DE2226565C3 - Rotationskolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaine mit Kämmeingriff zwischen mindestens zwei eine Gehäuscachse drehbar umlaufenden schraukann. so daß eine ungehemmte Durchströmung mi' möglichst großem Volumen gegeben ist.

Rotationskolbenmaschinen, bei denen die Rotorer eine Trnchoidenbcwegung ausführen, sind, beispielsweise aus eier österreichischen Patentschrift 1 43 922 bekannt. Hierbei sind Außengehäuse, Zentralkörpei und Rotoien jedoch nicht schraubenförmig ausgebildet, sondern besitzen achsparallele eerade verlaufende Mantellinien. Solche Rotationskolbenmaschi nen sind nicht für axiale Durchströmung geeignet ihr Wirkungsgrad ist verhältnismäßig gcrinc.

Bei der praktischen Ausführung der Erfindung stellen die Innenflächen des Gehäusemantels und de;

Lentralkörpers eine Führung der Rotoren dar, die :in<5 Trochoidenbewegung ausführen, so daß eine genauere Beherrschung der Drehbewegung der wirksamen Teile der Maschine möglich ist und ;ine übermäßige Reibung und Abnutzung diese- Teile an den nicht drehenden Teilen der Maschine trotz guter Abdichtung verhindert werden kann.

Die Unteransprüche enthalten Merkmale zur verteilhaften Weiterbildung der Erfindung.

So kann der Gehäusemantel und der Zentralkörper mit Innen- bzw. Außenflächen versehen sein, deren Querschnitte dreieckig sind, so daß dreizähnige Querschnitte als Begrenzung der Trochoidenbahnen gebildet werden. Diese Maßnahme stellt eine Abwandlung der üblichen Trochoidenbewegungen dar. Hiermit nicht zu verwechseln ist eine Bewegung eines dreizähnigen Rotors, wie er beispielsweise in der britischen Patentschrift 4 25 447 beschrieben in.

Gegenüber der dreizähnigen Ausbildung sielh jedoch wegen der geringeren bewegten Massen eine zweizähnige Ausbildung des Zentralkörpers und des Gehäusemantels die vorteilhaftere Lösung dar, die weiter unten noch mehr beschrieben ist.

Nach der Erfindung kann jeder Rotor über seine Länge eine konstante Breite aufweisen und die Flügelspitzen dabei parallel zueinander verlaufen. Diese Maßnahme ist an sich aus der österreichischen Patentschrift 1 43 922, der französischen Patentschrift 13 17 223 und der USA.-Patentschrift 18 31263 bekannt. Diese Rotationskolbenmaschinen sind jedoch nicht für axiale Durchströmung ausgebildet und die Rotoren sind demzufolge nicht schraubenförmig, sondern geradlinig gestaltet.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung können die Rotoren jedoch eine abnehmende Breite aufweisen, wobei die Flügelspitzen nicht parallel zueinander sind. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß über die axiale Länge der Maschine die: Druck- und Strömungsverluste ausgeglichen werden können.

Für die praktische Ausführung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die geometrischen Orte der t-lügelspitzen der Rotoren Epitrochoidenkurven sind, welche die in Eingriff kommenden Flächen des Gehäusemantels und des Zentralkörpers begrenzen. Mil dieser Maßnahme wird ein optimales Strömungsverhalten bei zugleich geringer Masse der umlaufenden KoLOien erzieii.

Die grundsätzliche Ausbildung der Krümmungen des Gehäusemantels und des Z.entralkörpers bei Trochoidenbewegungen ist aus den vorstehend genannten Druckschriften bekannt. Sie eignet sich jedoch, wie die Erfindung erkannt hat, auch für schraubenförmige Ausbildung der Rotoren und der Flächen des Gehäuscmantels und des Zentralkörper?;. Demgemäß sieht die Erfindung vor, daß der Gehäusemantcl einen Querschnitt besitzt, dessen Innenkrümmung eine verkürzte Kardioide (Herzkurve) ist und daß der Zentralkörper einen Querschnitt besitzt, dessen äußere Krümmung im wesentlichen eiförmig ist und zwei einflächige Schraubenflügel umfaßt, deren Flügelspitzen derart zueinander ausgerichtet sind, daß sie zwischen sich einen Durchlaß begrenzen. Fine solche Ausbildung wird als zweizahnig bezeichnet, die. wie schon obenerwähnt, gegenüber einer dreizähnigen Ausbildung vorteilhafter ist.

