DE19848307A1

DE19848307A1 - Motoren und Pumpen

Info

Publication number: DE19848307A1
Application number: DE1998148307
Authority: DE
Inventors: David Bostock-Smith
Original assignee: KIT SYSTEMS Ltd
Current assignee: KIT SYSTEMS Ltd
Priority date: 1997-10-16
Filing date: 1998-10-13
Publication date: 1999-04-22
Also published as: GB2334760A; GB9822081D0; GB9721816D0

Description

Die Erfindung betrifft Motoren und Pumpen und - obwohl die Erfindung für pneuma tisch betriebene Motoren entwickelt worden ist - gilt sie auch für Hydraulikmotoren und hydraulische sowie pneumatische Pumpen, einschließlich Vakuumpumpen.

Pneumatische Drehflügelmotoren sind gut bekannt. Sie bestehen aus einem Dreh flügelrotor, der zur Ausführung der Drehbewegung in einer Kammer mit den Drehflü geln in form von Schaufeln angeordnet ist, die zur Radialbewegung zum Rotor so angeordnet sind, daß mit der Wand der Kammer ein dicht geschlossener Eingriff auf rechterhalten wird. Die Kammer hat Einlaß- und Austrittsöffnungen und ist normaler weise von regelmäßig zylindrischer Form, wobei der Rotor zur Gewährleistung der Drehbewegung um eine Achsverschiebung von der Achse des Zylinders angeordnet ist.

Derartige Motoren arbeiten normalerweise zuverlässig, aber aufgrund der beträchtli chen Belastungen, denen die Drehflügel bzw. Schaufelblätter ausgesetzt sein kön nen, tritt oft ein erheblicher Verschleiß der Drehflügel bzw. Schaufelblätter auf, was zu hohen Wartungskosten führt.

Es ist entsprechend ein Ziel dieser Erfindung, eine verbesserte Form eines Motors oder einer Pumpe vorzuschlagen, insbesondere eine verbesserte Form eines pneu matischen Drehflügelmotors.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der Erfindung wird ein Motor oder eine Pumpe vorgeschlagen, die bzw. der aus folgenden Bauteilen besteht:

a) ein Gehäuse, das eine Kammer mit Ein- und Austrittsöffnungen enthält, und
b) ein Rotor zur Ausführung der Drehbewegung in der Kammer um eine Pri märachse;
c) der besagte Rotor, der einen Rotorkörper mit zylindrischer Außenfläche und eine Vielzahl von Drehflügeln bzw. Schaufelblättern enthält, die sich in Schlitzen im Rotor befinden und radial zur erwähnten Primärachse bewe gen lassen, und
d) die besagte Kammer mit einer Wand, die durch die radialen Außenenden der Drehflügel bzw. Schaufelblätter in Eingriff gebracht wird und einen er sten Wandbereich einschließt, der im wesentlichen denselben Biegeradius aufweist, wie die zylindrische Außenfläche des Rotors und von der besag ten Primärachse getrennt ist, so daß eine Abdichtung zwischen den Ein- und Austrittsöffnungen entsteht;
e) die besagte Wand der Kammer, die noch einen zweiten Wandteil enthält, der der Leistungsphase eines Zyklus der Rotordrehung entspricht und dessen Biegeradius größer als der des erstgenannten Wandteils ist und der ebenfalls von der besagten Primärachse getrennt ist.

Der erste Wandteil verläuft zu beiden Seiten desjenigen Teils der Wand der Kammer, der dem oberen Totpunkt des Rotors entspricht. Die Drehflügel bzw. Schaufelblätter werden somit bis zu dem Zeitpunkt, zu dem der Rotor eine Position vor seinem obe ren Totpunkt erreicht, in ihre innerste radiale Stellungen bewegt und verbleiben über einen vorbestimmten Teil des Rotorzyklus in ihren innersten Stellungen. Dieser Teil des Rotorzyklus kann z. B. in einem Winkel von 15° zu jeder Seite des oberen Tot punktes reichen.

Der zweite Wandteil verläuft vorzugsweise zu jeder Seite derjenigen Stellung, die dem unteren Totpunkt des Rotors entspricht, z. B. um 60° zu beiden Seiten des unte ren Totpunktes des Rotors. Die Tatsache, daß der besagte zweite Wandteil ebenfalls auf der Primärachse zentriert ist, d. h. auf der Drehachse des Rotors, bedeutet, daß sich die Drehflügel bzw. Schaufelblätter in ihren Montageschlitzen nicht verschieben, wenn sich der Rotor aufgrund dieses Teils des Zyklus zu einer Seite seines oberen Totpunktes verschiebt, so daß der Grad des Verschleißes von Spitze und Flanke je des Drehflügels bzw. Schaufelblattes erheblich reduziert wird.

