DE1936492A1

DE1936492A1 - Rotationsmaschine

Info

Publication number: DE1936492A1
Application number: DE19691936492
Authority: DE
Inventors: Leo Kramer
Original assignee: Ingersoll Rand Co
Current assignee: Ingersoll Rand Co
Priority date: 1968-07-22
Filing date: 1969-07-17
Publication date: 1970-01-22
Also published as: GB1215667A; BE736416A; US3539281A; FR2014685A1

Description

PATENTANWÄLTE

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PATENTANWALT DIPL.-ING. R. MDLLER-BORN ER PATENTANWALT DIPL-ING. HANS-H. WEY

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TEL. 0311 . 742907 · TELEGR. PROPINDUS · TELEX 0184057 TEL, 0811 . 225585 . TELEGR. PROPINDUS · TElEX 0524244

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INGERSOLL-RAND COMPANY New J ο r k, N,Y₉ (USA)

Rotationsmaschine

Die Erfindung betrifft aine Rotationsmaschine mit einem in einem zylindrischen Gehäuse auf einer Well© angeordneten Rotor mit gleitenden Rotorblättern,, wobei der Rotor mindestens drei Rotorblätter aufweist, die sich vom Rotorumfang nach außen erstrecken, unter bestimmten ¥ixikeln zueinander angeordnet aind und dia im Rotor in Richtung der durch sie verlaufenden, sich von der Rotordrehachse erstreckenden Radianten gleitbar angeordnet sind_s wobei im Gehäuse ein. Zylinder d©n R©t©:r uaagebend frei und zur Rotorachse exzentrisch angoorstaet ist, wodurch ©ine Arbeite-

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kammer zwischen Rotor und Zylinder gebildet wird.

Herkömmlich© Rotationsniaschinen mit gleitenden Rotorblättern der oben boachrieborion Art sind mit dem Nachteil behaftet, daß sLe-.bei niedrigen Drehzahlen, wie z« B, 100 U/inin, unbefriedigend arbeiten, weil in diesen DrahaahLbereichen die auf die Rotorblätter einwirkende Zentrifugalkraft nicht ausreicht, um die Rotorblätter an die Außenwand der Arbeitskammer au drücken* Zwar sind bereits Vorrichtungen bekannt geworden, die auch bei niedrigen Drehssahien die Rotorblätter gegen die Arbeitskammerwand halten» Derartige Vorrichtungen verschlechtern jedoch durchwegs die Schnellaufeigenschaften solcher Maschinen, führen zu größeren Abnutzungaerscheiniingen an dan Rotorblättern und vermindern damit deren Lebensdauer« Obwohl derartige Motoren mit relativ hohen Drehzahlen arbeiten können, ist ihre Maximaldrehzahl noch durch die mit zunehmender Drehzahl anwachsende Reibung zwischen den Blattspitzen und der Arbeitskammerwand begrenzt,

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, unter Beseitigung der oben erwähnten Nachteile eine Rotationsmaschine mit gleitbaren Rotorblättern vorzusehen, die sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Drehzahlen zufriedenstellend arbeitet und bei der die Abnutzung der Rotorblätter, im Vergleich zu herkömmlichen derartigen Maschinen, beachtlich herabgesetzt ist. Dazu gehört, daß die Rotorblätter stete gegen die radiale Begrenzung der Arbeitskammer gehalten werden, daß die Relativbewegung zwischen den Blatt» spitzen und der Außenwand der Arbeitskammer minimiert wird

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und daß eine wesentlich höhere Maxiraaldrehzahl als bei herkömmlichen derartigen Maschinen erreicht wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Stützvorrichtung vorgesehen ist, die an der radialen Innenseite der Rotorblätter angeordnet 1st und deren Abstand zur Innenwand des die Arbeitskammer umgebenden Zylinders an jedem Rotorblatt der Länge eines Rotorblattes entspricht· Die Rotorblätter sind dabei an ihren radialen Enden mit abgerundeten Kanten versehen, die einerseits den Zylinder und auf der anderen Seite die Stützvorrichtung berühren. Der Radius der Abrundung ist dabei vorzugsweise gleich der halben Länge eines Rctorblattes. Der Zylinder ist frei im Motorgehäuse angeordnet. Er wird durch die Berührung mit den Rotorblättern veranlaßt, sich mit etwa gleicher Umdrehungszahl zu drehen wie der Rotor selbst.

