DE10217228C1 - Flügelzellenmaschine für ein dampf- oder gasförmiges Arbeitsmedium - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Flügelzellenmaschine für ein dampf- oder gasförmiges Arbeitsmedium. Die Flügelzellenmaschine enthält ein Gehäuse mit einer Gehäusebohrung (26), welche mit einem Hochdruckanschluß (38) und einem Niederdruckanschluß (36) in Verbindung steht und in axialer Richtung durch Stirnwandungen (52, 54) begrenzt ist. Ein Rotor (18) ist in dem Gehäuse um eine zu der Gehäusebohrung (26) in Richtung auf den Hochdruckanschluß (38) hin versetzte Rotorachse drehbar gelagert. Flügelschieber (32) sind in dem Rotor (18) in radial zu der Rotorachse verlaufenden Führungsschlitzen (30) verschiebbar geführt und an die Umfangswandung (28) der Gehäusebohrung (26) unter Bildung von Flügelzellen (34) anlegbar. Dabei nimmt das Volumen jeder dieser Flügelzellen (34) bei einem Umlauf des Rotors (18) von dem Hochdruckanschluß (38) aus auf einem vorlaufenden Winkelbereich von etwa 180 DEG bis zu einem dem Hochdruckanschluß (38) gegenüberliegenden Punkt zu und auf dem restlichen, rücklaufenden Winkelbereich von etwa 180 DEG wieder ab. Eine Flügelzellenmaschine dieser Art soll so ausgebildet werden, daß einerseits eine gute Abdichtung zwischen benachbarten Flügelzellen erreicht wird, aber andererseits Reibung und Verschleiß an den Flügelschiebern gering gehalten wird. Das wird dadurch erreicht, daß die Stirnwandungen (52, 54) der Gehäusebohrung (26) von Teilen (42, 44) des Rotors (18) gebildet sind, die gegen einen feststehenden, die Gehäusebohrung (26) mit der Umfangswandung (28) ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Flügelzellenmaschine für ein dampf oder gasförmiges Arbeitsmedium, enthaltend: ein Gehäuse mit einer Gehäusebohrung, welche mit einem Hochdruckanschluß und einem Niederdruckanschluß in Verbindung steht und in axialer Richtung durch Stirnwandungen begrenzt ist, einen Rotor, der in dem Gehäuse um eine zu der Gehäusebohrung in Richtung auf den Hochdruckanschluß hin versetzte Rotorachse drehbar gelagert ist, und Flügelschieber, welche in dem Rotor in radial zu der Rotorachse verlaufenden Führungsschlitzen verschiebbar geführt und an die Umfangswandung der Gehäusebohrung unter Bildung von Flügelzellen anlegbar sind, wobei das Volumen jeder dieser Flügelzellen bei einem Umlauf des Rotors von dem Hochdruckanschluß aus auf einem vorlaufenden Winkelbereich von etwa 180° bis zu einem dem Hochdruckanschluß gegenüberliegenden Punkt zu- und auf dem restlichen, rücklaufenden Winkelbereich von etwa 180° wieder abnimmt, bei welcher die Stirnwandungen der Gehäusebohrung von rotorfesten Teilen gebildet sind, die sich über die Stirnfläche eines feststehenden, die Gehäusebohrung mit der Umfangswandung aufweisenden Gehäusemittelteil erstrecken und durch in dem Gehäusemittelteil in Umfangsausnehmungen von rechteckigem Querschnitt geführte, an den Stirnwandungen anliegende Dichtringe von rechteckigem Querschnitt gegen den Gehäusemittelteil abgedichtet sind.

