-
Die Erfindung betrifft eine Flügelzellenmaschine mit einem Stator und einem Rotor, der in jeweils einer Führung radial verlagerbare Flügel aufweist, die an einer Innenseite des Stators anliegen und mit dem Rotor, dem Stator und je einer Seitenwand an jedem axialen Ende des Rotors Arbeitskammern begrenzen.
-
Eine derartige Flügelzellenmaschine wird beispielsweise als Verstärkungspumpe vor oder hinter einem Druckwandler in einem Kreislauf einer Umkehrosmose-Anlage verwendet. Bei einer Umkehrosmose-Anlage wird Wasser, beispielsweise Salzwasser, durch eine Membran gepumpt, auf deren Ausgangsseite dann gereinigtes oder entsalztes Wasser zur Verfügung steht.
-
Da sich in einer derartigen Maschine der Rotor gegenüber dem Stator dreht und in den Arbeitskammern bei jeder Umdrehung mindestens einmal ein hoher Druck herrscht, muss man Sorge dafür tragen, dass die Flügelzellenmaschine nach innen und nach außen dicht ist. Eine innere Undichtigkeit oder Leckage würde den Wirkungsgrad vermindern. Eine äußere Leckage ist ohnehin unerwünscht.
-
Der Rotor und die Seitenwand müssen daher mit einer gewissen Kraft aneinander anliegen, um interne Undichtigkeiten möglichst klein zu halten. Allerdings darf diese Kraft auch nicht zu groß werden, weil ansonsten durch die Reibung zwischen der Seitenwand und dem Rotor ein zu großer Verschleiß entstehen würde.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei guter interner Dichtigkeit den Verschleiß in einer Flügelzellenmaschine klein zu halten.
-
Diese Aufgabe wird bei einer Flügelzellenmaschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Seitenwand in einem radial inneren Bereich einen Einsatz aufweist, der in der Seitenwand axial beweglich ist und axial innen und axial außen jeweils eine Druckangriffsfläche aufweist.
-
Bei dieser Ausgestaltung unterteilt man also die Seitenwand in zwei Elemente, nämlich in den Einsatz und ein den Einsatz umgebendes Element. Der Einsatz bildet dann eine Art Kolben in der Seitenplatte, der in Richtung auf den Rotor oder in die entgegengesetzte Richtung verschoben werden kann. Die Verschiebungskräfte richten sich dabei nach den Drücken, die an den beiden Druckangriffsflächen axial innen und axial außen angreifen. Wenn man die Druckangriffsflächen und die dort angreifenden Drücke entsprechend aufeinander abstimmt, kann man einen hydraulischen Abgleich erreichen, so dass der Einsatz und der Rotor mit einer Kraft aneinander anliegen, die so gewählt ist, dass einerseits die zufrieden stellende Dichtigkeit erreicht wird, andererseits aber auch der Verschleiß klein gehalten werden kann.
-
Vorzugsweise ist die Seitenwand als Platte ausgebildet. Eine Platte lässt sich relativ einfach herstellen. Wenn der Einsatz in die Platte eingesetzt wird, kann man die so zusammengesetzte Platte als getrenntes Element mit dem Stator zusammenbauen. Funktionell bildet die Platte mit dem Einsatz dann einen Teil des Stators.
-
Alternativ dazu kann die Seitenwand in einem Gehäuse der Flügelzellenmaschine ausgebildet sein. In diesem Fall ist neben dem Einsatz kein zusätzliches Element erforderlich, was sich auch positiv auf die Genauigkeit bei der Montage auswirkt. Je weniger Teile montiert werden müssen, desto geringer sind die Fehler, die durch Toleranzen entstehen können.
-
Bevorzugterweise ist ein Dichtring zwischen dem Stator und dem Einsatz angeordnet. Dieser Dichtring, beispielsweise ein O-Ring, dichtet den Einsatz nach außen ab. Dieser Dichtring kann in einer Nut angeordnet sein, um seine Position klar zu definieren. Der Dichtring ist an einer Position angeordnet, wo einander benachbarte Teile sich nicht relativ zueinander bewegen. Man kann also mit Hilfe des Dichtringes auf einfache Weise verhindern, dass an dieser Position größere Mengen von Flüssigkeit aus dem Stator nach außen gelangen können.
