverlusten, wel che sich infolge des kleinstmöglichen Bauvolumens und damit kürzester Dichtspalte ergeben, gewährlei sten die angegebenen Mittel einen hohen Liefer- und Wirkungsgrad, zumal schädliche oder tote Räume in den Drehkolben vermieden sind. Während der äussere Drehkolben mit Rücksicht auf seine offene Stirnseite fliegend gelagert sein muss, kann der innere Drehkol ben gleichfalls fliegend oder auch unmittelbar in seinem Inneren gelagert sein.
Bei der Gaszu- und -abführung vermindern die grossen Schlitze die bei anderen Maschinen oft eintre tenden hohen Strömungsverluste. Da ferner vorwie gend der innere Drehkolben die Steuerung vornimmt, kann ein schneller Abschluss bei Einströmende und ein schnelles Öffnen bei Auslassbeginn herbeigeführt werden.
Die Mantelfläche des inneren Drehkolbens und eventuell auch die innere Mantelfläche des äusseren Drehkolbens ist auf der Ein- und Austrittsseite des Arbeitsmittels abgeschrägt. Hierdurch entsteht zwar ein schädlicher Raum mässigen Rauminhaltes, aber diese Massnahme ist wohlbegründet durch die zusätz liche Vergrösserung des Ein- und Austrittsquerschnit tes zwischen Aussen- und Innendrehkolben. Ausser dem verlaufen die Flanken der Zahnspitzen des inne ren Drehkolbens in verstärktem Masse radial.
Wenn die Maschine als Drehkolbenkompressor ausgebildet und eine Hochleistungsmaschine sein soll, ist für hochtourige Drehkolbenmaschinen eine besondere Art der Schmierung der Lagerstellen und auch der Küh lung der Lager erforderlich. Im besonderen kann. das Schmieröl mittels Dochte, welche an bewegten Teilen entlanggleiten, den Lagerstellen zugeführt werden, wobei gleichzeitig das Schmieröl Behältern entnom men wird, welche ein Teil des Gehäuses bzw. des Lagerzapfens oder auch des Gehäusedeckels sein kön nen.
Die Kühlung vor allem des schwer zugänglichen Lagers des inneren Drehkolbens bei stillstehendem Lagerzapfen wird zweckmässig dadurch ermöglicht, dass neben dem ölspeicherraum ein von einem Kühl mittel durchflossener Raum vorhanden ist. Wenn die ser Raum ganz oder zum Teil den ölspeicherraum umfasst, ist auch eine Aufheizung des Schmieröls un terbunden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
Fig. 1, 2 und 3 zeigen die Aussenansicht, den Querschnitt und den Längsschnitt eines Drehkolben- kompressors mit fliegend gelagertem Aussen- und Innendrehkolben.
Fig. 4 stellt einen Querschnitt durch eine nicht festgespannte verdrehbare Steuerscheibe mit fest ein gespanntem Segment dar.
Fig. 5 gibt ein Teillastdiagramm und Fig. 6 ein Leerlaufdiagramm wieder.
Fig. 7 ist ein Querschnitt durch eine fest einge spannte Stirnscheibe mit Steuersegment.
Fig. 8 stellt ein zugehöriges Teillastdiagramm und Fig. 9 ein Leerlaufdiagramm dar.
Fig. 10 zeigt einen Ausschnitt der beiden Dreh kolbenkörper in vergrössertem Massstab.
Fig. 11 zeigt eine Drehkolbenmaschine mit beson derer Gestaltung des äusseren Drehkolbens im Längs schnitt.
Fig. 12 zeigt einen mit Kühlraum ausgerüsteten Lagerzapfen der gleichen Maschine.
In den Fig. 2 und 3 bewegt sich der angetriebene äussere Drehkolben 1, der die Arbeit leistet, im Uhr zeigersinn um seine Achse 2 und nimmt dabei den um seine Achse drehenden inneren Drehkolben 3 mit. Der äussere Drehkolben ist dabei mittels Gleit- oder Wälzlagern einseitig (fliegend) im Gehäuse 5, der innere Drehkolben gleichfalls einseitig im Gehäuse deckel 6 gelagert. In diesen Deckel ist eine drehbare Stirnscheibe 7 fest eingebaut, welche den Einlassschlitz 8 und den Auslassschlitz 9 enthält und deren Einstel lung den Bedürfnissen entsprechend geändert werden kann. Der Einlassschlitz 8 steht gleichzeitig mit meh reren Arbeitskammern in Verbindung.
