Rotationskolbenmaschine Die Erfindung bezieht sich auf eine Rotationskol- benmaschine für gasförmige Medien mit mindestens zwei in einem gemeinsamen Gehäuse dicht eingeschlos senen, miteinander zwangsläufig drehbaren Rotations kolben, deren Achsen parallel zueinander verlaufen, wo bei jeder Rotationskolben aus einer Mehrzahl von paar weise ineinandergreifenden Scheiben besteht und be nachbarte Scheiben zueinander winkelversetzt sind.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben an ihrem Umfang konisch sind und/oder in ihrer Breite gegen die Druckseite hin schmäler werden.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Er findungsgegenstandes dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsvariante einer Rota tionskolbenmaschine, bei der die Kolben je aus einer Mehrzahl von Scheiben zusammengesetzt sind.
Fig. 2 ist eine perspektivische schematische Ansicht einzelner miteinander zusammenwirkender Scheiben. Fig. 3 ist eine Frontansicht zweier ineinandergrei- fender Scheiben gemäss Fig. 2.
Fig. 4-10 sind verschiedene Darstellungen der Ein- griffslagen von zwei miteinander zusammenwirkenden Scheiben.
Die Rotationskolbenmaschine gemäss Fig. 1, welche als Verdichter wirken soll, weist ein Gehäuse 1 auf, in dem sich ein Einlassstutzen 2 und ein Auslassstutzen 3 für das zu komprimierende Gas, insbesondere Luft, be findet. Im Innern dieses Gehäuses 1 befinden sich in einer Öffnung desselben zwei Rotationskolben 4, welche miteinander im Eingriff sind, in dem Sinne, dass der Aussenmantel des einen Rotationskolbens gegen den Kern des andern Rotationskolbens genau anliegt oder nahezu anliegt und umgekehrt.
Diese Rotationskolben liegen in der Bohrung des Gehäuses 1 mit ganz geringem Spiel (einige Hundertstelmillimeter bis etwa ein Zehntel millimeter) an. Das wesentliche Merkmal besteht darin, dass ihre Dicke mit zunehmendem Abstand vom Ein- lassstutzen 2 abnimmt, was bewirkt, dass innerhalb des Rotationskolbens eine Kompression des Gases stattfin det. Die Scheiben sitzen je auf einer Welle 6, deren Ab stützung an beiden Enden im Gehäuse durch Lager 7 und 8 erfolgt. Die beiden Wellen 6 werden auf der einen Seite durch gleich grosse Zahnräder 9, also mit gleicher Drehgeschwindigkeit, aber entgegengesetztem Drehsinn angetrieben.
Diese Zahnräder 9 müssen möglichst präzis und spielfrei hergestellt werden, damit die Rotationskol ben untereinander und gegenüber dem Gehäuse berüh rungsfrei und mit möglichst geringem Spiel arbeiten können. Für die Aufnahme des Axialschubes ist ein Bund 10 oder ein Axialdrucklager an sich bekannter Konstruktion an den Wellen vorgesehen. Der Antrieb erfolgt vom Achsstummel 11 her, beispielsweise mittels eines Elektro- oder Verbrennungsmotors.
Das Gehäuse 1 kann zweckmässigerweise mit üblichen Kühleinrich- tungen, beispielsweise mit Hohlräumen für den Wasser- durchfluss versehen werden.
Die Rotationskolben bestehen je aus einer Mehrzahl von Scheiben 13, deren Ausgestaltung in den Fig. 1-3 näher erläutert ist. Bei gleichbleibenden Aussenkontu ren haben diese Scheiben 13 unterschiedliche Dicke und können entweder mit gleichbleibendem Versetzungswin kel zueinander angeordnet werden, oder aber unter schiedliche Versetzungswinkel aufweisen. Unter Verset zungswinkel wird das Mass der Winkelverdrehung einer ersten Scheibe zu einer zweiten benachbarten Scheibe verstanden, wie dies bei den Scheiben gemäss Fig. 2 dargestellt ist. Der Vorteil dieser Scheibenform liegt darin, dass die Herstellung weniger Schwierigkeiten bie tet.