Eine solche Flügelzellenmaschine kann beispielsweise als dampfbetriebener Rotationskolbenmotor eingesetzt werden. Über den Hochdruckanschluß wird dann Dampf unter Druck in die Flügelzellen eingeleitet. Beim Umlauf des Rotors vergrößert sich das Volumen jeder Flügelzelle über 180° ausgehend von dem Hochdruckanschluß. Der in die Flügelzelle eingeleitete Dampf wird dabei unter Arbeitsleistung entspannt. Entspannter Dampf tritt an dem Niederdruckanschluß aus. Eine solche mit Dampf oder einem anderen dampf oder gasförmigen Arbeitsmedium betriebene Flügelzellenmaschine arbeitet ohne flüssiges Schmiermittel.

Bei bekannten Flügelzellenmaschinen werden die Stirnwandungen der Gehäusebohrung von gehäusefesten Teilen gebildet. Die Flügelschieber laufen relativ zu diesen gehäusefesten Stirnwandungen um. Dabei ist eine Abdichtung zwischen den umlaufenden Flügelschiebern und den gehäusefesten Stirnwandungen erforderlich. Das bietet Schwierigkeiten. Wenn die Seitenkanten der Flügelschieber an den Stirnwandungen dicht anliegen, treten wegen der Relativbewegung quer zur Ebene der Flügelschieber Reibungsverluste auf. Das beeinträchtigt den Wirkungsgrad der Flügelzellenmaschine. Außerdem werden die Flügelschieber stark beansprucht. Die freie Radialbeweglichkeit der Flügelschieber kann beeinträchtigt werden. Liegen die Seitenkanten der Flügelschieber nicht dicht an, erfolgt ein Druckausgleich zwischen benachbarten Flügelzellen, was ebenfalls den Wirkungsgrad beeinträchtigt.

Die DD 52 030 beschreibt eine stirnseitige Abdichtung für Zellenverdichter. Dabei sind an die Stirnflächen des Rotors Dichtscheiben angeschraubt, welche gleichzeitig die Stirnwandungen der Gehäusebohrung bildet, in welcher durch die Flügelschieber Flügelzellen gebildet sind. Diese Dichtscheiben erstrecken sich über einen, die Gehäusebohrung bildenden Gehäusemittelteil. In den Stirnflächen des Gehäusemittelteils sind Ringnuten gebildet. In den Ringnuten sind Dichtringe geführt. Die Dichtringe liegen unter dem Einfluß von Federn an den Innenseiten der Dichtscheiben an. Eine Ringdichtung ist zwischen der inneren Seitenwand der Ringnut und der Innenwand des Dichtringes vorgesehen.

Eine solche Konstruktion ist kompliziert. Der Dichtring muß ringsherum gleichmäßig durch Schraubenfedern belastet werden. Die Andruckkraft ist dabei unabhängig von dem in den Flügelzellen wirkenden Arbeitsdruck. Die Andruckkraft muß daher für den maximal zu erwartenden Arbeitsdruck ausgelegt werden, was bei niedrigeren Arbeitsdrücken den Wirkungsgrad unnötig verschlechtert. Außerdem ist eine gesonderte Ringdichtung zwischen dem Dichtring und der Ringnut erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flügelzellenmaschine der eingangs genannten Art konstruktiv zu vereinfachen, wobei einerseits eine gute Abdichtung zwischen benachbarten Flügelzellen erreicht und andererseits Reibung und Verschleiß an den Flügelschiebern gering gehalten werden soll.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgaben dadurch gelöst, daß

• a) der Gehäusemittelteil ein hohlzylindrischer Körper ist, der in einer äußeren Gehäusebohrung eines Außengehäuses sitzt und an seinen axial und radial äußeren Kanten Umfangsausnehmungen von rechteckigem Querschnitt aufweist,
• b) die Dichtringe je einen Stoßspalt aufweisen und
• c) die Umfangsausnehmungen auf der axial inneren Seite des jeweiligen Dichtringes mit einer druckführenden Flügelzelle der Flügelzellenmaschine verbunden sind.