Die Stirn scheibe 7 kann hohl ausgeführt und mit einem Kühl mittel gefüllt oder von einem Kühlmittel durchflossen sein. Der innere Drehkolben ist auf der der Stirnscheibe zugekehrten Seite mit Abschrägungen 10 versehen. Zwischen den Läufern werden die Arbeitskammern 11, 12, 13, 14 und 15 gebildet. Bei Drehung der Drehkolben vergrössern sich die Kammern 11 und 12 und saugen durch den Schlitz 8 Gas an. Kammer 13 verkleinert sich, ohne dabei mit den Schlitzen 8 oder 9 in Verbindung zu stehen, so dass eine Kompression vor sich geht. Die Kammern 14 und 15 verkleinern sich gleichfalls und schieben das verdichtete Gas durch den Schlitz 9 in die Druckleitung aus.
Insbeson- dere an der Kammer 15 ist zu erkennen, in welch starkem Masse die Drehkolbenabschrägung 10 die seitliche freie Auslassöffnung zwischen den Drehkol ben vergrössert.
In Fig. 4 ist der Querschnitt durch eine nicht fest gespannte und durch ein äusseres Steuerorgan verdreh bare Steuerscheibe 16 gezeichnet. Die Begrenzungs linie des äusseren und des inneren Drehkolbens 17 und 18 sind in etwas anderer Stellung als in Fig. 2 strichpunktiert dargestellt. Teil 19 ist ein Füllstück, welches in der Steuerscheibenebene liegt und mit dem Gehäuse fest verbunden ist. Dieses Füllstück ist vor allem bei Vorliegen höherer Druckverhältnisse in Kompressoren notwendig.
Hinter der Steuerscheibe befindet sich der Gehäusedeckel, welcher die nicht dargestellten Ein- und Auslassstutzen <B>tragt.</B> Ausserdem enthält er eine weitere Öffnung, die durch die ge strichelte Linie 20 umgrenzt wird. Diese Öffnung steht mit der Aussenluft oder mit der Saugleitung in Ver bindung und gestattet den Leerlauf des Kompressors.
Die Wirkungsweise ist bei Vollast genau dieselbe, wie anhand der Fig. 2 beschrieben. Ein Unterschied besteht nur insofern, als der Abschluss des Ansaug vorganges nicht durch eine Kante der Steuerscheibe, sondern durch die Kante 21 des fest eingebauten Füll stückes 19 erfolgt. Das zugehörige Arbeitsdiagramm jeweils einer Kammer ist in Fig.5 durch den voll ausgezogenen Linienzug gekennzeichnet. In Fig. 4 ist ferner eine Stellung des Steuerschiebers für Teillast mit Hilfe von gestrichelten Linien eingezeichnet, die durch Verdrehung in der Pfeilrichtung 22 herbeige führt wird.
Die Kante 23 übernimmt dabei anstelle der Füllstückkante 21 die Steuerung des Ansaugendes in der Weise, dass durch den zwischen Steuerscheibe und Füllstück entstandenen Schlitz das zuviel ange saugte Gas in die Saugleitung zurückströmen kann. Dieser Vorgang wird im Diagramm der Fig. 5 durch die Strecke 24 gekennzeichnet. Die den Auslassbeginn steuernde Kante 25 ist nach rechts gewandert, so dass der Auslass erst später bei etwa dem gleichen Kom pressionsdruck beginnen kann. Die Strecke 26 zeigt die entsprechende Steuerpunktverschiebung im Dia gramm.
Die das Auslassende steuernde, ebenfalls nach rechts verschobene Kante 27 gestattet eine Verbin dung des Auslassschlitzes in der Steuerscheibe mit der sich bereits vergrössernden Arbeitskammer 28, so dass bereits komprimiertes Gas aus dem Druckstutzen wie der in den Zylinderraum zurückströmt. Diese Minde rung der effektiven Fördermenge wird im Diagramm durch die Strecke 29 gekennzeichnet. Bei Weiterdre hung der Drehkolben trennt die Steuerkante 27 den Auslass von der Kammer 28, so dass das in dieser Kam mer eingeschlossene verdichtete Gas expandiert. Die entspannte Gasmenge veranschaulicht im Diagramm die Strecke 30. Als tatsächliche Fördermenge ver bleibt demnach nur noch die der Strecke 31 entspre chende Gasmenge.