Mit diesen Scheiben können somit unter Verwen dung gleicher oder weitgehend gleicher Bauteile Ver dichter unterschiedlicher Leistung serienmässig zusam mengestellt werden.
Es wäre auch möglich, dass die Kolben in Form eines Kegels ausgeführt würden, dessen Kern ebenfalls kegelförmig ist; der äussere und der innere Kegel öffnen sich aber nach entgegengesetzten Seiten, d. h. der Aus sendurchmesser des Kolbens nimmt mit zunehmendem Abstand vom Einlassstutzen ab, während der Kern durchmesser mit zunehmendem Abstand vom Einlass- stutzen zunimmt. Auf diese Weise wird ebenfalls eine Verringerung des freien Gangquerschnittes mit zuneh mendem Abstand vom Einlassstutzen erreicht.
Um bei solchen Rotationskolben-Maschinen die Möglichkeit zu haben, das Eintrittsvolumen bzw. die Fördermenge oder das Druckverhältnis bzw. den End druck oder beides miteinander zu verändern, kann eine Reguliereinrichtung vorhanden sein.
Würde man für die Flanken der paarweise miteinander in Eingriff kommen den Scheiben, die für Zahnräder übliche Evolventen- form nehmen, so würde bei der Drehung dieser Schei ben periodisch eine öffnung entstehen, durch welche die Luft in den nächsten Schraubengang des andern Rota tionskolbens entweichen könnte.
Um dies zu verhüten, wird deshalb für die Ausbildung der Flanken die Form einer verlängerten Epizykloide gewählt. Diese Kurven form entsteht dadurch, dass - gemäss Fig. 3 - am Um fang einer Scheibe mit .dem Radius R ein Punkt ange nommen wird, welcher um den Betrag Z in eine zweite Scheibe mit gleichem Aussendurchmesser R hineinragt, oder anders ausgedrückt, der Punkt P befindet sich im Abstand r vom Zentrum der zweiten Scheibe.
Falls sich nun beide Scheiben mit gleicher Geschwindigkeit aber in entgegengesetztem Drehsinn. drehen, beschreibt dieser Punkt P eine Kurve K auf der zweiten Scheibe, deren genaue Form aus Fig. 3 ersichtlich ist. Da anderseits der Punkt P' der zweiten Scheibe ebenfalls und in gleicher Weise und um den gleichen Betrag in die erste Scheibe hineinragt, beschreibt auch dieser Punkt eine gleiche, jedoch spiegelbildlich versetzte Kurve K'. Die einzelnen Stadien der gegenseitigen Bewegung der beiden Schei ben sind in den Fig. 4-10 dargestellt.
Falls die Herstel lung dieser Scheiben mit einer genügend grossen Ge nauigkeit erfolgt, bewirkt diese Flankenform eine theore tisch vollkommene Abdichtung am ganzen Umfang. Praktisch wird sich ein sehr geringer Luftspalt nicht ver meiden lassen, um eine metallische Berührung zu ver meiden. Die Dichtung in Längsrichtung der Kolben er folgt dabei durch Winkelversetzung der Scheiben.
Bei der Drehung dieser Scheiben liegen die Mantelflächen der beiden Scheiben gegeneinander an, vorzugsweise unter Bildung eines sehr geringen Luftspaltes, d. h. die Durchmesser R der einen Scheibe wälzen sich praktisch auf dem Durchmesser R der andern Scheibe ab und um gekehrt. Infolge des zwangsläufigen Bewegungsantriebes der beiden Kolben durch das Zahnradgetriebe 9 ist es nicht notwendig, dass die .durch die Epizykloidenform entstehende spitze Kante 20 eine Kraft auf den anderen Kolben übertragen muss.
Diese spitze Kante 20 ist bei thermischen Maschinen schwer zu kühlen. Bei solchen Maschinen wird deshalb die scharfe Spitze vermieden, indem man eine Abrun dung mit dem Radius e vornimmt. Dieser Radius ist sehr klein im Vergleich zum Radius R der Scheibe. An stelle des bei Fig. 3 erwähnten Punktes wird nun ein Kreis mit dem Radius e auf der andern Scheibe abge wälzt. Dadurch entsteht allerdings bei der Gehäusekante periodisch ein kleiner Spalt 18.