Das Gehäuse selbst ist zu seinen beiden Seiten mit zwei Anlaufseheiben versehen, die die beiden Seiten des Rotors und des Zylinders.so berühren, daß sie die durch die Rotoraußenwand und die Zylinderinnenwand und durch die Rotorblätter gebildeten Kammern seitlich abdichten· In mindestens einer der beiden Anlatifscheiben sind im Bereich der Arbeitskammer jeweils eine Einlaßöffnung zur Einführung des Arbeitsmediums in diese Kammer und eine Ausflußöffnung für das Ausströmen des Arbeitsmediums aus dieser Kammer angeordnet.

Die Bohrung im Gehäuse, die den die Arbeitskammer radial begrenzenden Zylinder aufnimmt, ist mit Dichtungen versehen, die gegen die Außenseite des Zylinders gehalten werden und die so angeordnet sind, daß sie die Ein- und

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Auβlaßöffnungen des Strömungsmediums voneinander abdichten·

Vorteilhafterweise hat die Stützvorrichtung! die die Rotorblätter gegen die Zylinderinnenwand hält, die Form eines Exzenters.

Diese soweit beschriebene Anordnung zeichnet sich durch minimale Relativbewegungen der beweglichen Teile gegeneinander aus und setzt die Abnutzung der beweglichen Teile durch Reibung weitgehend herab. Dazu ermöglicht sie es, daß die Maschine bei wesentlich höheren Drehzahlen als bisher arbeiten kann. Dadurch, daß die Reibung so weitgehend herabgesetzt wird, können die Rotorblätter aus einer Vielzahl von Materialien, wie z, B, Metallen, hergestellt werden, die bisher für die Anwendung in derartigen Maschinen nicht in Betracht kamen. Metalle lassen eich einfacher bearbeiten, sie sind wirtschaftlicher, sie haben gute Keibungseigenschaften, haben eine höhere Festigkeit usw. als bisher für Rotorblätter verwendete Materialien, Letztlich kann diese Maschine, wenn sie als Motor angewendet wird, sowohl bei sehr geringen als auch bei sehr hohen Drehzahlen arbeiten.

Zur Minimierung der Relativbewegung der beweglichen Teile gegeneinander ist der Exzenter mit einem Lager versehen, das auf diesem, in Anlage mit den radialen Innenseiten der Rotorblätter umläuft.

Am Rotor selbst ist eine W_elle befestigt, die aus einer Seite des Gehäuses herausragt und die drehbar auf einem festen Achsenstummel gelagert ist, der an der anderen Seite des Gehäuses befestigt ist. Der Exzenter selbst ist auf diesem festen Achsenstummel angeordnet. Der Rotor ist auf dem

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fasten AchsenStummel an zwei verschiedenen Stellen, die zu beiden Seiten des Exzenters angeordnet sind, drehbar gelagert.

In den Figuren 1 bis 6 der beiliegenden Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Rotationsmaschine ein Luftmotor schetnatisch dargestellt. Es zeigern

Fig, 1 einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Rotationsmotor entlang der Linie 1-1 in Fig. 2j

FIg, 2 einen Axialschnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1}

Fig. 3 bis 5 in schematlscher Darstellung aufeinanderfolgende Relativetellungen des Rotors und des Zylinders zueinander während des Arbeitegangs des Motors; und

Fig, 6 schematisch die Abrundungen der Rotorblattenden unter Andeutung eines Kreises mit gleichem Radius»

Der in der Zeichnung dargestellte Luftmotor 1 besteht aus einem Gehäuse 2, das aus einem Hittelteil 3 und einem Paar Anlaufscheiben h und 5 zusammengesetzt ist. Die Anlaufscheiben 4 und 5 aind am Mittelteil 3 des Gehäuses mittels mehre· rer Schrauben (nicht dargestellt) befestigt, die alle Gehäuseteile erfassen,

Xm Mittelteil 3 des Gehäuses 2 ist zwischen den Anlaufscheiben k und 5 «ine zylindrische Bohrung 6 angeordnet, in d*r mehrere sich bewegende Teile des Motors 1 angeordnet sind. Ein zylindrischer Motor 7 ist exzentrisch in der