Da sich Drehflügel bzw. Schaufelblätter unter der Last, die auf sie während der Lei stungsphase eines Zyklus ausgeübt wird, nicht zu verschieben brauchen, können höhere Biegemomente ausgeübt werden. Das bedeutet, daß die Drehflügel bzw. Schaufelblätter dünner bzw. aus flexibleren Materialien gefertigt werden können, als dies bisher möglich gewesen ist. Alternativ können größere Hübe ohne die Gefahr übermäßigen Verschleißes der Drehflügel bzw. Schaufelblätter erreicht werden, wo durch ein größeres Verdrängungsvolumen und damit eine größere Leistung zum Gewichtsverhältnis erreicht werden.

Durch diese Konstellation wird weiterhin gewährleistet, daß die relative Geometrie zwischen der Spitze jedes Drehflügels bzw. Schaufelblattes während der Leistungs phase eines Drehzyklus des Motors konstant bleibt. Der Ölfilm, der sowohl zur Schmierung dient als auch die Abdichtung unterstützt wird, ist somit weniger anfällig gegenüber Störungen und Ausfällen, als dies andernfalls der Fall wäre. Zusätzlich kann dann das abgegebene Drehmoment, das mit einem pneumatischen oder hy draulischen Motor erreicht werden kann, besser konstant gehalten werden als mit den vorhandenen Bauformen, bei denen exzentrische Zylinder zum Einsatz kommen.

Es sind vorzugsweise der dritte und vierte Teil der Wand der Kammer zu beiden Seiten des oberen Totpunktes und der besagte dritte und der vierte Wandteil, die jeweils von einer gemeinsamen, nach unten versetzten Achse von der Primärachse getrennt sind und deren Biegeradius zwischen dem des Wandteils des oberen Tot punktes und dem des Wandteils des unteren Totpunkts liegt und der bereits er wähnte dritte und vierte Wandteil sanft in die Wandteile des oberen und unteren Tot punkts übergehen.

Nocken sind vorzugsweise dazu vorgesehen, jeden Drehflügel bzw. jedes Schaufel blatt in dem erforderlichen Maße während des gesamten Rotationszyklus des Rotors radial nach außen zu steuern. Alternativ oder zusätzlich können pneumatische Mittel eingesetzt werden, um die Drehflügel bzw. Schaufelblätter radial nach außen zu steuern. Wenn natürlich die Drehgeschwindigkeit des Rotors wichtig ist, dann wird die radiale Auswärtsbewegung der Drehflügel bzw. Schaufelblätter oder Motoren durch die Zentrifugalkraft ausgeübt. Ein Vorteil dieser Konstellation ist, daß die Dreh flügel bzw. Schaufelblätter nicht z. B. durch die Wirkung der Gravitationskraft zurück in ihre Montageschlitze zurückfallen können, was das Anstarten erschweren bzw. das Startdrehmoment erheblich verringern würde. Außerdem braucht somit keine Federkraft bereitgestellt zu werden, um die Spitzen der Drehflügel bzw. Schaufel blätter in Kontakt mit der Kammerwand zu bringen. Somit verringert sich die Wahr scheinlichkeit des Anklebens einer Kante eines Drehflügels oder Schaufelblattes an der Wand der Kammer, wenn eine lokale Korrosion oder chemische Reaktion statt findet, wenn der Motor für einige Zeit nicht in Betrieb ist. Daraus resultierende An startprobleme werden somit vermieden.

Das Gehäuse besteht vorzugsweise aus drei Hauptkomponenten, d. h. einem zen tralen Element von einer im allgemeinen zylindrischen Form, dessen Innenfläche die Kammerwand mit der oben erwähnten Konfiguration bildet, und einem Paar Endele mente mit nach innen zeigenden Flächen, die so geformt sind, daß sie die Nocken bilden, die die radialen inneren Enden der Drehflügel bzw. Schaufelblätter in Engriff bringen und von denen mindestens einer eine im allgemeinen nierenförmige Luftzu fuhröffnung aufweist zwecks Zufuhr von Druckluft, um die erforderliche radiale Be wegung der Drehflügel und Schaufelblätter nach außen zu erreichen. Die Endele mente des Gehäuses haben vorzugsweise Vertiefungen, in denen sich Trägerbau gruppen zur effektiven Abstützung des Rotors befinden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Abb. 1 ist eine Längsschnittdarstellung eines Motors,

Abb. 2 ist eine Querschnittsdarstellung des Motors,

Abb. 3 ist eine Seitenansicht des Rotors des Motors,

Abb. 4 ist eine Ansicht des Endes Motorzylinders, d. h. das Zentralele ment des Motorgehäuses,

Abb. 5 ist eine Schnittdarstellung eines Endelements des Motorgehäu ses, und

Abb. 6 ist eine Innenansicht des in Abb. 5 dargestellten Endelements.