Wird die Steuerscherbe 16 in Pfeil richtung 22 so weit verstellt, dass die Steuerkante 2 7 die Leerlauföffnung 20 im Gehäuse überschleift, so kommt eine unmittelbare Verbindung zwischen dem Leerlaufkanal und dem Druckstutzen zustande. Un ter der Voraussetzung, dass in der Druckleitung ein Rückschlagventil angeordnet ist, kann also kein Gas mehr gefördert werden.
Verwendet man ferner ein in der Saugleitung an geordnetes Regelventil, welches schliesst, sobald die Leerlauföffnung freigelegt ist, so wird der Saugstut zen nahezu leer gesaugt, d. h. es verbleibt in ihm nur ein geringer Gasdruck, dessen Höhe nur von der Leckgasmenge abhängt. Auf diese Weise entsteht ein sehr kleines Leerlaufdiagramm. Ein solches Diagramm ist in Fig. 6 dargestellt. Die das Einlassende steuernde Kante 23 bewirkt dabei im Diagramm den Steuerpunkt 32 und die das Auslassende steuernde Kante 27 den Steuerpunkt 33. Die Strecke 34 ist das verbleibende Ansaugvolumen, welches der Leckgasmenge ent spricht.
Die das Auslassende bzw. die Rückströmung steuernde Kante 27 kann in ihrer Wirkung durch einen grösseren Verstellweg so verstärkt werden, dass sich die Mengenregelung durch die Kante 23 er übrigt. Das Steuerorgan muss jedoch in diesem Falle eine andere Form erhalten.
In Fig. 7 ist der Querschnitt durch eine fest ein gespannte Stirnscheibe 35 dargestellt. Diese Stirn scheibe könnte auch ein Teil des Gehäusedeckels sein. In gleicher Ebene befindet sich ein Steuersegment 36, welches in Pfeilrichtung 37 oder in umgekehrter Rich tung durch eine Regeleinrichtung bewegt werden kann. Der äussere und der innere Drehkolben 38 und 39 sind in der gleichen Stellung wie in Fig. 4 strich punktiert dargestellt. Der hinter der Stirnscheibe be findliche Gehäusedeckel enthält gleichfalls eine Öff nung 40, welche zur Herbeiführung des Leerlaufes dient.
Die Wirkungsweise bei Teillastbetrieb, der bei spielsweise durch Verstellung des Steuersegments 36 in die gestrichelt gezeichnete Lage herbeigeführt wer den kann, ist folgende: Die das Ansaugende steuernde Kante 41 und die den Auslassbeginn steuernde Kante 42 sind nicht ver stellbar, so dass sich im Diagramm nach Fig. <B>8</B> immer ie gleiche Kompressionslinie ergibt.
Die da s Auslass- ende steuernde und nach rechts verschobene Kante 43 erlaubt wieder eine räumliche Verbindung zwischen dem Auslassstutzen und der sich vergrössernden Ar beitskammer 44, so dass eine Rückströmung von be reits verdichtetem Gas in die Maschine eintritt. Die sen Vorgang veranschaulicht im Diagramm die Strecke 45. Bei Weiterdrehung der Drehkolben wird die mit komprimiertem Gas gefüllte Arbeitskammer 44 vom Auslassstutzen getrennt, so dass anschliessend in dieser Kammer eine Expansion vor sich geht, bis die verstellte Kante 46 die räumliche Verbindung zum Saugstutzen zulässt.
Die vom Verdichter tatsächlich angesaugte Gasmenge entspricht der Strecke 47 im Diagramm.
Bei Weiterdrehung des Steuersegments 37 kann wieder der Leerlauf herbeigeführt werden, wobei ein Rückschlagventil in der Druckleitung notwendig und ein gesteuertes Abschlussventil in der Saugleitung zweckmässig ist. Unter diesen Voraussetzungen ent steht das Diagramm nach Fig. 9.
