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Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehkolbenmaschine für Flüssigkeiten,
die als Pumpe oder als Motor ausgebildet sein kann, mit einem zylindrischen Rotor,
der mit in Rotorschlitzen radial beweglichen, voneinander unabhängigen Arbeitsschiebern
versehen ist, die mit ihrem radial äußeren Ende die Innenumfangswand oder Führungsbahn
eines den Rotor umgebenden Gehäuseteils gleitend berühren, wobei zwischen der Führungsbahn
und dem Rotorumfang ein oder mehrere Arbeitsräume gebildet sind, die von den Arbeitsschiebern
in sich verengende und erweiternde Verdrängerzellen unterteilt werden, wobei ferner
an den radial inneren Unterseiten der Arbeitsschieber verbleibende Endkammern zwecks
teilweisen Ausgleichs der an den radial inneren und äußeren Enden der Arbeitsschieber
wirksamen Druckkräfte über entsprechende Verbindungswege jeweils mit einem Arbeitsraumbereich
an dem betreffenden Arbeitsschieber in Verbindung stehen.
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Bei einer bekannten Drehkolbenpumpe dieser Art mit nur einem Arbeitsraum
zwischen Rotor und Stator werden die erwähnten Endkammern über schräg zu den Schieberschlitzen
im Rotor liegende Kanäle jeweils mit der Verdrängerzelle hinter dem zugehörigen
Arbeitsschieber verbunden. Der in den Endkammern wirksame Flüssigkeitsdruck unterstützt
die beim Umlauf des Rotors entwickelte Zentrifugalkraft, um die Arbeitsschieber
gegen die Führungsbahn des Stators zu drängen. Dabei entsteht zwar auch ein gewisser
Ausgleich der auf die radial inneren und radial äußeren Enden der Arbeitsschieber
wirkenden Flüssigkeitsdrücke. Dieser Ausgleich geht aber mit zunehmender Drehzahl
des Rotors mehr und mehr verloren, wodurch nicht nur der volumetrische Wirkungsgrad
der Maschine verschlechtert wird, sondern in gleicher Weise auch die Leitung der
Maschine. Diese Erscheinung beruht darauf, daß bei zunehmender Drehzahl der Maschine,
die die Arbeitsschieber gegen die Führungsbahn drängende Zentrifugalkraft zwar größer
wird, daß aber gleichzeitig die Differenz der auf die radialen Enden der Arbeitsschieber
einwirkenden Flüssigkeitsdrücke wächst, und zwar in dem Sinne, daß diese Druckdifferenz
die Arbeitsschieber von der Führungsbahn zu trennen strebt. Außerdem wird bei zunehmender
Drehzahl des Rotors auch die Druckdifferenz, die erforderlich ist, um mittels der
Arbeitsschieber die Flüssigkeit aus den Verdrängerzellen der Arbeitsräume in den
Auslaß zu befördern, größer und kann ein solches Ausmaß annehmen, daß die Arbeitsschieber
unter den Einfluß einer radial einwärts gerichteten Kraft geraten und sich von der
Führungsbahn wegbewegen.
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Mit der gleichen störenden Erscheinung ist auch zu rechnen, wenn,
wie schon mehrfach durchgeführt, die Rotorschlitzkammern an den Unterseiten der
Arbeitsschieber ständig mit der Druckseite der Maschine in Verbindung stehen. Hinzu
kommt dann noch, daß die Arbeitsschieber unnötig mit übermäßiger Kraft gegen die
Führungsbahn des Gehäuses gedrückt werden, wenn sie die Niederdruck- bzw. Ansaugbereiche
des Arbeitsraumes durchlaufen.