Für Vakuumpumpen und andere Maschinen, die eine vollständige Abdichtung benötigen, muss die Ausbildung mit der spitzen Kante 20 gewählt werden; für Turbinen und andere thermisch belastete Maschinen muss je nach Bedarf die erwähnte etwas abgerundete Kante gewählt und der periodisch entstehende kleine Spalt in Kauf genommen werden. Da dieser Spalt aber vergleichsweise gering ist (einige Zehntelmillimeter) und bei einer vollen Drehung nur während eines sehr kleinen Drehwinkels in Erscheinung tritt, können die daraus entstehenden Spaltverluste in Kauf genommen werden.
Die einzelnen Stadien des Be wegungsablaufes zwischen den beiden Scheiben sind in den Fig. 7-l0 dargestellt.
Die drehsichere Befestigung der Scheiben 13 auf den Wellen 6 erfolgt zweckmässig durch Keilnuten, wobei die Relativlage der Keilnuten zugleich .die gegenseitige Versetzung der Scheiben festlegt. Anstelle von Nuten- öffnungen 21 bzw. Mehrkeilwellen liessen sich auch andere drehsichere Befestigungen ausführen, beispiels weise durch Mehrkantwellen oder Wellen mit polygona lem Querschnitt.
Anstelle von zwei miteinander in Eingriff stehenden Rotationskolben können natürlich auch eine grössere Zahl derselben vorgesehen sein. Ferner können statt zwei- auch mehrgängige Rotationskolben verwendet werden.
Durch Zufuhr von Druckluft oder Druckgas können diese Maschinen auch als Motor verwendet und zum Antrieb von Geräten eingesetzt werden. Der Einlass des Druckgases erfolgt dann an der Stelle, die beim Kom pressor dem Auslassstutzen entspricht. Im Innern der Rotationskolben wird dabei eine Entspannung des Druckgases unter gleichzeitiger Energieabgabe an den Rotor bewirkt.
Rotary piston machine The invention relates to a rotary piston machine for gaseous media with at least two rotatable pistons that are inevitably rotatable with one another and are sealed in a common housing, the axes of which run parallel to one another, where each rotary piston consists of a plurality of pairs of interlocking disks and be adjacent panes are angularly offset from one another.
The invention is characterized in that the disks are conical on their circumference and / or become narrower in their width towards the pressure side.
In the drawing, embodiments of the subject invention He are shown.
Fig. 1 shows an embodiment of a rotary piston machine tion, in which the pistons are each composed of a plurality of discs.
Fig. 2 is a perspective schematic view of individual disks interacting with one another. FIG. 3 is a front view of two interlocking disks according to FIG. 2.
4-10 are different representations of the engagement positions of two interacting discs.
The rotary piston machine according to FIG. 1, which is intended to act as a compressor, has a housing 1 in which there is an inlet connection 2 and an outlet connection 3 for the gas to be compressed, in particular air. Inside this housing 1 are located in an opening of the same two rotary pistons 4, which are in engagement with each other, in the sense that the outer jacket of one rotary piston rests or almost rests against the core of the other rotary piston and vice versa.
These rotary pistons lie in the bore of the housing 1 with very little play (a few hundredths of a millimeter to about a tenth of a millimeter). The essential feature is that its thickness decreases with increasing distance from the inlet connector 2, which has the effect that a compression of the gas takes place within the rotary piston. The disks each sit on a shaft 6, whose support is carried out at both ends in the housing by bearings 7 and 8. The two shafts 6 are driven on the one hand by gear wheels 9 of the same size, that is to say at the same speed of rotation but in opposite directions of rotation.
These gears 9 must be made as precise and backlash-free as possible so that the Rotationskol ben with each other and with respect to the housing can work without touch and with the least possible play. To absorb the axial thrust, a collar 10 or an axial thrust bearing of a known construction is provided on the shafts. The drive takes place from the stub axle 11, for example by means of an electric or internal combustion engine.
The housing 1 can expediently be provided with customary cooling devices, for example with cavities for the flow of water.