-
Vorzugsweise ist der Dichtring an einer radialen Position des Rotors angeordnet, bei der die vom Druck des Fluids radial außerhalb des Dichtrings hervorgerufenen Kräfte so groß sind, wie die vom Druck des Fluids auf der dem Rotor zugewandten Seite des Einsatzes. Die Kräfte müssen hierbei nicht exakt gleich sein. Die axial nach innen wirkende Kraft kann durchaus etwas größer sein als die axial nach außen wirkende Kraft. Der Dichtring dichtet radial nach innen ab. Radial außerhalb des Dichtringes steht Fluid zwischen dem Stator und dem Einsatz an. Auf der gegenüber liegenden Seite des Einsatzes kann das Fluid radial weiter nach innen vordringen, und zwar durch einen Spalt zwischen dem Rotor und dem Einsatz. In diesem Spalt nimmt jedoch der Druck des Fluids radial von außen nach innen ab. Man kann nun die Position des Dichtringes so bestimmen, dass die Druckangriffsfläche an dem Einsatz axial außen kleiner als axial innen ist. Die Druckangriffsflächen erstrecken sich dabei in radialer Richtung und sind einem Druck ausgesetzt, der in axialer Richtung wirkt. Das Verhältnis der Größen der Druckangriffsflächen ist dann so gewählt, dass der in Radialrichtung abnehmende Druck auf der axialen Innenseite des Einsatzes auf eine entsprechend größere Druckangriffsfläche wirkt. Vereinfacht ausgedrückt ist bei Betrachtung eines Axialschnitts das Integral des Drucks über die Fläche auf der axialen Außenseite des Einsatzes etwa genauso groß wie das Druckintegral über die Druckangriffsfläche an der axialen Innenseite des Einsatzes.
-
Vorzugsweise weist der Einsatz einen axialen Fortsatz auf, der ein Lager für eine Welle bildet, die mit dem Rotor verbunden ist. Man kann den Einsatz also so ausgestalten, dass er gleichzeitig das Lager für die Welle des Rotors bildet. Man kann dann zwischen der Welle des Rotors und dem Einsatz die Wellendichtung anordnen. In diesem Fall kann der Druck axial innen über die gesamte axiale Erstreckung des Einsatzes wirken.
-
Vorzugsweise weist der Fortsatz eine Stufe auf, die eine Anlagefläche für den Dichtring bildet. Die Stufe definiert dann gleichzeitig die radiale Position für den Dichtring.
-
Bevorzugterweise ist der Einsatz in einer zentrischen Ausnehmung der Seitenwand angeordnet und weist eine exzentrische Bohrung auf, durch die der Rotor geführt ist. Wenn der Rotor mit einer Welle versehen ist, dann ist natürlich die Welle durch diese zentrische Bohrung des Einsatzes geführt. In einer Flügelzellenmaschine mit einem Arbeitshub der Flügel pro Umdrehung des Rotors kann man die Innenseite des Stators, an der die Flügel anliegen, hohlzylinderförmig ausgestalten. Um dennoch die radiale Aus- und Einfahrbewegung der Flügel zu realisieren, wird der Rotor exzentrisch gelagert, d. h. ein Punkt am Umfang des Rotors nähert sich bei jeder Umdrehung der Innenseite des Stators an und entfernt sich wieder von der Innenseite des Stators. Diese Exzentrizität lässt sich auf einfache Weise durch den Einsatz realisieren. Diese Ausgestaltung hat den weiteren Vorteil, dass man auf einfache Weise sicherstellen kann, dass die Flügel. mit ihren Stirnseiten immer an dem den Einsatz umgebenden Element anliegen können. Dementsprechend kann man die Flügel und dieses Element materialmäßig so aufeinander abstimmen, dass der Verschleiß möglichst klein bleibt.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
-
1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Flügelzellenmaschine,
-
2 einen Schnitt II-II nach 1,
-
3 einen Teilschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform einer Flügelzellenmaschine,
-
4 eine vergrößerte Darstellung eines Einsatzes nach 3,
-
5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Verteilung von Drücken auf dem Einsatz,
-
6 eine vereinfachte Darstellung entsprechend 5 für ein anderes Ausführungsbeispiel und
-
7 ein gegenüber 1 abgewandeltes Ausführungsbeispiel.