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Ferner sind auch Drehkolbenmaschinen mit in Schlitzen des Rotors radial
beweglichen Arbeitsschiebern bekannt, bei denen die Schlitzkammern unterhalb der
Arbeitsschieber zu Arbeitsraumbereichen um die Schieber entlastet sind, aber an
den Arbeitsschiebern noch zusätzliche, radial zur Rotordrehachse gerichtete, in
entsprechenden Bohrungen des Rotors gleitende, kleine Kolben vorgesehen sind. Bei
einer als Pumpe oder Verdichter verwendbaren Maschine dieser Art wird die innere
Stirnfläche dieser Kolben immer dann mit Druckflüssigkeit beaufschlagt, wenn der
zugehörige Arbeitsschieber einen Förderraumbereich durchläuft, in dem er besonders
dichtend an der Innenwand dieses Raumes anliegen soll. Bei einer als Brennkraftmaschine
gedachten bekannten Drehkolbenmaschine sind die zusätzlichen Kolben, je zwei pro
Schieber, teils innerhalb, teils unterhalb der Arbeitsschieber angeordnet, und die
Zylinderräume unterhalb der Kolbenstirnfiächen sind ständig mit einer im übrigen
auch zur Schmierung verwendeten Flüssigkeit unter einem bestimmten höheren Druck
gefüllt, so daß die Arbeitsschieber ständig mit einer bestimmten zusätzlichen Druckkraft
gegen die Innenwand des Statorhohlraumes gedrückt werden. Dabei ist jedoch eine
komplizierte Bauart mit hohl ausgebildeten Arbeitsschiebern und in diese Hohlräume
eingreifenden, zum Rotor gehörigen Füllstücke gewählt, in denen die Zylinder für
die zusätzlichen kleinen Kolben ausgebohrt sind. Wenn die zusätzlichen Kolben einfach
an die Unterseiten der Arbeitsschieber anschließend angebracht sind, so ergibt dies
eine große radiale Baulänge für Schieber, Kolben und dazugehörige Bohrung im Rotor
und erzwingt einen Rotor mit verhältnismäßig großem Durchmesser und dadurch auch
einen im Verhältnis zu den Arbeitsräumen sehr großen Gehäusequerschnitt.
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Die Erfindung will die weiter oben erwähnten, auf betriebsmäßig auftretenden
Druckdifferenzen beruhenden störenden Einflüsse auf die Arbeitsschieber ausschalten
und den für das ordnungsgemäße Arbeiten der Maschine erforderlichen Kontakt zwischen
der Führungsbahn und den radial äußeren Enden der Arbeitsschieber sicherstellen,
ohne Konstruktionen mit komplizierten zusätzlichen Bauteilen oder solchen, durch
die die Baugröße und das Gewicht der Maschine erheblich erhöht werden, zu wählen.
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Hierzu wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß bei einer Maschine
der eingangs erwähnten Art jeder Arbeitsschieber mit einer radial nach innen gerichteten,
als Kolbenfläche wirkenden Abstufung und jeder Rotorschlitz mit einer nach außen
gerichteten Abstufung versehen sind, wobei jedes Paar sich entsprechender Abstufungen
eine radial zwischen der Endkammer und der Rotorumfangsfläche gelegene Stufenkammer
bildet, und daß die Endkammern in an sich bekannter Weise über Kanäle im Rotor jeweils
mit der Verdrängerzelle hinter dem zugehörigen Arbeitsschieber und die Stufenkammern
fast ständig mit der Druckseite der Maschine über bogenförmige Nuten in den den
Rotorseitenflächen zugekehrten Gehäusestirnflächen und weitere Verbindungskanäle
verbunden sind.
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Hauptsächlich wird dabei daran gedacht, daß die Abstufung der Arbeitsschieber
durch eine Verringerung der Plattenstärke und die Abstufung der Rotorschlitze durch
eine Verringerung der Schlitzweite gebildet sind. Besonders zweckmäßig ist es, wenn
die Stufenkammern auf der in Rotordrehrichtung vorderen Seite der Arbeitsschieber
angeordnet sind.