The rotary pistons each consist of a plurality of disks 13, the configuration of which is explained in more detail in FIGS. 1-3. With constant outer contours, these disks 13 have different thicknesses and can either be arranged with a constant offset angle to each other, or have different offset angles. The offset angle is understood to mean the degree of angular rotation of a first disk relative to a second adjacent disk, as is shown in the case of the disks according to FIG. The advantage of this disc shape is that it is less difficult to manufacture.
With these discs, using the same or largely the same components, compressors with different capacities can be put together in series.
It would also be possible for the pistons to be designed in the form of a cone, the core of which is also conical; the outer and inner cones, however, open on opposite sides, i.e. H. the outer diameter of the piston decreases with increasing distance from the inlet port, while the core diameter increases with increasing distance from the inlet port. In this way, a reduction in the free passage cross-section with increasing distance from the inlet connection is also achieved.
In order to have the possibility in such rotary piston machines to change the inlet volume or the delivery rate or the pressure ratio or the end pressure or both with one another, a regulating device can be provided.
If the flanks of the disks that come into engagement with one another in pairs, take the usual involute shape for gearwheels, an opening would periodically arise when these disks were rotated through which the air could escape into the next screw thread of the other rotary piston .
To prevent this, the shape of an elongated epicycloid is chosen for the formation of the flanks. This curve shape is created by the fact that - according to FIG. 3 - at the circumference of a disk with .dem radius R a point is assumed which protrudes by the amount Z into a second disk with the same outer diameter R, or in other words, the point P is at a distance r from the center of the second disk.
If both disks are now rotating at the same speed but in opposite directions. rotate, this point P describes a curve K on the second disk, the exact shape of which can be seen in FIG. On the other hand, since the point P 'of the second disk also projects into the first disk in the same way and by the same amount, this point also describes an identical, but mirror-inverted, curve K'. The individual stages of the mutual movement of the two discs are shown in FIGS. 4-10.
If these disks are manufactured with a sufficiently high level of accuracy, this flank shape causes a theoretically perfect seal over the entire circumference. In practice, a very small air gap cannot be avoided in order to avoid metallic contact. The seal in the longitudinal direction of the piston he follows by angular displacement of the discs.
When these disks are rotated, the outer surfaces of the two disks lie against one another, preferably with the formation of a very small air gap, i.e. H. the diameter R of one disc roll practically on the diameter R of the other disc and vice versa. As a result of the inevitable movement drive of the two pistons by the gear mechanism 9, it is not necessary that the pointed edge 20 created by the epicycloid shape must transmit a force to the other piston.
This pointed edge 20 is difficult to cool in thermal machines. With such machines, the sharp point is therefore avoided by making a round with the radius e. This radius is very small compared to the radius R of the disk. In place of the point mentioned in Fig. 3, a circle with the radius e is now rolled on the other disc. However, this periodically creates a small gap 18 at the edge of the housing.
For vacuum pumps and other machines that require complete sealing, the design with the pointed edge 20 must be selected; for turbines and other thermally stressed machines, the somewhat rounded edge mentioned must be selected as required and the small gap that occurs periodically must be accepted. However, since this gap is comparatively small (a few tenths of a millimeter) and only appears during a very small angle of rotation when fully rotated, the resulting gap losses can be accepted.
The individual stages of the Be motion sequence between the two discs are shown in FIGS. 7-10.
The non-rotatable fastening of the disks 13 on the shafts 6 is expediently carried out by means of keyways, the relative position of the keyways at the same time determining the mutual displacement of the disks. Instead of slot openings 21 or multi-spline shafts, other non-rotatable fastenings could also be implemented, for example by means of polygonal shafts or shafts with a polygonal cross-section.
Instead of two mutually engaging rotary pistons, a larger number of these can of course also be provided. Furthermore, multi-turn rotary pistons can be used instead of two.
By supplying compressed air or compressed gas, these machines can also be used as motors and used to drive devices. The inlet of the compressed gas then takes place at the point that corresponds to the outlet connection on the compressor. In the interior of the rotary piston, the pressure gas is expanded while energy is transferred to the rotor at the same time.