Bei der Erfindung ist der Gehäusemittelteil ein hohlzylindrischer Körper, der in einer äußeren Gehäusebohrung eines Außengehäuses sitzt. Die Teile des Rotors, welche die Stirnwandungen bilden, erstrecken sich zu beiden Seiten des Gehäusemittelteils über die Stirnseiten des Gehäusemittelteils. Zwischen dem Gehäusemittelteil und den Stirnwandungen an den axial und radial äußeren Kanten des Gehäusemittelteils sind Dichtungen vorgesehen. Zu diesem Zweck weist der Gehäusemittelteil an den axial und radial äußeren Kanten Umfangsausnehmungen von rechteckigem Querschnitt auf. Die Dichtungen sind von Dichtringen von rechteckigem Querschnitt gebildet, welche in den Umfangsausnehmungen geführt sind. Die Umfangsausnehmungen sind auf der axial inneren Seite des jeweiligen Dichtringes mit einer druckführenden Zelle der Flügelzellenmaschine verbunden. Bei einer solchen Anordnung wird der Dichtring zur Abdichtung zwischen den umlaufenden Rotorteilen und dem Gehäusemittelteil in Axialrichtung durch Druck von Arbeitsmittel gegen die umlaufenden Rotorteile gedrückt. Das hat den Vorteil, daß die Andruckkraft des Dichtringes von Druck des Arbeitsmittels bestimmt wird. Dieser Druck wirkt gleichmäßig über den gesamten Umfang. Wenn der Eingangsdruck des Arbeitsmittels relativ gering ist, kann auch die Andruckkraft geringer gehalten und trotzdem eine sichere Abdichtung erzielt werden. Ist der Eingangsdruck des Arbeitsmittels hoch, wird die Andruckkraft entsprechend erhöht. Damit wird die Reibung auf einem gerade notwendigen Minimum gehalten.

Die Umfangsausnehmungen können von Druck des schon teilweise expandierten Arbeitsmediums beaufschlagt sein. Dann wirkt in den Umfangsausnehmungen nicht der volle Hochdruck des Arbeitsmittels am Hochdruckanschluß sondern ein "Mitteldruck" der aber vom Eingangsdruck abhängt. Die Dichtringe weisen je einen Stoßspalt auf. Der Druck des Arbeitsmittels wirkt dann auch in dem Stoßspalt und sucht den Dichtring in Umfangsrichtung auseinander zu drücken. Damit legt sich der äußere Umfang des Dichtringes auch dichtend an die Innenwandung der Gehäusebohrung des Außengehäuses an. Es ergibt sich durch einen Dichtring eine axiale und radiale Dichtung.

Vorzugsweise ist der Stoßspalt jeweils in einem dem Hochdruckanschluß diametral gegenüberliegenden Winkelbereich angeordnet. Der Gehäusemittelteil weist im vorlaufenden Winkelbereich eine Radialbohrung auf, die mit einer bogenförmigen Umfangsausnehmung des Außengehäuses in Verbindung steht, wobei sich die Umfangsausnehmung bis zu dem besagten dem Hochdruckanschluß diametral gegenüberliegenden Winkelbereich erstreckt. Die Umfangsausnehmung steht in diesem Winkelbereich über axiale Ausnehmungen mit den Umfangsausnehmungen des Gehäusemittelteils in Verbindung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine perspektivische, teilweise geschnittene Darstellung einer Flügelzellenmaschine.

Fig. 2 zeigt in vergrößertem Maßstab eine Einzelheit X von Fig. 1.

Fig. 3 zeigt die Einzelheit X in einem Querschnitt.

Fig. 4 zeigt die Einzelheit in einem Längsschnitt.

Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt der Flügelzellenmaschine.

Fig. 6 zeigt einen Dichtring bei der Flügelzellenmaschine von Fig. 1.

