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Flügelzellen,.aschine (Zusatz zu Patent ... - Patentanmeldung P 21
11 377.9-15) Gegenstand des Hauptpatentes ist elne Flügelzellenmaschine mit einem
Gehäuse und einem darin drehbaren Rotor, der in radialen Schlitzen bewegliche Flügel
au£weist, die axial beiderseits des Rotors in grabenförmige Leitbahnen des Gehauses
ragen, wobei sich die Gleitbahnen in Querrichtung über mehr als die Hälfte der maximalen
radialen Abmessungen der Flügel des Rotors erstrecken.
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Mit der Ausgestaltung einer Flügelzellenmaschine nach der Lehre des
Hauptpatentes wurde erreicht, daß diese gegenüber bekannten Maschinen (niederländische
Patentschrift 124 996) auf einfache Weise verkleinert werden kann, trotz sehr kleinen
Abmessungen eine große Anzahl plattenförmiger Flügel Sassen kann, und einen in Bezug
auf die Volumenvariation in der Maschine großen Mediumstrom durchlaß+, so daß infolge
der große Flügeizahl die Maschine nicht nur als Pumpe, sondern auch als Turbine
arbeitet, und die Maschine dadurch als Motor mit sehr hoher Geschwindgkeit
drehen
kann, der in der Maschine dem Flüssigkeitsstrom gebotene Widerstand verhältnismäßig
klein gehalten werden kann und trotz der vielen Flügel, die Maschine auf einfache
Weise montierbar ist.
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Bei den bekannten, verhältnismäßig langsam laufenden Flügel zellenmaschinen
ist man bestrebt, die Flügel in den Schlitzen des Rotors mit möglichst geringem
Spiel zu führen, denn bei der üblichen Anordnung von nur wenigen Flügeln am Rotor
tritt beiderseits jedes Flügels ein verhältnismäßig großer Druckunterschied auf,
der bei einem größeren Spiel des Flügels in seinem Führungsschlitz zu einer Leckströmung
um die Unterkante des Flügels herum führen könnte. Bei langsamlaufenden Flügelzellenmaschinen
bereitet es auch keine Schwierigkeiten, wenn für den Flügel in dem Schlitz des Rotors
eine enge Passung vorgesehen wird, denn das durch den Flügel im Rotorschlitz eingeschlossene
öl, das bei einer Radialbewegung des Flügels verdrängt werden muss, hat bei der
Laufgeschwindigkeit dieser bekannten Flügelzellenmaschinen ausreichend Zeit, seitlich,
d.h.
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in Achsrichtung des Rotors auszuweichen bzw. nachzuströmen.
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Anders liegen die Verhältnisse bei einer schnellaufenden Flügelzellenmaschine
gemäß der Erfindung. Hier verbleibt dem vom Flügel im Rotorschlitz eingeschlossenenöl
keine Zeit, um seitlich auszuweichen; das eingeschlossene Ö1 kann daher die Radialbewegung
der Flügel behindern und beispielsweise
zu Beschädigungen der Flügel
und der Leitbahnen führen, wenn die Flügel infolge des eingeschlossenen öls der
von den Leitbahnen vorgegebenen Radialbewegung einen größeren Widerstand entgegensetzen.
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Aufgabe der Erfindung ist estdaher, eine Flügelzellenmaschine so auszubilden,
daß die erforderliche radiale Bewegungsmöglichkeit auch bei sehr schnellem Bewegungslauf
den Betrieb der Maschine nicht störend beeinflußt.
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Diese Aufgabe vird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Breite
der Flügelschlitze des Rotors mindestens das 1,3-fache der Flügeldicke ist. Diese
an sich für Flügelzellenmaschinen ungewöhnlich weite Passung führt dazu, daß neben
dem Flügel in dem Rotoschlitz noch ein ausreichend breiter Strömungskanal bestehen
bleibt, der das Entweichen bzw. Nachströmen des Öls vom und zum Grund des Rotorschlitzes
ermöglicht. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Breite der
Schlitze angenähert das 1,5-fache der Flügeldicke ist. Dadurch ergibt sich für das
durch den Spalt.zwischen Flügel und Schlitz wand ausströmende bzw. einströmende
Öl eine Strömungs geschwindigkeit, die angenähert das 2-bis 3-fache der maximalen
Radialgeschwindigkeit des Flügels beträgt, was bei den hier auftretenden Radialgeschwindigkeiten
der Flügel in der Größenordml!l{f von lm/Sek. für übliche llydrau)iköle noch angeme.
ne Werte ergibt.