Beschreibung der bevorzugten Umgebung

Wie in Abb. 1 dargestellt, besteht ein Motorgehäuse (10) aus drei Hauptbestandtei len: ein im allgemeinen zylindrisch geformtes Element (11) und ein Paar Endele mente (12) und (13). Die Dichtungselemente (14) und (15) befinden sich zwischen den Stirnflächen der Endelemente (12) und (13) und dem zentralen Element (11), und die Teile des Gehäuses (10) werden durch Schrauben (16) zusammengehalten.

Das zentrale Element (11) enthält eine Kammer (17), deren genaue Konfiguration unten beschrieben ist, und einen Rotor (18), dessen Konfiguration in Abb. 3 darge stellt ist; dieser dient zur Drehung relativ zum Gehäuse (10). Der Rotor (18) besteht aus einem Hauptkörper (19), der aus vier gleichwinkligen, radial verlaufenden, mit einem entsprechenden Zwischenraum zueinander angeordneten Schlitzen (20) be steht, in denen die radial beweglichen Drehflügel bzw. Schaufelblätter (21W), (21X), (21Y) und (21Z) montiert sind. Der Grundkörper (19) des Rotors (18) hat eine zylin drische Außenfläche mit einer zentralen Achse (22), und der Rotor (18) ist um diese zentrale Achse (22) drehbar.

Die Kammer (17) hat Ein- und Ausgangsanschlüsse (23) und (24), wobei an eine dieser beiden Druckluft zugeführt und aus der anderen Luft ausgestoßen wird. Es ist positiv hervorzuheben, daß abhängig von der gewünschten Antriebsrichtung des Rotors (18) jeder der beiden Anschlüsse (23) und (24) als Einlaßanschluß bzw. (der jeweils andere) als Ausgangsanschluß genutzt werden kann.

Wie in den Zeichnungen dargestellt, ist der Rotor (18) zum Gehäuse (19) das durch einen oberen Totpunkt geht (wie in Abb. 1 gezeigt) und in dem einer der Drehflügel bzw. Schaufelblätter (21) vertikal verläuft, in jeder Richtung drehbar, abhängig davon, welcher der beiden Anschlüsse (23) oder (24) als Einlaßöffnung genutzt wird. Für den Zweck der nachfolgenden Beschreibung wird angenommen, daß der Anschluß 23 die Einlaßöffnung ist und der Rotor (18) entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn an getrieben werden soll (wie in Abb. 2 dargestellt).

Die interne Konfiguration der Kammer (17) ist am besten in Abb. 4 zu sehen, wo die Drehachse (22) des Rotors (18) dargestellt ist. Der obere Totpunkt der Kammer ist mit (25) angegeben und liegt direkt über der Achse (22). Die Innenwand der Kammer (17) wird durch die vier Wandteile (26), (27), (28) und (29) gebildet. Die Achse des ersten Wandteils (26) stimmt mit Achse (22) überein und hat einen Biegeradius R₁, der dem Biegeradius der Außenfläche des Rotors (18) entspricht, d. h. beide sind ge nau gleich. Der erste Wandteil (26) verläuft in einem Winkel von 15° zu jeder Seite des oberen Totpunktes (25), d. h. der erste Wandteil (26) hat ein Gesamtwinkelmaß von 30°.

Die Achse des zweiten Wandteils (27) stimmt ebenfalls mit Achse 22 überein, und der Biegeradius R₂ dieses Wandteils ist größer als R₁. Der zweite Wandteil (27) ver läuft in einem Winkel von 60° zu jeder Seite des unteren Totpunktes, d. h. er hat ein Gesamtwinkelmaß von 120°.