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Bohrung 6 angsordnat, An einem Ende des Rotors 7 ist oiiie Abtriebswelle 8 befestigt, die sich durch die Anlaufscheibe k nach außen erstreckt und drehbar in einem Lager 9 angeordnet ist. Das andere Ende des Rotors 7 ist drehbar auf einem Lager 10 gelagert, das wiederum auf einem festen, an der Anlaufscheibe 5 befestigten Achsenstumpf 11 angeordnet iat, Der Rotor 7 s*lbst ist aus zwei Teilen 14 und 15 hergestellt, um die Montage zu erleichtern. Das Rotorteil 14 ist topffUrmig ausgebildet und bildet zusammen mit der Abtriebewelle 8 ein integrales Bestandteil,» Das Rotorteil 15 ist ein Deckel, der das offene Ende des Rotorteils 14 abdeckt.

Der Rotor 7 wird von einem Zylinder 16 umgeben, der mit großem Spiel in die Gehäusebohrung 6 eingesetzt ist_e Beide Teile, nämlich der Rotor 7 und der Zylinder 16, berühren die beiden Endscheiben k und 5 des Gehäuses derart, daß sie einerseits dichten, um Leckverluste zu vermeiden und sich andererseits der Rotor ohne große Reibungsverluste frei drehen kann· Der Zylinder 16 ist exzentrisch zum Rotor 7 angeordnet und formt mit diesem eine sichelförmige Arbeitskammer 17·

Xm Rotor 7 ist eine Anzahl von sich radial erstreckenden, gleitbaren Rotorblättern 18 angeordnet, die in. Abständen zueinander aus dessen Uufang herausragen, und deren Spitzen die Innenwand des Zylinders 16 berühren.· Die Inneren Enden der Rotorblätter 18 liegen auf einem Lager 19 auf, das um einen ortsfesten Exzenter 20 rotiert» Der Exzenter 20 ist auf dem inneren Ende des festen Achsenstumpfes 11 befestigt· Der Zylinder 16 wird la wesentlichen von den äußeren Spitzen der Rotorblätter 18 gehalten und die Rotorblätter 18 selb .^

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werden vom Exzenter 20 getragen, wodurch sie folglich den Zylinder veranlassen, um die Achse des Exzenters zu rotieren«

Das innere Ende des Exzenters 20 und des Achsenstumpfes 11 wird in einem Lager 22 gehalten,das im Rotorteil Ik angeordnet ist, wodurch die Achse an beiden Enden gehalten wird und wodurch der Rotor 7 mit einem zusätzlichen Auflager versehen wird»

Ein Arbeitsmedium wird über Öffnungen in die und aus der sichelförmigen Arbeitskammer 17 geführt, die in der Anlaufscheibe 5 des Gehäuses 2 angeordnet sind« Xm Mittelteil 3 des Gehäuses ist ein Einlaß 23 und ein Auslaß Zk angeordnet» Der Einlaß 23 erstreckt sich entlang eines Einlaukanals 26, der in Form einer Nut in der Bohrung 6 ausgebildet ist, zu einer Einlaßöffnung 27* die ebenfalls als eine gebogene Nut in die innere Seite der Anlaufscheibe 5 eingearbeitet ist. Der Auslaß Zk ist über einen Auelaßkanal 28 mit einer Abzugsöffnung 29 verbunden, die in die Oberfläche der Anlaufscheibe 5 eingearbeitet ist. Die Druckluft oder ein anderes Medium wird über die Einlaßöffnung 27 in die Arbeitskammer 17 eingeführt, dehnt sich dort aus und treibt die Rotorblätter 18, damit den Rotor 7 und den Zylinder 16 zu einer Drehung im Uhrzeigersinn an, wie es in den Fig. 1 und 3 bis 5 dargestellt ist. Wenn der Motor sich dreht, wird das Druckmedium durch die Abzugsöffnung 29 ausgeblasen und strömt aus dem Auslaß Zk aus.

Es wird vorausgesetzt, daß die Arbeitsweise eines Rotationsmotors mit gleitenden Rotorblättern hinreichend bekannt ist und daß das oben Ausgeführte ausreicht, um die Arbeitsweise des hier dargestellten Motors 1 zu verstehen.