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An sich ist auch schon eine Drehkolbenpumpe mit zwei sichelförmigen
Arbeitsräumen zwischen Stator und Rotor bekannt, bei der letzterer schräg liegende
Schlitze aufweist, die durch Verringerung der Schlitzweite
abgestuft
sind und in denen Arbeitsschieber gleiten, die durch Verringerung der Plattenstärke
mit einer nach innen gerichteten Abstufung versehen sind. Die dabei entstehenden
Stufenkammern, welche auf der in Rotordrehrichtung hinteren Seite der Arbeitsschieber
angeordnet sind, stehen über flache Radialnuten an den Arbeitsschiebern mit dem
Förderraum in Verbindung und wirken nur in beschränktem Maße als Druckkammern, wenn
die Arbeitsschieber die Bereiche der Pumpe durchlaufen, in denen sie wieder in die
Rotorschlitze hineingerückt werden. Auf der anderen Seite können dann diese Kammern
durch Unterdruckbildung ein rasches Herausgleiten der Schieber aus den Rotorschlitzen
verhindern. Die Schlitzräume an den Unterseiten je zweier um etwa 90° gegeneinander
versetzter Arbeitsschieber sind durch weite Kanäle miteinander verbunden, um dabei
bei beiden einander zugeordneten Schiebern einen teilweisen Druckausgleich zwischen
deren äußeren und inneren Endflächen zu erreichen. Dazu sind auch noch flache Radialnuten
in der radial gerichteten Fläche der Arbeitsschieber auf der nicht abgestuften Seite
vorgesehen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß bei
einer Maschine mit zwei einander diametral gegenüberliegenden Arbeitsräumen zwischen
Rotor und Stator zu jedem der Arbeitsräume ein Bereich sich erweiternder Verdrängerzellen
und ein Bereich sich verengender Verdrängerzellen gehören, und daß an jeder der
den Rotorseitenflächen zugekehrten Gehäusestirnflächen konzentrisch zum Rotor und
mit gleichem Krümmungsdurchmesser vier Bogennuten angeordnet sind, welche beim Umlauf
des Rotors nacheinander mit denjenigen Stufenkammern an den Arbeitsschiebern zur
Überdeckung kommen, die mit der Druckseite der Maschine verbunden sind und jeweils
einen Bereich sich erweiternder oder einen Bereich sich verengender Verdrängerzellen
zugeordnet sind, wobei der Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Bogennuten dem
Teilungsabstand zwischen zwei Arbeitsschiebern entspricht.
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Weitere Merkmale der Erfindung sind noch in den Unteransprüchen angegeben.
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Im folgenden wird eine Drehkolbenmaschine mit den Merkmalen nach der
Erfindung an einem Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigt
F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Drehkolbenpumpe nach der Linie 1-1 der F
i g. 2, F i g. 2 einen Querschnitt nach der Linie 2-2 der F i g. 1, F i g. 3 eine
Schnittdarstellung gemäß der Linie 3-3 der F i g. 1, F i g. 4 einen Ausschnitt aus
der F i g. 2 in größerer Darstellung.
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In F i g. 1 ist eine Drehkolbenpumpe dargestellt, die allgemein mit
10 bezeichnet ist. Das Gehäuse der Pumpe besteht aus einem Statorring 12,
der zwischen einem Gehäuseteil 14 mit Verschleißplatte 16 und einem Deckelteil
18 liegt; alle diese Teile sind mittels Bolzen 20 miteinander verspannt.
Der Gehäuseteil 14 ist mit einer Zuführungs- bzw. Einlaßanschlußöffnung 22
versehen, an welche sich der Einlaßkanal 24 anschließt. Der Einlaßkanal 24
führt mit entsprechenden Verzweigungen zu zwei einander diametral gegenüberliegenden
bogenförmigen Durchtrittsöffnungen 26 und 27 der Verschleißplatte
16.
Die Öffnungen 26 und 27 sind in F i g. 2 gestrichelt eingezeichnet. In
F i g. 1 ist nur eine davon dargestellt.