In Fig. 1 ist mit 10 ein Außengehäuse bezeichnet. Das Außengehäuse 10 besteht aus Endteilen 12 und 14 und einem ringförmigen Zwischenstück 16. In den Endteilen 12 und 14 ist ein Rotor 18 zentral zu den Endteilen gelagert. Das Zwischensück 16 weist eine äußere Gehäusebohrung 22 auf. Die Gehäusebohrung 22 sitzt exzentrisch zu der Achse des Rotors 18. Die Achse der äußeren Gehäusebohrung 22 ist gegenüber der Achse des Rotors 18 nach unten in Fig. 1 versetzt.

In der äußeren Gehäusebohrung 22 sitzt ein ringförmiger Gehäusemittelteil 24. Der Gehäusemittelteil 24 weist eine Gehäusebohrung 26 auf, deren Innenwandung 28 exzentrisch zu der Achse des Rotors 18 ist.

Der Rotor 18 weist radiale Führungsschlitze 30 auf. In den Führungsschlitzen 30 sind Flügelschieber 32 radial verschiebbar geführt. Die Flügelschieber 32 werden durch radiale Kräfte an die Innenwandung 28 der Gehäusebohrung 26 angedrückt. Dabei werden Flügelzellen 34 gebildet. Der Rotor 18 liegt in einem Bereich oben in Fig. 1 nahezu an der Innenwandung 28 der Gehäusebohrung 26 an. Dort sind die Flügelschieber 32 fast vollständig in die Führungsschlitze 30 eingeschoben. Dort mündet ein Hochdruckanschluß 38 in die Gehäusebohrung 26. Das Volumen jeder dieser Flügelzellen 34 nimmt bei einem Umlauf des Rotors von dem Hochdruckanschluß 38 aus auf einem vorlaufenden Winkelbereich von etwa 180° (links in Fig. 1) bis zu einem dem Hochdruckanschluß 38 gegenüberliegenden Punkt (unten in Fig. 1) zu- und auf dem restlichen, rücklaufenden Winkelbereich von etwa 180° (rechts in Fig. 1) wieder ab. Ein in Fig. 1 nicht sichtbarer Auslaßkanal im rücklaufenden Winkelbereich ist mit einem Niederdruckanschluß 36 verbunden.

Ein expandierbares (dampf oder gasförmiges) Arbeitsmedium tritt über den Hochdruckanschluß 38 in die jeweils obere Flügelzelle 34 ein. Das Volumen der Flügelzellen 34 wird vergrößert, wenn sich die Flügelzellen in dem "vorlaufenden" Winkelbereich links in Fig. 1 von oben nach unten bewegen. Bei dieser Voumenvergrößerung expandiert das Arbeitsmedium unter Abgabe von Arbeit. In dem "rücklaufenden" Winkelbereich bei der Bewegung von unten nach oben rechts in Fig. 1 sind die Flügelzellen auf dem größten Teil des Weges mit dem Nierdruckanschluß verbunden.

Das ist die normale Funktion einer als Rotationskolbenmaschine arbeitenden Flügelzellenmaschine. Eine solche Flügelzellenmaschine kann natürlich auch in ähnlicher Weise als Kompressor arbeiten.