-
Eine Flügelzellenmaschine 1 weist einen Stator 2 auf, in dem ein Rotor 3 drehbar gelagert ist. Der Rotor ist mit einer Welle 4 verbunden, die bei der Ausbildung der Flügelzellenmaschine 1 als Pumpe mit einem nicht näher dargestellten Antriebsmotor verbunden ist. Wenn die Flügelzellenmaschine 1 als Motor arbeitet, dann kann an der Welle 4 eine Leistung abgenommen werden.
-
Der Rotor 3 ist aus einem ersten Material, vorzugsweise Stahl, gebildet. Im Rotor 3 sind in Umfangsrichtung verteilt mehrere Flügel 5 angeordnet, jeder Flügel weist einen Kern 6 aus Stahl auf, der von einer Umhüllung 7 umgeben ist, die aus einem zweiten Material, das sich vom ersten Material unterscheidet, gebildet ist, vorzugsweise aus Kunststoff, der mit dem Stahl des Rotors 3 reibungsarm zusammenwirkt. Der Stator 2 ist ebenfalls aus dem ersten Material, vorzugsweise Stahl, gebildet. Die Umhüllung 7 wirkt auch mit dem Material des Stators 2 reibungsarm zusammen, auch wenn die Flügelzellenmaschine 1 mit Wasser betrieben wird.
-
In der weiteren Beschreibung wird als erstes Material Stahl und als zweites Material ein mit Stahl reibungsarm zusammenwirkender Kunststoff verwendet.
-
Als Kunststoff für die Umhüllung 7 kommen insbesondere Werkstoffe aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf der Basis von Polyaryletherketonen, insbesondere Polyetheretherketonen (PEEK), Polyamiden, Polyacetalen, Polyarylether, Polyethylenterephtalaten, Polyphenylensulfiden, Polysulfonen, Polyethersulfonen, Polyetherimiden, Polyamidimiden, Polyacrylaten, Phenol-Harzen, wie Novolack-Harzen, oder ähnliches in Betracht, wobei als Füllstoffe Glas, Graphit, Polytetrafluorethylen oder Kohlenstoff, insbesondere in Faserform verwendet werden können.
-
Der Rotor 3 weist für jeden Flügel eine Führung 8 auf. Jede Führung 8 weist zwei im Wesentlichen radial verlaufende und sich axial erstreckende Wände 9, 10 auf, zwischen denen der Flügel 5 in radialer Richtung (bezogen auf die Drehachse des Rotors) geführt ist. An der radialen Innenseite des Flügels 5 ist in der Führung ein Raum 11 angeordnet, in den Flüssigkeit gelangen kann durch einen Spalt zwischen dem Flügel 5 und den Wänden 9, 10.
-
Wie in 2 zu erkennen ist, trägt der Rotor 3 eine gerade Anzahl von Flügeln 5. Zwischen zwei jeweils diametral gegenüberliegend angeordneten Flügeln 5 ist eine Stange 12 positioniert. Diese Stange 12 ist ebenfalls aus dem reibungsvermindernden Kunststoff gebildet. Die Stange 12 ist so dimensioniert, dass die diametral gegenüberliegenden Flügel 5 jeweils an der Innenseite 12 des Rotors 3 anliegen. Ein kleines Spiel ist zugelassen, um ein Klemmen zu vermeiden.
-
In Umfangsrichtung aufeinander folgende Flügel 5 begrenzen jeweils eine Kammer 14. Wie in 2 zu erkennen ist, ändert sich das Volumen der Kammer 14 bei einer Umdrehung des Rotors innerhalb des Stators 2, wie dies von Flügelzellenmaschinen her bekannt ist.
-
Die Kammern 14 müssen auch an ihren axialen Stirnseiten abgedichtet sein. Zu diesem Zweck ist an jeder Stirnseite der Flügel 5 eine Seitenwand 15 ausgebildet. Im vorliegenden Fall ist die Seitenwand 15 an einer Platte 16 ausgebildet. Die Platte 16 ist aus Stahl ausgebildet, so dass der Flügel 5 mit seiner Umhüllung 7 an der Platte 16 entlang reiben kann. Aufgrund des Kunststoffs der Umhüllung 7 erfolgt hier eine Bewegung mit relativ geringer Reibung.
-
In die Platte 16 ist ein Einsatz 17 eingesetzt. Der Einsatz ist zumindest an seiner Oberfläche aus einem dritten Material, das gleich dem zweiten Material sein kann, gebildet. Die Oberfläche des Einsatzes 17 ist hier also ebenfalls aus dem reibungsvermindernden Kunststoff gebildet. Der Einsatz 17 liegt an einem Stirnseitenabschnitt 18 des Rotors 3 an.