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Um Leckverluste zwischen den Einlaß- und Abzugβöffnungen 27 und 29 ssu vermeiden ist eine Anzahl von Dichtungen 31 zwischen der Bohrung 6 und der Außenwand des Zylinders 16 angeordnet« Jede Dichtung 31 ist in einer sich längs erstreckenden Nut in der Innenwand der Bohrung 6 angeordnet und überdeckt die Länge des Zylinder· 16. Leichte Federn 32 sind hinter jeder Dichtung 31 angeordnet, und zwar ziemlich nahe an ihren beiden äußeren Enden und drücken diese Dichtungen nach innen gegen den Zylinder 16. Die Position der Dichtungen kann so eingestellt werden, daß sie im wesentlichen die Drücke, die auf das Äußere und das Innere des Zylinders 16 wirken, ausgleichen, so daß das exzentrische Lager 19 keine große Last zu tragen hat. In anderen Worten, die Dichtungen 31 sind so angeordnet, daß der Zylinder 16 im wesentlichen in der Bohrung 6 "schwebt".

Wenn der Rotor 7 und dessen Rotorblätter 18 rotieren, halten die Rotorblätter 18 den Zylinder 16 und tragen ihn mit dem Rotor 7» so daß der Zylinder 16 sichungefähr mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit dreht wie der Rotor· Die genaue Beziehung zwischen den Geschwindigkeiten des Rotors und des Zylinders 16 wird sich entsprechend der Motorgeschwindigkeit ändern, entsprechend der Reibung zwischen den Blattspitzen 18 und dem Zylinder 16 und entsprechend der nicht ausgeglichenen Last auf den Zylinder« Es hat sich herausgestellt, daß Zylinder 16 und Rotor 7 bei geringen Motorgeschwindigkeiten ziemlich genau mit gleichen Umdrehung·· zahlen rotieren, wohingegen Zylinder 16 bei hohen Motorgeschwindigkeiten mit leicht geringerer Umdrehungszahl als der Rotor 7 umläuft. Allerdings stimmt das nicht in allen

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Fällen, Die Relativfceschwindigkeit zwischen Zylinder 16 und Rotor 7 ist eine Funktion dar Reibungskräfte, die auf diese beiden Bauteile wirken» Xm wesentlichen werden sie durch die Gleitreibung zwischen den Rotorblättern 18 und dem Zylinder 16 erzeugt. Diese Reibungskräfte verändern sich unter verschiedenen Bedingungen. So kann es vorkommenι daß bei hohen Motorgaachwindigkeiten der Zylinder \6 manchmal etwas schneller als dor Rotor 7 dreht.

Die Flg. 3 bis 5 stellen drei aufeinanderfolgende Positionen des Rotor 7t dar Rotorblätter 18 und des Zylinders 16 dar, wenn der Zylinder 16 mit einer etwas geringeren Geschwindigkeit als der Rotor 7 rotiert. Eine Marke 3k ist auf dem Zylinder 16 in allen diesen drei Positionen angedeutet, um die Relativpositionen des Zylinders 16 zu den Rotorblättern 18 zu zeigen, wenn der Motor arbeitet.

Ee hat eich herausgestellt, daß ein derartiger Motor bei sehr geringen Umdrehungszahlen, z. B. 100 U/min, arbeiten kann und daß er gleichfalls mit ungefähr der doppelten Maximaldrehzahl herkömmlicher Rotormaschinen mit gleitenden Rotorblättern, die ungefähr gleiche Abmessungen haben, arbeitet. Zusätzlich sind die Gleitgeschwindigkeiten der Rotorblätter 18 am Zylinder 16 gegenüber derartigen herkömmlichen Motoren um ungefähr <?5 $ verringert, was letzten Endes in einer wesentlich längeren Lebensdauer der Rotorblätter resultiert und was auch die Anwendung anderer Materialien, wie x· B. Metall, die bisher in derartigen Motoren nicht anwendbar waren, ermöglicht»

Damitddie Rotorblätter 18 den Zylindar 16 fest tragen können, ohne daß der Zylinder flattort, waät jedes Rotorblatt