Im vorliegenden Fall weist der Rotor 18 einen Rotormittelteil 40 von zylindrischer Grundform und zwei Flanschteile 42 und 44 auf. Die Flanschteile 42 und 44 sind an fluchtenden Wellenenden 46 bzw. 48 der Welle 20 angeformt, wie aus Fig. 5 am besten ersichtlich ist. Die Flanschteile 42 und 44 und der Rotormittelteil 40 sind durch einen Ausrichtbolzen 50 miteinander verbunden. Der Rotormittelteil 40 weist die radialen Führungsschlitze 30 (Fig. 1) auf, in denen die Flügelschieber 32 geführt sind. Die Flanschteile 42 und 44 erstrecken sich zu beiden Seiten des Rotormittelteils 40 und des Gehäusemittelteils 24 über die Stirnflächen des Gehäusemittelteils 24 hinaus. Wegen der zu dem Rotor 18 exzentrischen Anordnung des Gehäusemittelteils 24 erstrecken sich die Flanschteile 42 und 44 im unteren Teil von Fig. 1 und 5 nur wenig über die Mantelfläche des Gehäusemittelteils 24 hinaus, während sie im oberen Teil von Fig. 1 und 5, d. h. im Bereich des Hochdruckanschlusses 38 relativ weit über die Mantelfläche des Gehäusemittelteils 24 vorstehen. Die Flanschteile 42 und 44 liegen fest an den Stirnflächen des Rotormittelteils 40 an und laufen mit diesen um. Die Flanschteile 42 und 44 bilden mit den Stirnflächen des Gehäusemittelteils 24 ohne dichte Anlage einen engen Spalt. Die Flügelschieber 32 erstrecken sich axial zwischen den Flanschteilen 42 und 44. Da die Flanschteile 42 und 44 mit dem Rotormittelteil 40 und damit auch mit den Flügelschiebern 32 umlaufen, ergibt sich keine Relativbewegung in Umfangsrichtung zwischen den Flügelschiebern 32 und den von den Flanschteilen 42 und 44 gebildeten Stirnflächen 52 und 54 der Gehäusebohrung 26. Damit wirken auf die Flügelschieber 32 keine Reibungskräfte quer zu ihren Ebenen.

Eine Abdichtung relativ zueinander rotierender Bauteile erfolgt an dem engen Spalt zwischen dem Gehäusemittelteil 24 und den umlaufenden Flanschteilen 42 und 44 des Rotors 18. Der Gehäusemittelteil 24 weist Umfangsausnehmungen 56 und 58 von rechteckigem Querschnitt an seinen axial und radial äußeren Kanten auf, wie am besten aus Fig. 4 und 5 ersichtlich ist. In den Umfangsausnehmungen 56 und 58 sitzen Dichtringe 60 bzw. 62. Die Dichtringe 60 und 62 haben rechteckigen Querschnitt und sind zwischen den Umfangsausnehmungen 56 und 58 und der Innenfläche der äußeren Gehäusebohrung 22 axial verschiebbar geführt. Jeder Dichtring 60 und 62 weist einen Stoßspalt 64 auf, wie in Fig. 6 dargestellt ist. Der Stoßspalt 64 sitzt in dem in Fig. 1 unteren Teil der jeweiligen Umfangsausnehmung 56 bzw. 58 diametral gegenüber dem Hochdruckanschluß 38 und im Bereich maximalen Volumens der Flügelzellen 34.

In der Innenfläche des Zwischenstücks 16 ist eine Umfangsnut 66 gebildet. Die Umfangsnut 66 ist über eine radiale Bohrung 68 (Fig. 2 und 3) in einem Punkt des "vorlaufenden" Winkelbereichs mit der Gehäusebohrung 26 verbunden. In diesem Punkt hat sich das Volumen der vorbeilaufenden Flügelzellen schon so vergrößert, daß eine Expansion des zugeführten Dampfes oder Gases erfolgt und der Druck etwas gegenüber dem zugeführten Hochdruck abgesunken ist. Die Umfangsnut 66 ist durch den Gehäusemittelteil 24 abgedeckt. In dem in Fig. 1 unteren Bereich mündet die Umfangsnut 66 in einen in Axialrichtung verlaufenden Kanal 70. Der Kanal 70 ist von einer Nut in der Außenfläche des Gehäusemittelteils 24 ausgebildet, die durch das Zwischenstück 16 abgedeckt ist. Der Kanal 70 ist mit den Umfangsausnehmungen 56 und 58 verbunden. Auf diese Weise sind die Dichtringe 60 und 62 auf ihren inneren Stirnseiten von einem mittleren Druck des Arbeitsmediums beaufschlagt. Die Dichtringe werden durch diesen Druck an die umlaufenden Flanschteile 42 und 44 des Rotors 18 angedrückt. Dadurch wird der Spalt zwischen dem Gehäusemittelteil 24 und den Flanschteilen 42 und 44 des Rotors 18 abgedichtet. Der Druck wirkt auch in dem Stoßspalt 64. Dadurch wird der Dichtring 60 (bzw. 62) aufgeweitet und legt sich an die Innenfläche des Zwischenstücks 16 des Außengehäuses 10 an. Damit wird auch eine Abdichtung zwischen dem Rotor 18 und dem Außengehäuse 10 erzielt.