In Abwandlung zu dem vorstehend genannten Beispiel kann erfindungsgcmäß der Gehäusemantel und flor 7.entralköroer mit Innen- und Außenflächen versehen sein, deren Querschnitte Ellipsen sind, so daß sich auch hier zweizähnige Querschniltbilder ergeben. Der Erfindungsgegenstand ist im folgenden an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläuter'., und 7w:ir zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht, zum Teil im Schnitt einer Ausführungsform,

Fig. 2 eine seitliche Schnittansich' der in F i g. 1 gezeigten Maschine, die im einzelnen einige der ineinandergreifenden Teile zeigt,

F i g. 3 einen Schnitt nach Linie 3-3 der F i g. 2 mit der Wiedergabe der Rotoren in dem Zwischenraum zwischen dem Gehäusemantel und dem Zentralkörper,

F i g. 4 eine gleiche Ansicht wie Fig. 3, bei der sich aber die Spitzen von zwei der acht Rotoren in dem Zwischenraum berühren.

F i g. 5 eine Endansicht einer bevorzugten Ausführung mit der Wiedergabe einer Vorrichtung mit zwei Rotoren,

F i g. 6 eine seitliche Schnitiansicht der in Fig. 5 gezeigten Anordnung.

Fi g. 7 eine weitere Ausführungsform, F i g. 8 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform,

F i g. 9 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform.

In F i g. 1 bis 4 ist eine Rotationskolbenmaschine 10 mit axialer Durchströmung dargestellt, die als Kompressor oder Expansionsmaschine arbeiten kann. Ein runder Gehäusemantel 11 sitzt fest auf einer Unterlage. Ein schneckengetricbeähnlichcr Zentralkörper 12 ist koaxial fest und nicht drehbar innerhalb des Gehäusemantels 11 gehalten, -o daß dazwischen ein ringförmiger Zwischenraum geschaffen wird, in dem eine Anzahl von Rotoren 13 drehbar und umlaufend angeordnet sind, wobei sie in einer als Träiicr ausgebildeten Scheibe 20 drehbar gelagert sind, die auf einer Maschinenwelle 30 drehbar gehalten ist.

Wie Fig. 1 und 2 erkennen lassen, besitzt der Träger 20 rwci Flansche 21 und 22, welche von der Nabe 23 vereint werden. Der Träger läuft auf Lagern 24 und 25. die auf der festen koaxialen Maschinenwelle 30 sitzen. Die feste Maschinenwelle 30 wird von Streben 16 und 17 gehalten, und zwar an dem einen Ende, während sie mittelbar am anderen Ende von dem Antrichswellen'ager 29 gestü'zt wird. Die Maschincnwclle 30 bildet auch einen Halt für den nicht drehbaren Zentralkörper 12.

Der Träger weist Lagersätze 26 und 27 auf. welche die zu lagernden Wellen 14 der Rotoren 13 aufnehmen. Diese sind nur an einem Ende gelagert, so daß ihre Lager gegen die Arbeitsflüssigkeit der Vorrichtung abgeschirmt werden können.

Bei den Ausiührungsl'ormcn nach Fig. 1 bis 4 sind 8 Rotoren vorgesehen, die in gleichen Winkelabständen angeordnet sind. Die Achse jedes Verdränguiv-skörpcrs sitzt auf einem gleichen radialen Abstand Λ (Welle 30) des Ί räs?ers (Fi g. 3). so daß die Rotoren alle auf demselben Kreis C umlaufen. Wegen dieser radialen Symmetrie ist die ganze Umlaufeinheit von Natur aus ausgewogen und bedarf keiner äuPern I icgengew leine für eine Korrekt* 1.

