-
Die Erfindung betrifft eine Außenzahnradmaschine, insbesondere einen Außenzahnradmotor oder eine Außenzahnradpumpe, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
-
Die vorgeschlagene Außenzahnradmaschine ist insbesondere zum Fördern eines niedrigviskosen Mediums, wie beispielsweise Ethanol, Cyclopentan und/oder eines Kältemittels geeignet. Derartige Medien werden häufig als Arbeitsmedium in einem Abgaswärmerückgewinnungssystem (Waste-Heat-Recovery-System, WHRS) eingesetzt. Die Erfindung betrifft daher ferner ein Abgaswärmerückgewinnungssystem mit einer erfindungsgemäßen Außenzahnradmaschine.
-
Stand der Technik
-
Systeme zur Abgaswärmerückgewinnung (WHRS), wie man sie beispielsweise bei Großdieselmotoren von Schiffen oder schweren Nutzfahrzeugen findet, nutzen einen sogenannten ORC-Kreislauf (Organic Rankine Cycle) zur Energieumwandlung. Hierbei wird ein geeignetes Prozessmedium zunächst verdampft und über eine Expansionsmaschine entspannt. Die dabei frei werdende Energie wird dann an der Expansionsmaschine abgegriffen, um sie mechanisch oder elektrisch zu nutzen. Die Nutzung der Abgasrestwärme führt zu einer Effizienzsteigerung des Gesamtsystems.
-
Für ORC-Kreisprozesse werden üblicherweise Medien verwandt, die aus thermodynamischer Sicht das höchste Potential aufweisen. Diese Medien haben in der Regel einen sehr niedrigen Dampfdruck bzw. eine sehr niedrige Siedetemperatur, darüber hinaus eine sehr geringe Viskosität und äußerst schlechte Schmiereigenschaften. Dies stellt eine besondere Herausforderung an eine zum Fördern des Mediums eingesetzte Fluidpumpe des Abgaswärmerückgewinnungssystems dar, wobei es sich insbesondere um eine Verdrängermaschine, wie beispielsweise eine Außenzahnradmaschine, handeln kann. Denn im Unterschied zu einer Strömungsmaschine wird die Förderleistung einer Verdrängermaschine weniger durch deren Betriebsbedingungen beeinflusst, so dass der Volumenstrom des Mediums möglichst genau einstellbar ist. Der Einsatz einer Außenzahnradmaschine bietet sich zudem aus wirtschaftlicher Sicht an, da sie vergleichsweise einfach aufgebaut bzw. kostengünstig herstellbar und sehr robust ist.
-
Eine Außenzahnradmaschine weist mindestens zwei in einem Gehäuse aufgenommene Zahnräder auf, die im Außeneingriff miteinander kämmen. Dabei gelangen die Zahnräder in Kontakt miteinander sowie in Kontakt mit dem Gehäuse, wobei die Kontaktstellen zugleich Dichtstellen ausbilden, da sie einen Hochdruckbereich von einem Niederdruckbereich trennen. Ist der Dichtkontakt im Bereich der Dichtstellen unzureichend, fließt Medium über innere Leckagepfade vom Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich ab. Dies hat zur Folge, dass die effektive Fördermenge sinkt und sich der volumetrische Wirkungsgrad der Außenzahnradmaschine verschlechtert.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Außenzahnradmaschine, insbesondere einen Außenzahnradmotor oder eine Außenzahnradpumpe, anzugeben, deren Dichtheit verbessert ist, so dass der inneren Leckage entgegengewirkt wird.
-
Zur Lösung der Aufgabe wird die Außenzahnradmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird das Abgaswärmerückgewinnungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgeschlagen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die vorgeschlagene Außenzahnradmaschine, wobei es sich insbesondere um einen Außenzahnradmotor oder eine Außenzahnradpumpe handeln kann, umfasst ein erstes und ein zweites Zahnrad, die im Außeneingriff miteinander kämmen und von einem Gehäuse umgeben sind. Ferner umfasst die Außenzahnradmaschine einen im Gehäuse aufgenommenen Lagerkörper, der mindestens eine Lagerbohrung zur drehbaren Lagerung einer mit dem ersten Zahnrad verbundenen Welle und/oder eines mit dem zweiten Zahnrad verbundenen Wellenzapfens aufweist. Erfindungsgemäß weisen das erste und das zweite Zahnrad jeweils mindestens 13, vorzugsweise mindestens 17, weiterhin vorzugsweise mindestens 19 Zähne auf.
-
In Außenzahnradmaschinen werden üblicherweise Triebwerke eingesetzt, deren Zahnräder eine Zähnezahl zwischen 10 und 12 aufweisen. Darüber hinaus werden Verzahnungsauslegungen gewählt, die in Verbindung mit einem vorgegebenen maximalen Kopfreisdurchmesser dazu führen, dass in der Regel nicht mehr als zwei bis drei Zähne in Dichtkontakt mit dem Gehäuse stehen. Wird - wie erfindungsgemäß vorgeschlagen - die Zähnezahl erhöht, können mehr Zähne dichtend in Eingriff mit dem Gehäuse gebracht werden. Das heißt, dass die Anzahl der Dichtstellen steigt und die der inneren Leckage entgegenwirkende Abdichtung verbessert wird.