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In dem Deckelteil 18 ist eine Auslaßanschlußöffnung
28 vorgesehen, welche unmittelbar von der Druckkammer 30 ausgeht,
die aus einem Hohlraum 32 des Deckelteils 18 besteht, wobei in der
Bohrung 32 eine Druckplatte 34 angeordnet ist. Die Druckplatte 34
und die Verschleißplatte 16 sind beide mit ebenen Seitenflächen 36 bzw.
38 ausgebildet, welche an den entgegengesetzten ebenen Flächen
40 und 42
des Statorrings 12 anliegen und einen flüssigkeitsdichten
Abschluß für die unmittelbar angrenzenden Flächen eines Rotors 44 bilden,
der innerhalb des Nockenrings 12 untergebracht ist. Die Druckplatte
34 ist so angebracht, daß sie unter dem Einfluß des Druckes in der Druckkammer
30 gegen einen Teil der Fläche 40 des Statorrings 12 gedrückt und
in flüssigkeitsdichter Anlage am Rotor 44 gehalten wird. Solange der Rotor
44 nicht umläuft, übt eine Feder 35 einen Druck auf die Druckplatte in Richtung
des Rotors aus. Nach Anlauf des Rotors 44 wird die Feder 35 durch
den Druck in der Druckkammer 30
unterstützt.
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Der Rotor 44 wird mittels einer Welle 46 angetrieben,
welche bei 47 abgedichtet ist und außerhalb des Gehäuseteils 14 für den Anschluß
an eine nicht dargestellte Antriebsmaschine eingerichtet ist. Die Welle
46 ist mittels Nut und Feder mit dem Rotor 44
bei 48 drehfest
verbunden und ruht in den Wälzlagern 50 und 52, die in dem Gehäuseteil
14 vorgesehen sind. Mittels der O-Ringdichtungen 54 und 56 wird ein Flüssigkeitsdurchtritt
an der Stoßfuge zwischen dem Deckelteil 18 und der Verschleißplatte 16 einerseits
und dem Statorring 12 andererseits verhindert; eine entsprechende O-Ringdichtung
58 ist an der Stoßfuge zwischen dem Gehäuseteil 14 und der Verschleißplatte
16 vorgesehen.
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Die Innenseite des Stator- bzw. Nockenrings 12 bildet eine im wesentlichen
ellipsenförmige Führungsbahn 60, an welcher die Arbeitsschieber
64 mit ihren radial äußeren Enden 62 anliegen; im übrigen sitzen die
Arbeitsschieber radial gleitfähig in Schlitzen 66
des Rotors 44. Die
Führungsbahn 60 und die Außenfläche des Rotors 44 begrenzen zwei diametral
gegenüberliegende Arbeitsräume 68 und 70, welche von den Arbeitsschiebern
64 in sich erweiternde und verengende Verdrängerzellen unterteilt sind. Die
sich erweiternden Zellen werden von den Teilen der Arbeitsräume 68 und 70 gebildet,
welche sich mit den diametral angeordneten Einlaßöffnungen 26 und 27 der
Verschleißplatte 16 decken. Die sich verengenden Zellen werden von den Teilen
der Arbeitsräume 68 und 70 gebildet, welche sich mit den diametral
angeordneten bogenförmigen Flüssigkeitsauslaßöffnungen 72 und 74 in
der Druckplatte 34
decken; die Öffnungen 72 und 74 sind über
die anschließenden Durchgangskanäle 75 mit der Druckkammer 30 verbunden.
In F i g. 1 ist einer der Kanäle 75 gezeigt.
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Die Führungsbahn 60 besteht aus einem den sich erweiternden Zellen
entsprechenden Bereich a-b, einem Zwischenbereich b-c, einem den sich verengenden
Zellen entsprechenden Bereich c-d und einem weiteren Zwischenbereich d-e. Die erwähnten
Bereiche von Punkt a bis Punkt e sind doppelt vorhanden. Wenn die Arbeitsschieber
64 die Bereiche a-b durchlaufen, so gleiten sie aus dem Rotor 44
heraus.