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In noch weiterer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß bei
Druckunterschied beiderseits des Flügels der Berührungsbereich zwischen der Kante
des Flügels und der einen Wand des Schlitzes im Rotor in axialer Richtung geringer
ist als die axiale Breite des Rotors. Zweckmäßigerweise berührt die Kante des FlÜgels
die Wand des Schlitzes mindestens annähernd punktförmig. Dies führt dazu, daß neben
dem Berührungsbereich bzw. Berührungspunkt zwischen Flügel und Schlitzwand auch
bei einer Verkantung des Flügels unter der Wirkung des Druckunterschiedes auf beiden
Flügelseiten mit Sicherheit ein Durchströmkanal für das im Schlitz befindliche Öl
vorhanden ist. Um diese angenähert punktförmige Berührung an der Flügelkante zu
erreichen, ist der Flügel zweckmäßigerweise eine Kreisscheibe.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Abmessungen des
Flügels und des Rotorschlitzes so zu wählen, daß die radial äusserste Kante des
Flügels in der am weitesten aus dem Rotorschlitz herausbewegten Stellung mit angenähert
einem Drittel der radialen Flügelabaessung aus dem Rotorschlitz herausragt. Dabei
ist auch bei der durch die weite Passung auftretenden Verkantung des Flügels im
Schlitz noch eine ausreichend gute Führung des Flügels gewährleistet. Um trotz der
auftretenden Verkantung gleichbleibend günstige Berthrungsverhältnisse
zwischen
der Flügelkante und den vom Flügel berührten Flächen des Gehäuses zu gewährleisten,
kann der Flügel als Kreisscheibe ausgeführt sein und die Flügelkante kann Teil einer
Kugel fläche mit dem Durchmesser der Kreisscheibe sein.
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Um die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besonders wirkungsvoll
zu erreichen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Zahl der Flügelscshlitze
im Rotor so hoch zu wählen, wie es die Biegebeanspruchung des zwischen zwei benachbarten
Flügelschlitzen verbleibenden Rotorteils zulässt, und die Dicke der Flügel so gering
zu wählen, wie es die Biegebeanspruchung der Flügel in der radial am weitesten aus
dem Rotorschlitz herausbewegten Stellung zuläßt. Durch diese Maßnahme erhält man
die größtmögliche Anzahl von möglichst dünnen.Flügeln, was für den Wirkungsgrad
der schnellaufenden Flügelzellenmaschine gemäß der Erfindung ein Optimum darstellt.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der neuen Erfindung
ergeben sich aus den beiliegenden Darstellungen von Ausführungsbeispielen sowie
aus der folgenden Beschreibung.
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Es zeigen: Fig. 1 eine Flügelzellenmaschine im Querschnitt, Fig. 2
einen vergrößerten Teilschnitt längs der Linie II-II in Fig. ;,
Fig.
3 einen vergrößerten Teilschnitt entsprechend dem Schnitt in Fig. 2, Jedoch mit
anderer Flügel form, Fig. 4 einen vereinfachten Schnitt in größerem Maßstab durch
einen Flügel in einem Rotorschlitz entsprechend dem Schnitt gemäß Fig. 1 und Fig.
5 einen vereinfachten Schnitt im vergrößerten Maßstab entsprechend dem Schnitt gemäß
Fig. 4, wobei die Verkantung des Flügels unter der Wirkung eines Druckunterschiedes
deutlich gemacht wird.
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Figur 1 zeigt im Querschnitt das Gehäuse 1 und den darin drehbaren
Rotor 5 einer Flügelzellenmaschine, die als Motor oder Pumpe für Flüssigkeiten arbeiten
kann. In radialen Schlitzen 50 des Rotors 5 stecken radial bewegliche Flügel 31.