Die Innenseite des (ichäusemaniels 11, der Zenualkörper 12 und die Rotoren 13 sind schraubenförmig, das heißt, daß sie Gewinaeflächen bilden. Diese Gewindeflächen gehen über eine und eine Viertelwindung mit gleicher Steigung über die ganze

Länge dieser Teile, d. h. sie haben einen Hüllwinkel von 450°.

Es ist weiter zu bemerken, daß die Teile 11 bis 13 sich gegenseitig nicht berühren, aber so bemessen sind, daß sie einen »Zwischenraum« oder radialen Durchlaß dazwischen einschließen, wie aus F i g. 3 ersichtlich ist.

Wie ersichtlich, haben die Rotoren 13 eine Form, welche gewundenen Bändern ähnelt. Man kann sie als schraubenförmige Planetenräder mit zwei Windüngen ansehen, die mit dem Gehäuse und dem Zentralkörper kämmen. Ihre Querschnitte sind dünne Zweiecke.

Die Dichte der Rotoren wird bewußt so dünn wie strukturell möglich gemacht, um den geringsten Strömungswidersland zu erhalten.

Jeder Rotor 13 hat einen Schraubenhüllwinkel von fünf Achteln einer Umdrehung oder 225°, was der Hälfte eines Hü'lwinkels des Gehäuses oder des Zentratkörpers ist. Ihre Gewindesteigung ist gleich der Gewindesteigung des Gehäuses bzw. des Zentralkörpers.

Wie in F i g. 4 zu sehen ist, berührt in der Durchlaßzone die Kante eines Rotors gerade die Kante eines benachbarten Rotors, da jede gerade die Beruhrung mit dem Teil 11 oder 12 unterbrochen hat. Der Durchlaß besitzt eine geeignete Breite, um die Schmalseiten der Rotoren durchtreten zu lassen, wie Fi c. 3 zeigt.

Dies ist von Trochoidengetricben bekannt, so daß sich weitere F.-Iänterunp.en cübrifjen.

Die Ausbildung und Anordnung der Rotoren bewirkt, daß innerhalb des Gehäuses fortschreitende Taschen gebildet werden, deren Volumina sich im Betrieb fortlaufend ändern. Die genannten Hüllwinkel bewirken, daß keine freie Verbindung durch das Gehäi se hindurch besteht. Hieraus folgt, daß eine DiuckfUissigkeit. die auf das eine der Enden der Ma chine wirkt, eine Ausdehnung der Taschen und c'nr Dr^r!vnR der Rotoren verursacht. Die mechan.sche Reaktion der Rotoren auf das Gehäuse und den Zentralkörper bewirkt eine Drehung des Trägers 20, so daß eine mechanische Leitung an der Trägerantricbswel'e 28 abgenommen werden kann.

Während jedes Ende der Maschine je nach der Drehrichtung als Einlaß dienen kann, kann die Ausfühntngsform mit der Axialströmung nach Fig.] und 2 so betrachtet werden, als hätte sie den Einlaß an den nicht abgestützten Enden der Rotoren, wobei pin Tricirerrin« 41 und ein zentrales Einlaufteil 42 den Flüssigkeitsstrom zu den Rotoren lenken.

Obwohl eine Führung für die Rotoren von selbst durch ihren Eingriff mit dem Gehäuse und dem Zentralkörper gegeben ist, kann auch in an sich bekannter Weise e^:n Planetengetriebe a's äußere Führung dienen, welche eine rcnauc Umdrehunoskontrol'e der Rotoren bewirkt, damit eine reibende Berührung vermi^d^n und ein Verschleiß herabgesetzt wird.

In Fig. 5 ist eine bevorzugte Ausführungsform w^edcrfe^cb^n. bei der ein Minimum von nur zwei axial anprordncten Rotoren 113 mit einem Gehäusemantcl 111 und einem Zentralkörper 112 zusammenarbeiten.