Der erste Wandteil (26) ist mit dem zweiten Wandteil (27) durch den dritten und vier ten Wandteil (28) und (29) verbunden, die ihre Krümmungsachsen in Punkt 30 un mittelbar unter der Achse 22 haben. Der Biegeradius sowohl des dritten als auch des vierten Wandteils (28) und (29) ist R₃, liegt zwischen R1 und R2 und ist dergestalt, daß der dritte und der vierte Wandteil (28) und (29) gleitend in den ersten und zwei ten Wandteil (26 und 27) übergehen.

Wenn man den Zwischenraum zwischen den Drehflügeln 21X und 21Y berücksichtigt (siehe Abb. 2), der sich an die Einlaßöffnung (23) anschließt und somit mit Druckluft versorgt wird, dann ist leicht ersichtlich, daß der Drehflügel 21X weiter aus seinem Schlitz hervorsteht als der Drehflügel 21Y und somit einer größeren Kraft ausgesetzt ist, d. h. der Druck multipliziert mit der diesem Druck ausgesetzten Fläche ist größer als bei Drehflügel 21Y. Der Rotor (18) wird in eine Richtung im Uhrzeigersinn ge zwungen, wie in Abb. 2 gezeigt.

Weiterhin ist zu sehen, daß Drehflügel 21X den zweiten Wandteil (27) berührt, wenn sich der Rotor (18) in der in Abb. 2 gezeigten Stellung befindet, und solange mit dem zweiten Wandteil (27) in Berührung bleibt, bis er die Stellung erreicht, die der Dreh flügel 21W vorher hatte und in der dieser mit Austrittsöffnung 24 in Verbindung ist.

Somit bewegt sich der Drehflügel 21X für den Teil des Rotorzyklus (18), in dem eine Kraft auf den Rotor (18) ausgeübt wird, nicht radial. Dieser Teil des Zyklus entspricht der Leistungsphase des Zyklus, was bedeutet, daß höhere Biegemomente möglich sind, und dies mit den oben genannten Vorteilen.

Wenn wir als nächstes auf den oberen Totpunkt des Rotors (18) sehen, so wird aus Abb. 2 ersichtlich, daß - wenn der Motor aus dieser Stellung dreht und der Drehflügel 21Z sich von der in Abb. 2 gezeigten Stellung bewegt, der Drehflügel 21Z radial so lange nach innen verlagert wird, bis er - wenn er den oberen Totpunkt erreicht - voll ständig zurückgezogen wird. Der Rotorkontakt und die Spitze von Drehflügel 21Z mit dem Wandteil (26) gewährleisten, daß eine positive Abdichtung erreicht wird, die die direkte Kommunikation zwischen den Einlaß- und Auslaßöffnungen (23 und 24) ver hindern. Die Tatsache, daß der Drehflügel 21Z sich nicht radial bewegt, während er durch den oberen Totpunkt hindurchgeht, wird die Wirksamkeit der Dichtung noch verbessert. Auf jeder Seite des oberen Totopunktes der Kammer (17) befinden sich Entlüftungskanäle (30 und 31).

In den Endelementen (12) und (13) befinden sich die Trägerbaugruppen (32) und (33), die den Rotor (18) stützen und gewährleisten, daß er sich um Achse 22 dreht. Die Endflächen der Endelemente 12 und 13 sind mit Nockengebilden (34) ausge stattet, die in die Endteile der Drehflügel (21) eingreifen, damit die Drehflügel (21) in radialer Richtung aus ihren Schlitzen (20) in Eingriff mit dem zweiten, dritten und vierten Wandteil (27, 28 und 29) gebracht werden.

Als Option kann außerdem ein Luftaustrittsschlitz (35) vorgesehen werden.

Wenngleich die Erfindung auch detailliert unter Bezugnahme auf einen Druckluftmo tor beschrieben worden ist, so ist die Erfindung gleichermaßen auch für Hydraulik motoren und Pumpen anwendbar (sowohl Pneumatik- als auch Hydraulikpumpen), bei denen der Motor angetrieben wird und Luft oder Hydraulikflüssigkeit durch die Einlaßöffnung eingezogen und unter Druck durch die Austrittsöffnung wieder abge lassen wird.