In den Bereichen c-d werden sie in die Rotorschlitze 66 zurückgeschoben. In den
Zwischenbereichen findet keine radiale Bewegung der Arbeitsschieber im Rotor statt.
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Die radial inneren Enden der für die Arbeitsschieber 64 vorgesehenen
Schlitze 66 sind durch Rotorlängsbohrungen erweitert und bilden mit den radial innen
liegenden Enden 77 der Arbeitsschieber kleine Endkammern 78, welche beim Umlauf
des Rotors eine zyklische Verengung und Erweiterung erfahren. Jeder Schlitz 66 ist
außerdem mit einer radial nach außen gerichteten Abstufung 80 versehen, welche mit
einer entsprechenden radial nach innen gerichteten Abstufung 82 des zugehörigen
Arbeitsschiebers eine Stufenkammer 84 bildet, welche ebenfalls eine zyklische Verengung
und Erweiterung erfährt, wenn der Rotor umläuft.
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Bei der dargestellten Maschine besteht eine meistens offene Verbindung
zwischen der Hochdruckseite und den Stufenkammern 84. Die offene Verbindung wird
mittels einander diametral gegenüberliegender Bogennuten 86 und 88 geschaffen, die
in der Druckplatte 34 und auch in der Verschleißplatte 16 vorgesehen sind. Die Bogennuten
86 liegen in dem Bereich der sich erweiternden Zellen und sind mit der Druckkammer
30 über vergleichsweise weite Bohrungen 90 der Druckplatte 34 verbunden;
die Bogennuten 88 liegen im Bereich der sich verengenden Zellen und sind mittels
der schräg verlaufenden engen Bohrungen 92 der Druckplatte 34 mit den Durchgangskanälen
75 verbunden, welche zu der Druckkammer 30 führen. Die Druckkammer 30 bildet daher
bezüglich der Auslaßkanäle 72 und 74 sowie der Durchgangskanäle 75 der Druckplatte
34 eine Auslaßkammer, welche vor der Auslaß-Anschlußöffnung 28 liegt. Außerdem bildet
die Druckkammer 30 mit den diametral angeordneten Bogennuten 86 und 88 einen zusammenhängenden
Durchfiußweg, über welchen die Hochdruckseite der Maschine mit den Stufenkammern
84 verbunden ist.
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Wenn die Arbeitsschieber 64, die Bereiche c-d durchlaufend, in die
Schlitze 66 des Rotors 44 hineingedrängt werden, erfolgt dadurch eine Verengung
der zugeordneten Stufenkammern 84; gleichzeitig werden die die Bereiche a-b durchlaufenden
Arbeitsschieber 64 radial nach auswärts bewegt und bewirken dadurch eine Erweiterung
der zugeordneten Stufenkammern 84. Zwecks teilweisen Ausgleichs des am radial inneren
und äußeren Ende der Arbeitsschieber 64 wirksamen Druckes ist der Rotor 44 mit einer
Vielzahl von schrägen Bohrungen 94 ausgestattet, wobei jedem Schlitz 66 eine Bohrung
94 zugeordnet ist. Die Bohrungen führen von zwischen den Arbeitsschiebern liegenden
Umfangsstellen des Rotors 44 zu den Endkammern 78 des jeweils in der Drehrichtung
voreilenden Arbeitsschiebers. Die äußeren Enden der Arbeitsschieber sind im Querschnitt
dachförmig gestaltet und weisen eine nacheilende Schrägfläche 96 hinter einer im
Verhältnis dazu kleinen vorderen Schrägfläche 98 auf. Es entstehen dadurch Kanten
62 an den Enden der Arbeitsschieber, welche an der Führungsbahn 60 anliegen. Die
radial äußeren Flächen 96 und 98 der Arbeitsschieber sind den Drücken ausgesetzt,
die in den sich erweiternden und verengenden Zellen der Arbeitsräume 68, 70 herrschen;
über die schrägen Bohrungen 94 wird der in jeder Zelle herrschende Druck
in die innenliegenden Endkammern 78 übertragen. Die relativ engen Bohrungen 92,
welche die Stufenkammern 84 mit den Durchgangskanälen 75 der Druckplatte 34 verbinden,
ermöglichen einen Druckanstieg in den Stufenkammern 84 während des Durchgangs der
Arbeitsschieber durch die Bereiche c-d; dieser Druckanstieg geht über den Druck
in den Endkammern 78 hinaus, so daß ein radial nach außen wirkender Druckunterschied
zustande kommt. Die Verengung der Bohrungen 92 und die Größe der Abstufungen 82
sind so gewählt, daß die resultierende Kraft ausreicht, um die Kanten der Arbeitsschieber
mit der Führungsbahn in Berührung zu halten, aber andererseits niedrig genug ist,
um eine übermäßige Abnutzung der Führungsbahn bzw. der Arbeitsschieber zu verhindern.