Claims (3)

1. Flügelzellenmaschine für ein dampf oder gasförmiges Arbeitsmedium, enthaltend: ein Gehäuse mit einer Gehäusebohrung (26), welche mit einem Hochdruckanschluß (38) und einem Niederdruckanschluß (36) in Verbindung steht und in axialer Richtung durch Stirnwandungen (52, 54) begrenzt ist, einen Rotor (18), der in dem Gehäuse um eine zu der Gehäusebohrung (26) in Richtung auf den Hochdruckanschluß (38) hin versetzte Rotorachse drehbar gelagert ist, und Flügelschieber (32), welche in dem Rotor (18) in radial zu der Rotorachse verlaufenden Führungsschlitzen (30) verschiebbar geführt und an die Umfangswandung (28) der Gehäusebohrung (26) unter Bildung von Flügelzellen (34) anlegbar sind, wobei das Volumen jeder dieser Flügelzellen (34) bei einem Umlauf des Rotors (18) von dem Hochdruckanschluß (38) aus auf einem vorlaufenden Winkelbereich von etwa 180° bis zu einem dem Hochdruckanschluß (38) gegenüberliegenden Punkt zu- und auf dem restlichen, rücklaufenden Winkelbereich von etwa 180° wieder abnimmt, bei welcher die Stirnwandungen (52, 54) der Gehäusebohrung (26) von Teilen (42, 44) des Rotors (18) gebildet sind, die sich über die Stirnflächen eines feststehenden, die Gehäusebohrung (26) mit der Umfangswandung (28) aufweisenden Gehäusemittelteil (24) erstrecken und durch in dem Gehäusemittelteil (24) in Umfangsausnehmungen (56, 58) von rechteckigem Querschnitt geführte, an den Stirnwandungen (52, 54) anliegende Dichtringe (60, 62) von rechteckigem Querschnitt gegen den Gehäusemittelteil (24) abgedichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) der Gehäusemittelteil (24) ein hohlzylindrischer Körper ist, der in einer äußeren Gehäusebohrung (22) eines Außengehäuses (10) sitzt und an seinen axial und radial äußeren Kanten die Umfangsausnehmungen (56, 58) von rechteckigem Querschnitt aufweist,
• b) die Dichtringe (60, 62) je einen Stoßspalt (64) aufweisen und
• c) die Umfangsausnehmungen (56, 58) auf der axial inneren Seite des jeweiligen Dichtringes (60, 62) mit einer druckführenden Flügelzelle (34) der Flügelzellenmaschine verbunden sind.

2. Flügelzellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsausnehmungen (56, 58) vom, Druck des schon teilweise expandierten Arbeitsmediums beaufschlagt sind

3. Flügelzellenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) der Stoßspalt (64) jeweils in einem dem Hochdruckanschluß (38) diametral gegenüberliegenden Winkelbereich angeordnet ist,
• b) der Gehäusemittelteil (24) im vorlaufenden Winkelbereich eine Radialbohrung (68) aufweist, die mit einer bogenförmigen Umfangsausnehmung (66) des Außengehäuses (10) in Verbindung steht, wobei sich die Umfangsausnehmung (66) bis zu dem Hochdruckanschluß (38) diametral gegenüberliegenden Winkelbereich erstreckt und die Umfangsausnehmung (66) in diesem Winkelbereich über axiale Kanäle (70) mit den Umfangsausnehmungen (56, 58) des Gehäusemittelteils (24) in Verbindung steht.