-
Mit der Anzahl der Zähne nimmt auch die Anzahl der zwischen den Zähnen ausgebildeten Lücken bzw. Verdrängerkammern zu. Dies hat den Effekt, dass im Vergleich zu bekannten Ausführungsformen zusätzlich eine geringere Amplitudenhöhe der Förderstrom- bzw. Druckpulsation während des Betriebs der Außenzahnradmaschine erreicht wird.
-
Ferner wird eine aus dem Ein- und Auskämmen der Zahnräder resultierende günstigere Frequenzlage erreicht. Durch Überfahren von systemeigenen Frequenzen kann eine ungünstige Systemanregung vermieden werden, so dass es nicht zu einer unerwünschten Geräuschentwicklung kommt.
-
Die höhere Zähnezahl der Zahnräder führt darüber hinaus zu einem günstigeren Einlaufverhalten der Außenzahnradmaschine. Dies liegt darin begründet, dass sich mit jedem Zahn das abgenommene Spanvolumen verringert. Dadurch wird weniger Energie für den Einlaufvorgang benötigt.
-
Die Zähnezahl wird bevorzugt derart hoch gewählt, dass im Betrieb der Außenzahnradmaschine mindestens fünf Zähne eines Zahnrads über Kopfflächen in Dichtkontakt mit einer Innenkontur des Gehäuses stehen. Weiterhin bevorzugt haben beide Zahnräder jeweils mindestens fünf Zähne in dichtendem Eingriff mit dem Gehäuse. Das heißt, dass im Unterschied zu einer herkömmlichen Außenzahnradmaschine mit Zahnrädern, die nicht mehr als zwei oder drei Zähne in dichtendem Eingriff mit dem Gehäuse stehen haben, die wirksame Dichtfläche nahezu verdoppelt wird.
-
Des Weiteren bevorzugt ist die Anzahl der Zähne des ersten und/oder des zweiten Zahnrads ungerade. Die ungerade Zähnezahl ergibt eine günstigere Aufteilung bzw. Verteilung der Zähne, so dass mehr Zähne in dichtendem Eingriff mit dem Gehäuse stehen. Besonders bevorzugt ist die Zähnezahl eine Primzahl, das heißt eine Zahl, die durch keine Zahl außer sich selbst teilbar ist.
-
Vorteilhafterweise entspricht die Anzahl der Zähne des zweiten Zahnrads der Anzahl der Zähne des ersten Zahnrads, so dass beide Zahnräder gleich viele Zähne in dichtendem Eingriff mit dem Gehäuse haben. Somit sind auch die mechanischen Verluste bzw. der im Dichtkontakt mit dem Gehäuse auftretende Verschleiß gleich.
-
Um die radiale Abdichtung der Außenzahnradmaschine im Kontaktbereich der Zahnräder mit dem Gehäuse zu minimieren, wird ferner vorgeschlagen, dass zusätzlich zur Erhöhung der Anzahl der Zähne die Zahndicke der Zähne und damit die in Kontakt mit dem Gehäuse gelangende Dichtfläche vergrößert wird. Denn die Zahndicke der Zähne bestimmt die in Umfangsrichtung wirksame Dichtlänge der radialen Abdichtung. Andererseits sollte jedoch zur Vermeidung unerwünscht hoher mechanischer Verluste im Kontaktbereich die Zahndicke der Zähne so klein wie möglich gewählt werden. Zur Lösung dieses Zielkonflikts wird vorgeschlagen, dass die am Kopfkreis gemessene Zahndicke der Zähne zumindest eines Zahnrads, vorzugsweise beider Zahnräder, 0,4 mm bis 1,4 mm beträgt. Des Weiteren bevorzugt beträgt die am Kopfkreis gemessene Zahndicke 0,5 mm bis 0,9 mm.
-
In der bevorzugten Anwendung als Fluidpumpe in einem Abgaswärmerückgewinnungssystem bei Großdieselmotoren ist der zur Verfügung stehende Bauraum begrenzt. Das heißt, dass die Fluidpumpe bestimmte Abmessungen nicht überschreiten darf. Daher wird eine Außenzahnradmaschine mit zwei im Außeneingriff miteinander kämmenden Zahnrädern vorgeschlagen, von denen zumindest ein Zahnrad einen Kopfkreisdurchmesser aufweist, der 35 mm bis 45 mm, vorzugsweise 37 mm bis 39 mm, beträgt.
-
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Fußkreisdurchmesser zumindest eines Zahnrads der Außenzahnradmaschine 25 mm bis 35 mm, vorzugsweise 29 mm bis 31 mm beträgt.