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Bei der dargestellten Ausbildung der Arbeitsschieber sind die Länge
der kleineren Abschrägung 98 am äußeren Ende der Arbeitsschieber und die Fläche
der Abstufung 82 ebenfalls einander angepaßt und so gewählt, daß wenigstens ein
Verhältnis 2 : 1 zugunsten der Abstufung 82 besteht. Wenn die Kante des Arbeitsschiebers
aus dem Bereich c-d der Führungsbahn in den Bereich c-d derselben eintritt, ist
nur die kleinere Abschrägung 98 einem hohen Druck ausgesetzt; das gewählte Flächenverhältnis
bietet trotzdem die Gewähr, daß der Kontakt der Arbeitsschieberkante mit der Führungsbahn
während dieses Teils des Bewegungsverlaufs gewährleistet bleibt.
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Den Flüssigkeits-Einlaßöffnungen 26 und 27 in der Verschleißplatte
16 liegen die Bogennuten 100
und 102 in der Stirnseite 36 der
Druckplatte 34 gegenüber, um eine richtige Füllung der Zellen der Arbeitsräume und
einen Ausgleich auf beiden Seiten des Rotors zu schaffen. Um die Füllung der Endkammern
78 auf dem Bereich a-b bei hoher Betriebsgeschwindigkeit zu erleichtern, ist die
Verschleißplatte 16 mit zusätzlichen Bogennuten 104 und 106 versehen, welche mit
den Einlaßkanälen des Gehäuseteils 14 über rückseitige Ausnehmungen 108 und 110
in der Verschleißplatte 16 verbunden sind. Zusätzliche Bogennuten 112 und 114 sind
an der Stirnseite der Druckplatte 34 gegenüber dem Rotor vorgesehen. Die Bogennuten
112 und 114 sind über Radialnuten 116 bzw. 118 mit einer Ausnehmung 120 der
Druckplatte 34 verbunden. Eintretende Flüssigkeit wird von den zusätzlichen Nuten
in der Verschleißplatte 16 durch die Spalte in der Nut-Feder-Verbindung zwischen
Welle und Rotor in die Ausnehmung 120 geleitet und gelangt durch die Radialnuten
116 und 118 der Druckplatte 34 in die Bogennuten 112 und 114
der Druckplatte 34. Es sind Fixierstifte 122 vorgesehen, um eine genaue Ausrichtung
der in der Verschleißplatte 16 und in der Druckplatte 34 vorgesehenen Bogennuten
mit den Arbeitsräumen der Maschine zu gewährleisten.
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Die von der Maschine abgegebene Fördermenge wird aus den Bereichen
c-d der Arbeitsräume durch die Austrittsöffnungen 72 und 74 der Druckplatte 34 in
die Druckkammer 30 und von hier über die Auslaß-Anschlußverbindung 28 einem
nicht dargestellten Verbraucher zugeführt.