-
Der Einsatz 17 ist in eine zentrische Bohrung 19 der Platte 16 eingesetzt. Der Einsatz 17 weist eine exzentrische Bohrung 20 auf durch die der Rotor 3 geführt ist. Dementsprechend ist es möglich, die Platte 16 und den Einsatz 17 so zu dimensionieren, dass die Flügel 5 mit ihrer Umhüllung 7 während des gesamten Umlaufs stirnseitig nur an der Platte 16 , also an Stahl, anliegen, während der Rotor 3 mit seinem Stirnseitenabschnitt 18 nur an dem Einsatz 17, also an Kunststoff, anliegt. Lediglich im Bereich des radial inneren Endes des Flügels 5 kann eine sehr geringe Überdeckung zwischen Flügel 5 und Einsatz 17 erfolgen, die aber unkritisch ist, weil sie so klein ist.
-
Bei dieser Ausgestaltung kann man gewährleisten, dass es Reibung immer nur zwischen Teilen gibt, von denen eines eine Oberfläche aus Stahl und eines eine Oberfläche aus dem reibungsvermindernden Kunststoff aufweist, beispielsweise aus PEEK.
-
Es ist möglich, dass zwischen der Platte 16 und dem Einsatz 17 Flüssigkeit unter Druck axial nach außen vordringt. Dementsprechend ist zwischen dem Einsatz 17 und einem stirnseitigen Gehäuseteil 21 ein O-Ring 22 (oder eine entsprechende Dichtung) angeordnet. Dieser O-Ring 22 kann eine axiale und/oder radiale Vorspannung aufweisen, so dass er bereits bei geringen Drücken abdichtet, um beispielsweise eine Leckage beim Start zu vermeiden.
-
Die Position des O-Rings 22 wird weiter unten erläutert.
-
Der Rotor 3 weist mehrere axial verlaufende Durchgangskanäle 25 auf, die für einen Druckausgleich zwischen den axialen Rotorenden sorgen.
-
Der Einsatz 17 ist gegenüber der Platte 16 in axialer Richtung beweglich, bildet also eine Art ”Kolben”. Durch die Aufteilung im Einsatz 17 und Platte 16 wird auch die Herstellung vereinfacht. So können die Platte 16 und der Einsatz 17 mit planparallelen Flächen hergestellt werden. Der Einsatz 17 kann eine geringfügig größere Dicke als die Platte 16 aufweisen.
-
3 zeigt ein geringfügig abgewandeltes Ausführungsbeispiel, bei dem gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. 4 zeigt den Einsatz 17 alleine und zwar 4a von vorne, 4b im Schnitt A-A nach 4a und 4c von der Seite.
-
Der Einsatz 17 ist nun in Axialrichtung verlängert und bildet ein Lager 23 für den Rotor 3. Dementsprechend ist auch die Materialpaarung zwischen dem Rotor 3 (Stahl) und dem Lager 23 an seiner Umfangsfläche (PEEK) so ausgebildet, dass sich hier ein reibungsarmes Verhalten ergibt.
-
Die Position des O-Rings 22 wird anhand von 5 erläutert. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in den 1 bis 4 versehen.
-
Der Rotor 3 ist hier einstückig mit der Welle 4 ausgebildet. Die Welle 4 kann jedoch auch als getrenntes Teil ausgebildet sein.
-
Zwischen dem Einsatz 17 und dem Gehäuseteil 21 ist ein Spalt 25 ausgebildet. Ferner ist ein Spalt 26 zwischen dem Rotor 3 und dem Einsatz 17 vorhanden. Der Spalt 25 kann geringfügig größer sein als der Spalt 26. Im Spalt 25 ist der O-Ring 22 angeordnet, so dass sichergestellt ist, dass der Spalt 25 im drucklosen Zustand immer offen gehalten werden kann.
-
Im Spalt 25 weist der Einsatz 17 eine erste Druckangriffsfläche 27 auf. Im Spalt 26 weist der Einsatz eine zweite Druckangriffsfläche 28 auf. Die erste Druckangriffsfläche 27 ist radial innen durch den O-Ring 22 begrenzt. Die zweite Druckangriffsfläche 28 ist im Grunde durch die Welle 4 oder eine die Welle 4 abdichtende Wellendichtung 29 begrenzt. Daraus ist zu erkennen, dass die zweite Druckangriffsfläche 28 größer ist als die erste Druckangriffsfläche 27. Das Verhältnis der beiden Druckangriffsflächen 27, 28 kann durch die Position des O-Rings 22 bestimmt werden.