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dia Teilform eiiier Scheibe auf, die aus einer imaginären zylindrischen Walze 36 herausgeschnitten ist, wobei sich die Längsachsen decken. DLa Geometrie des Roborblattea 18 ist in Fig, 6 dargestellt. Die Walze 36 ist in gestrichelten Linien dargestellt, während das Rotorblatt 18 ausgezogen ist* Die Längsachsen der Malze 36 und des Rotorblattes 18 sind identisch und die äußeren Kanten 37 des Rotorblattes 18 haben die Krümmung der Außenfläche der Walze 36, Dadurch, daß die Rotorblätter 18 darartige zylindrische Kanten 37 haben, können die Rotorblätter auch bezüglich des Zylinders 16 in leicht exzentrische Position verlagert werden, wie es während der Rotation doe Rotors 7 geschieht, ohne daß der Zylinder 16 flattert,

Obwohl die erfindungsgemäßa Anordnung vorstehend anhand eines Motors beschrieben worden ist, eignet sie sich gleichfalls für ©inen Verdichter, in dem lediglich die Abtriebswelle 8 in eine Antriebswelle umgeändert wird. Gleichfalls eignet sich dieses Konzept auch für eine Pumpe.

Letztlich soll noch erwähnt werden, daß die Erfindung nicht auf die oben beschriebene Anordnung beschränkt ist und daß eine Reihe von Änderungen in der Auslegung und in der Anordnung der Teile vorgenommen werden können, ohne das Wesen der Erfindung zu beeinträchtigen, wie es in den nun folgenden Ansprüchen-dargelegt ist.

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Claims

Patenta 21 sprüche

Rotationsmaschine mit einem in einem zylindrischen Gehäuse- auf einer Welle angeordneten Rotor mit gleitenden Rotorblättern, wobei der Rotor mindestens drei Rotorblätter aufweist, die sich vom Rotorumfang nach außen erstrecken, unter bestimmten Winkeln zueinander angeordnet sind und die im Rotor in Richtung der durch sie verlaufenden, sich von der Rotordrehachse erstrekkenden Radianten gleitbar angeordnet sind, wobei im Gehäuse ein Zylinder den Rotor umgebend frei und zur Rotorachse exzentrisch angeordnet ist, wodurch eine Arbeitskammer zwischen Rotor und Zylinder gebildet wird, gekennzeichnet durch eine Stützvorrichtung (20), die an der radialen Innenseite der Rotorblätter (18) angeordnet ist und deren Abstand zur Innenwand des Zylinders (16) an jedem Rotorblatt (18) der Länge eines solchen Rotorblattes entspricht.

2. Rotationsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter (18) an ihren radialen Enden mit abgerundeten Kanten versehen sind, die den Zylinder (16) und die Stützvorrichtung (20) berühren,

3* Rotationsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten der Rotorblätter (18) gleich der halben Länge eines Rotorblätter sind.

k» Rotationsmaschine nach den Ansprüchen 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse mit zwei Anlauf-

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scheiben (4,5) versehen ist* die die beiden Seiten des Rotors (7) und des Zylinders (16) berühren und daß in mindestens einer der beiden Anlaufscheiben (4,5) im Bereich der Arbeitskammer (17) eine Einlaßöffnung (27) für das Arbeitsmedium angeordnet ist.

5. Rotationsmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet! daß mindestens eine der beiden Anlaufscheiben (4,5) im Bereich der Arbeitskammer (17) mit einer Abzugsöffnung (29) für das Arbeitsmedium versehen ist· .

6. Rotationsmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet) daß zwischen der Bohrung (6) und der Außenseite des Zylinders (16) Dichtungen (31) so angeordnet sind, daß sie die Ein- und Auelaßöffnungen (27»2°) des Strömungsmediums voneinander abdichten·

7· Rotationsmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützvorrichtung für die Rotorblätter (18) ein Exzenter (20) ist..'

8« Rotationsmaschine nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Exzenter (20) mit einem Lager (19) versehen ist, das auf diesem, in Anlage mit den radialen Innenseiten der Rotorblätter (te) umläuft.

9· Rotationsmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß am Rotor (7) eine drehbare Welle (8) befestigt ist, die aus einer Seite

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des Gehäuses (2) herausragt und die drehbar auf einem, an der anderen Seite des Gehäuses (2) befindlichen festen Achsenstunipf es (11) gelagert ist und daß der Exzenter (20) von diesem festen Achsenstumpf (11) getragen wird.

10. Rotationsmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9$ dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (7) drehbar auf dem festen Achsenstumpf (11) an zwei verschiedenen Stellen (10,22), die zu beiden Seiten das Exzenters (20) angeordnet sind, gelagert ist.

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