Hierbei ist die Steuerkante 43 so weit nach rechts gewandert, dass eine Verbindung zwischen dem Aus lassstutzen und der Leerlauföffnung 40 hergestellt ist. Der Druck im Auslassstutzen und in der Arbeitskam mer 44 fällt also auf den Atmosphärendruck. Dieser Druck bleibt in der Arbeitskammer so lange bestehen, bis die Kante 43 die Trennung der beiden Räume nach Weiterdrehung der Drehkolben herbeigeführt hat.
Im Diagramm nach Fig. 9 ist dieser Steuervor gang durch den Punkt 48 gekennzeichnet. Nach Ex pansion der in der Kammer 44 eingeschlossenen Gas menge auf den im Ansaugstutzen herrschenden Druck verbleibt eine der Strecke 49 entsprechende Ansaug menge. Der Ansaugdruck und die Ansaugmenge wird dabei durch die Leckgasmenge bestimmt. Die be schriebenen Regeleinrichtungen können im umge kehrten Sinne auch für die Regelung von Expansions maschinen benutzt werden; der Einbau eines Füll stückes bzw. die Anbringung einer Leerlauföffnung erübrigt sich jedoch hierbei.
So kann beispielsweise in Abwandlung des in Fig. 7 dargestellten Steuerprinzips die Steuerung so ausgeführt werden, dass das Steuersegment 36 im Ge häuse fest eingespannt, die Stirnscheibe dagegen durch ein äusseres Steuerorgan verstellbar angeordnet wird. Dieses Verfahren ist für Kraftmaschinen besonders vorteilhaft.
Eine Verwendungsmöglichkeit der vorgeschlage nen Steuerorgane besteht auch für die mit Flüssigkeit arbeitenden Pumpen und Motoren.
Nachstehend sei eine Verbesserung erläutert, wel che zu einer Erhöhung der Lebensdauer des die dich tenden Kanten tragenden Drehkolbens führt.
In Fig. 10 ist ein Ausschnitt der beiden Dreh kolbenkörper in vergrössertem Massstab dargestellt. Der Zahn 50 des inneren Drehkolbens hat sich dabei gerade gegen den äusseren Drehkolben 51 gelegt und wird von diesem mitgenommen, während sich der Zahn 52 im gleichen Zeitpunkt vom äusseren Dreh kolben getrennt hat. Alle anderen nicht gezeichneten Zähne sind vom äusseren Drehkolben ebenfalls durch einen Spalt getrennt. Aus der Fig. 10 ist also zu er kennen, dass ein und derselbe Zahn mit seinem äusser sten Ende den äusseren Drehkolben nur während ver hältnismässig kleiner Winkeldrehungen bei geringen Gleitgeschwindigkeiten berührt.
Um nennenswerte Anpressdrücke zu vermeiden, soll der Radius der Läu ferspitze maximal etwa 1 bis 3 v. H. des Drehkolben durchmessers betragen. Zur Herbeiführung geringsten Abriebes oder guter Dämpfung können in bekann ter Weise Einsatzstücke 53 vorgesehen sein, welche aus Werkstoffen mit besonders guten Gleiteigenschaf- ten oder mit hoher Elastizität bestehen.
In der Fig. 11 ist die Schmiervorrichtung für die Lagerung gezeigt. Auf der sich drehenden Distanz büchse 67 der Lagerung des äusseren Drehkolbens laufen Dochte 68, deren eingezogene Fäden 69 in einem Ölbad eintauchen, welches sich in einer ab geteilten Kammer 70 des Maschinengehäuses befin det. In ähnlicher Weise laufen die Dochte 71 auf dem Deckel 72 des inneren Drehkolbens, wobei die Docht fäden 73 in das im Hohlraum 74 des Lagerzapfens angeordnete Ölbad eintauchen.
Die Fig. 12 zeigt einen abgeänderten Lagerzapfen 75, welcher nicht nur eine Ölkammer 76 für die La gerschmierung, sondern auch eine Kühlkammer 77 enthält, welche von einem Kühlmittel durchflossen wird. Zur Erhöhung der Kühlwirkung kann die Kühl kammer in eine grössere Anzahl miteinander verbun dener Bohrungen unterteilt werden. Hierdurch würde die wasserberührte Oberfläche beträchtlich vergrössert werden.