-
Im Spalt 25 zwischen dem Gehäuseteil 21 und dem Einsatz 17 herrscht ein hoher Druck, der durch Pfeile 30 symbolisiert ist. Dieser Druck ist in radialer Richtung konstant, was dadurch symbolisiert ist, dass die Pfeile 30 alle die gleiche Länge haben.
-
Im Spalt 26 herrscht ebenfalls hoher Druck, der durch Pfeile 31 symbolisiert ist. Da zwischen dem Rotor und dem Einsatz 17 eine kleine Strömung zugelassen ist, nimmt der Druck von radial außen nach radial innen ab. Dies ist dadurch symbolisiert, dass die Pfeile 31 nach radial innen eine abnehmende Länge aufweisen.
-
Die beiden Druckangriffsflächen 27, 28 sind nun so dimensioniert, dass das Produkt aus erster Druckangriffsfläche 27 und dem konstanten Druck (Pfeil 30) etwa gleich dem Produkt aus der zweiten Druckangriffsfläche 28 und dem abnehmenden Druck im Spalt 26 ist. Durch diese Dimensionierung kann man erreichen, dass sich ein hydraulisches Gleichgewicht über den Einsatz 17 einstellt. Da der Einsatz 17 in der Platte 16 in Axialrichtung bewegbar ist, kann sich die Position des Einsatzes 17 gegenüber dem Rotor so einstellen, dass zwar eine maximale Dichtigkeit gegeben ist, gleichzeitig der Verschleiß aber klein gehalten werden kann. Die Bewegungen des Einsatzes 17 gegenüber der Seitenplatte 16 sind allerdings sehr klein.
-
Der Einsatz 17 und die Platte 16 werden als zwei separate Teile hergestellt, so dass die aus der Platte 16 und dem Einsatz 17 hergestellte Seitenplatte mit planparallelen Flächen hergestellt werden kann.
-
6 zeigt eine entsprechende Ausgestaltung für den Einsatz 17 mit Stufe 24. Auch hier gibt es einen Spalt 25 zwischen dem Gehäuseteil 21 und dem Einsatz 17 und einen Spalt 26 zwischen dem Einsatz 17 und dem Rotor 3. Die erste Druckangriffsfläche 27 ist kleiner als die zweite Druckangriffsfläche 28, weil die erste Druckangriffsfläche 27 durch den O-Ring 22 radial nach innen begrenzt wird. Die Stufe 24 definiert die Position des O-Rings 22. Bei der Ausgestaltung nach 5 übernimmt die Positionierung eine Nut 32.
-
Durch die Pfeile 30, 31 ist wiederum symbolisiert, dass der Druck im Spalt 25, der auf die erste Druckangriffsfläche 27 wirkt, in radialer Richtung konstant ist, während der Druck im Spalt 26, der auf die zweite Druckangriffsfläche 28 wirkt, von radial außen nach radial innen abnimmt.
-
7 zeigt eine gegenüber 1 abgewandelte Ausführungsform in schematischer Darstellung. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
Der Einsatz 17 ist bei dieser Ausführungsform unmittelbar in dem stirnseitigen Gehäuseteil 21 angeordnet, d. h. der stirnseitige Gehäuseteil 21 übernimmt radial außerhalb des Einsatzes 17 die Funktion der Platte 16 mit.
-
In dieser Ausgestaltung ist im Grunde der O-Ring 21 zwischen dem Einsatz 17 und dem stirnseitigen Gehäuseteil nicht unbedingt erforderlich. Dementsprechend ist dieser O-Ring in 7 aus Gründen der Übersicht nicht eingezeichnet. Er kann selbstverständlich trotzdem vorhanden sein. Dieser O-Ring kann dann als ”Feder” wirken, um beim Starten eine Anfangskraft auf den Einsatz 17 zu erzeugen, so dass der Einsatz 17 bereits beim Start gegen eine entsprechende Fläche des Rotors 3 gedrückt wird.
-
Diese Kraft kann aber auch auf andere Weise erzeugt werden, beispielsweise durch eine Feder zwischen dem Einsatz 17 und dem stirnseitigen Gehäuseteil 21.