Claims

1. Ein Motor bzw. eine Pumpe, die bzw. der aus folgenden Bauteilen besteht:

a) ein Gehäuse, das eine Kammer mit Ein- und Auslaßöffnungen enthält
b) ein Rotor, der in der eine Kammer zwecks Drehung um eine Primärachse an geordnet ist;
c) dieser Rotor besteht aus einem Rotorkörper mit einer zylindrischen Außenflä che und einer Vielzahl von Drehflügeln oder Schaufelblättern, die in Schlitzen im Rotor angeordnet sind und in radialer Richtung relativ zur bereits erwähn ten Achse beweglich sind;
d) die erwähnte Kammer hat eine Wand, die durch die radialen Außenenden der Drehflügel bzw. Schaufelblätter in Eingriff gebracht ist und einen ersten Wandteil einschließt der im wesentlichen denselben Biegeradius hat wie die zylindrische Außenfläche des Rotors und von der oben erwähnten Primärach se getrennt ist, so daß zwischen den Ein- und Auslaßöffnungen eine Abdich tung entsteht;
e) die bereits erwähnte Wand der Kammer hat ebenfalls einen zweiten Wandteil, der der Leistungsphase eines Drehzyklus des Rotors entspricht, wobei der Biegeradius dieses zweiten Wandteils größer als der des oben erwähnten Wandteils ist und ebenfalls von der besagten Primärachse getrennt ist.

2. Ein Motor bzw. eine Pumpe gemäß Anspruch 1, bei der bzw. bei dem der erste Wandteil zu beiden Seiten des Teils der Kammer, die dem oberen Totpunkt des Rotors entspricht, reicht.

3. Ein Motor bzw. eine Pumpe gemäß Anspruch 2, bei der bzw. bei dem der erste Wandteil in einem Winkel von 15° zu beiden Seiten des oberen Totpunktes des Rotors reicht.

4. Ein Motor bzw. eine Pumpe gemäß Anspruch 1, bei der bzw. bei dem der zweite Wandteil zu beiden Seiten der Stellung, die dem oberen Totpunkt des Rotors ent spricht, reicht.

5. Ein Motor bzw. eine Pumpe gemäß Anspruch 4, bei der bzw. bei dem der zweite Wandteil in einem Winkel von 60° zu beiden Seiten des unteren Totpunktes des Rotors reicht.

6. Ein Motor bzw. eine Pumpe gemäß Anspruch 2, bei der bzw. bei dem die Wand der Kammer einen dritten und vierten Wandteil hat, die sich auf beiden Seiten des oberen Totpunktes des Rotors befinden und wobei der dritte und vierte Wandteil jeweils von einer gemeinsamen, nach unten versetzten Achse von der erwähnten Primärachse getrennt sind und deren Biegeradius zwischen dem des Wandteils des oberen Totpunktes und des Wandteils des unteren Totpunktes liegt und der dritte und vierte Wandteil sanft in die Wandteile des oberen und unteren Tot punktes übergehen.

7. Ein Motor bzw. eine Pumpe gemäß Anspruch 6, bei der bzw. bei dem Nocken zur Steuerung jedes Drehflügels bzw. Schaufelrades während des gesamten Ro tordrehzyklus in dem erforderlichen Maß nach außen gesteuert werden.

8. Ein Motor bzw. eine Pumpe gemäß Anspruch 1, bei der bzw. bei dem pneumati sche Mittel dazu dienen, die Drehflügel bzw. Rotoren radial nach außen zu steu ern.

9. Ein Motor bzw. eine Pumpe gemäß Anspruch 6, bei der bzw. bei dem das Ge häuse aus drei Hauptbestandteilen besteht, d. h. einem zentralen Element von ei ner im allgemeinen zylindrischen Form, dessen Innenfläche die Kammerwand mit dem bereits genannten ersten, zweiten, dritten und vierten Wandteil bildet, und einem Paar Endelementen mit nach innen zeigenden Flächen, die so geformt sind, daß Nocken gebildet werden, die in die radial geformten Innenenden der Drehflügel bzw. Schaufelblätter eingreifen.

10. Ein Motor bzw. eine Pumpe gemäß Anspruch 9, bei der bzw. bei dem mindestens ein Endelement eine im allgemeinen nierenförmige Luftzufuhröffnung zur Druck luftversorgung hat, um die erforderliche radiale Verschiebung der Drehflügel bzw. Schaufelblätter nach außen zu erreichen.

11. Ein Motor bzw. eine Pumpe gemäß Anspruch 9, bei der bzw. bei dem die End elemente des Gehäuses Vertiefungen aufweisen, in denen sich Trägerbaugrup pen befinden, um den Rotor in effektiver Weise zu stützen.

12. Ein Motor bzw. eine Pumpe, der bzw. die so konstruiert und angeordnet ist, daß er bzw. sie so, wie hier beschrieben und in den hier enthaltenen Zeichnungen dargestellt, arbeitet.