-
Vorteilhafterweise sind das erste und das zweite Zahnrad gleich ausgeführt. Das heißt, dass nicht nur die Zähnezahl der beiden Zahnräder identisch ist, sondern beide Zahnräder identische Abmessungen aufweisen. Dadurch wird die Montage der Außenzahnradmaschine vereinfacht, da die Zahnräder nicht irrtümlicherweise vertauscht werden können.
-
Das darüber hinaus vorgeschlagene Abgaswärmerückgewinnungssystem zeichnet sich dadurch aus, dass es eine erfindungsgemäße Außenzahnradmaschine zum Fördern eines niedrigviskosen Arbeitsmediums, wie beispielsweise Ethanol, Cyclopentan und/oder eines Kältemittels, umfasst. Da die Viskosität des Arbeitsmediums sich direkt auf die innere Leckage der Außenzahnradmaschine auswirkt, und zwar in der Weise, dass mit sinkender Viskosität des Arbeitsmediums die Leckagemenge proportional steigt, kommen die Vorteile der erfindungsgemäßen Außenzahnradmaschine in der vorgeschlagenen Anwendung besonders gut zum Tragen.
-
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung eines Triebwerks einer erfindungsgemäßen Außenzahnradmaschine,
- 2 einen Querschnitt durch das Triebwerk der 1,
- 3 einen schematischen Querschnitt durch ein Gehäuse einer erfindungsgemäßen Außenzahnradmaschine mit eingesetztem Triebwerk.
-
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
-
Das in der 1 dargestellte Triebwerk einer erfindungsgemäßen Außenzahnradmaschine 1 umfasst ein erstes Zahnrad 2 und ein zweites Zahnrad 3, wobei das erste und das zweite Zahnrad 2, 3 im Außeneingriff miteinander kämmen. Das erste Zahnrad 2 ist drehfest mit einer Welle 7 verbunden, so dass dieses das treibende Zahnrad ist. Das zweite Zahnrad 3 ist demgegenüber auf einem Wellenzapfen 8 abgeordnet.
-
Wie insbesondere der 2 zu entnehmen ist, weisen beide Zahnräder 2, 3 jeweils 19 Zähne 9 auf. Die vergleichsweise hohe Zähnezahl führt zu einer verbesserten radialen Abdichtung zwischen den Zähnen 9 und einem Gehäuse 4, in dem die Zahnräder 2, 3 aufgenommen sind (siehe 3). Ferner weisen die Zähne 9 eine Zahndicke d auf, die dahingehend optimiert ist, dass einerseits eine große Dichtlänge über den Umfang eines Zahnrads 2, 3 erreicht wird, andererseits der mechanische Verlust im Dichtkontakt möglichst gering ist. Die Geometrie der Zähne 9 wird ferner durch den Kopfkreisdurchmesser DK und den Fußkreisdurchmesser DF der Zahnräder 2, 3 bestimmt.
-
Die 3 zeigt das Triebwerk der 1 und 2 mit dem Gehäuse 4. Die Zahnräder 2, 3 sind gemeinsam mit einem Lagerkörper 5 in einen Innenraum 12 des Gehäuses 4 eingesetzt, wobei der Innenraum 12 eine an die Zahnräder 2, 3 und den Lagerkörper 5 angepasste Innenkontur 11 besitzt. Der Lagerkörper 5 ist als Lagerbrille ausgeführt und weist zwei Lagerbohrungen 6 zur drehbaren Lagerung der Welle 7 und des Wellenzapfens 8 auf.
-
Im Betrieb der Außenzahnradmaschine 1 wird auf einer Druckseite 13 ein Betriebsdruck aufgebaut, der die Zahnräder 2, 3 und den Lagerkörper 5 in Richtung einer Saugseite 14 verlagert (siehe Pfeile 15 in der 3). Dies hat zur Folge, dass die Zähne 9 der Zahnräder 2, 3 über Kopfflächen 10 in Kontakt mit der Innenkontur 11 des Gehäuses 4 gelangen, wobei die Kontaktstellen zugleich Dichtstellen ausbilden. Aufgrund der hohen Zähnezahl der Zahnräder 2, 3, stehen immer mindestens fünf Zähne 9 eines Zahnrads 2, 3 in dichtendem Eingriff mit dem Gehäuse 4. Der Winkelbereich, über den ein entsprechender Dichtkontakt mit dem Gehäuse 4 herstellbar ist, ist in der 3 durch eine gestrichelte Linie 16 angedeutet. Mit steigender Zahl der in dichtendem Eingriff mit dem Gehäuse 4 stehenden Zähne 9 wird eine verbesserte radiale Abdichtung der Außenzahnradmaschine 1 erreicht. Die üblicherweise über einen Leckage-pfad 17 stattfindende Leckage kann somit minimal gehalten werden.
-
Die dargestellte Außenzahnradmaschine 1 eignet sich demnach insbesondere zum Fördern niedrigviskoser Medien, wie sie beispielsweise in Abgaswärmerückgewinnungssystemen als Arbeitsmedium eingesetzt werden.