Teile der Flügel 31 ragen axial beiderseits des Rotors 5 in grabenförmige Leitbahnen
10 bzw. 10' (Fig. 2 und 3), deren Verlauf von der Kreisform abweicht und dadurch
bewirkt, daß die zwischen zwei benachbarten Flügeln 31, dem Rotor 5 und dem Gehäuse
1 gebildeten Kammern ihr Volumen ändern, während sie an Einlaßkanälen 17, 18 und
Auslaßkanälen 15, 16 des Gehäuses 1 vorbeibewegt werden. Dadurch entsteht die Verdrängerwirkung
bei Flügelzellenpumpen und -motoren. Durch die größere axiale Erstreckung der Flügel
31 tritt hierzu noch eine Turbinenwirkung, die es ermöglicht, kleine schnellaufende
Flügel
zellenmaschinen von hohem Wirkungsgrad zu bauen.
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Aus der vergrößerten schematischen Darstellung gemäß Fig. 4 erkennt
man, daß die Dicke D eines als Kreisscheibe ausgebildeten Flügels 31 erheblich geringer
ist als die Breite S eines Rotorschlitzes 50. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
beträgt die Schlitzbreite S das 1,5-fache der Flügeldicke D. Wenn auf der einen
Seite des Flügels 31 ein Uberdruck auftritt, angedeutet durch den Pfeil P, verkantet
sich der Flügel 31ein der in Fig. 12 angedeuteten Weise. Mit seiner Kante 51 an
seiner radial inneren Seite berührt der Flügel 31 die eine Wand 52 des Rotorschlitzes
50. Da der Flügel 31 eine Kreisscheibe ist (Fig. 2), die gegenüber der ebenen Wand
52 schräggestellt ist, findet die Berührung zwischen der Kante 51 und der Wand 52
in einem Punkt statt. Wenn der Flügel 31 im Schlitz 50 eine Radialbewegung ausführt,
kann das im Schlitz eingeschlossene Öl beiderseits des Berührungspunktes zwischen
der Kante 51 und der Wand 52 (in Fig. 5 vor und hinter der Zeichenebene) vorbeiströmen,
so daß kein Druckaufbau im Schlitz 50 entsteht, ebenso auch kein Unterdruck. Auch
bei einer Ausführung des Flügels 31' als auf die Spitze gestelltes Quadrat (Fig.
3) oder in ähnlicher Form, findet eine Punktberührung zwischen der radial inneren
Flügelkante und der Wand 52 statt.
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Die andere Wand 54 des Schlitzes 50 berührt der Flügel 31 an der radial
äusseren Kante des Schlitzes, so daß es dort zu einer Linienberührung zwischen Rotor
und Flügel kommt. Die Berührungslinie verläuft über die gesamte axiale Breite des
Rotors, so daß hier eine weitgehende Abdichtung stattfindet.
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Die Kantenfläche 51 des Flügels 31 ist Teil einer Kugelfläche 53,
deren Durchmesser A gleich dem Durchmesser des kreisscheibenförmigen Flügels 31
ist. Dadurch erreicht man, daß sich die Berührungsverhältnisse zwischen dem Flügel
31 und den Führungsflächen des Gehäuses 1 auch bei der Verkantung des Flügels 31,
wie sie in Fig. 5 übertrieben dargestellt ist, nicht ändern.
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Die radiale Tiefe des Schlitzes 50 und der Durchmesser des Flügels
31 sind so gewählt1 daß der Flügel in der am weitesten aus dem Rotorsclitz 50 herausbewegten
Stellung mit angenähert einem Drittel der radialen Flügelabmessung aus dem Rotorschlitz
herausragt.
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Zwischen zwei Rotorschlitzen 50 bleibt jeweils ein Rotorteil 5' stehen
(Fig. 5). Die auf den Flügel 31 ausgeübte Druckkraft P beansprucht das zwischen
zwei benachbarten Flügelschlitzen verbleibende Rotorteil 5' auf Biegung, Das Rotorteil
5' wurde so schmal (in tangentialer Richtung des Rotors 5 gemessen) gewählt, wie
es die Biegebeanspruchung unter der Wirkung der Kraft P zuläßt. Außerdem wurde die
Dicke
D des Flügels 31 so gering gewählt, wie es infolge der Biegebeanspruchung durch
die Kraft P zulässig ist.
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Dies führt zu einer Flügelzellenmaschine mit einer sehr großen Anzahl
sehr dünner Flügel, wodurch sich ein besonders hoher Wirkungsgrad erreichen ließ.