Diese Ai'sfühninnsform unterscheidet sich von der vorheschrirbenen durch Vcrwendunp eines verhältn^;sT>äßiii kleinm Zentralkörper 112, der für cine prößerc Verdrängung, vcnn auch nicht notwendigerweise Hir o'nc plattere Strömung sorr-t.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist die Innenfläche des Gehäusemantels 111 mit einer Schraubenwindung versehen und besitzt als Querprofii eine verkürzte Kardioide. Der Zentralkörper 112 ist in dem Gehäusemantel 111 koaxial und ortsfest dazu angeordnet, und sein Querschnitt ist ein kleiner eiförmiger Einzahn. Der Träger für den Zentralkörper ist hier nicht gezeigt, ist aber der Ausführung nach F i g. 1 entsprechend gestaltet. Während die beiden Teile 111 und 112 eine Schraubenhülle von zwei Umdrehungen oder 720° haben, die sich um den Punkt A in F i g. 5 wickelt, ähnelt der Zentralkörper nun einer Spiralfeder mit doppelter Windung, wie aus F i g. 6 ersichtlich ist.

Die beiden Rotoren 113 haben je einen Hüllwinkel von 360° (eine Umdrehung), der gleich der Hälfte des Hüllwinkels der Teile 111 und 112 ist. Beide haben einen zweieckigen Querschnitt, wie bei der vorigen Ausführungsform, aber verwenden hier eine größere Flügelbreite. Die Rotoren sitzen einander gegenüber auf einem Träger, der nicht dargestellt ist und sind für sich in Lagern auf dem Träger drehbar.

In der Darstellung nach F i g. 5 nimmt der eine Rotor den Durchlaß bei Punkt B, dessen größere Querachse in dem Beispiel tangential zu dem Laufkreis C liegt, wobei die Kanten die Kardioidenwand des Gehäusemantels berühren. Der zweite Rotor nimmt eine Lage in einer radialen Stellung zum Laufkreis ein, wobei eine der Kanten die Kardioidenwand des Gehäusemantels 111 berührt, während die andere Kante in Berührung mit dem koaxial angeordneten Zentralkörper 112 steht. Jeder Rotor 113 bewegt sich in der Folge durch den Durchlaß zwischen den Teilen 111 und 112, so daß es keine freie Verbindung durch die Vorrichtung hindurch gibt.

Während die Zwei-Rotoren-Ausführung weniger bewegte Teile hat, könnten ihre breiteren und schwereren Rotoren wegen der Zentrifugalkraft eine gewisse Geschwindigkeitsverringerung bedeuten im Gegensatz zu einer Ausführung, welche zwar mehr, aber schmalere Rotoren hat.

In F i g. 7 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, die drei axiale Rotoren aufweist, die in Abständen von 120ⁿ angeordnet sind. Diese Anordnung besitzt eine höhere Leistung als die vorstehend beschriebene, wobei zwar der Durchsatz kleiner ist aber da^rür keine Druckstöße in Längsrichtung auftreten.

Die Größe des Hüllwinkels für den Gehäusemantel und den Zentralkörper ist bei einer gegebenen Zahl von Rotoren gleich

- (Umdrehungen).

Zahl der Rotoren

Der benötigte Hüllwinkcl der Rotoren ist die Hälfte von diesem Betrag.

F i g. 8 zeigt eine Maschine, deren Zentralkörper »zweizähnig«, d. h. mit zwei Durchgängen B ausgebildet ist, während Fig. 9 eine »dreizähnige« Anordnung zeigt. Es ist zu bemerken, daß gemäß der Erfindung eine Maschine gebaut werden kann, deren Zentralkörper vier, fünf oder mehr Zähne hat.

Die relative Stellung der Rotoren zueinander ist aus den Zeichnungen ersichtlich.

Während diese Ausführung einen nahezu stoßfreien Flüssigkeitsdurchsat? bei einer Pumpe bewirkt, sind ihre Taschen erheblich kleiner, und die FoInc

ist ein geringerer Durchsatz im Vergleich mit den zuvor beschriebenen Ausführungsformen.

Die Anordnung nach F i g. ^{) gestaltet ein vorteilhaftes Arbeiten, ist aber nur gezeigt, um das Kämmen der Rotoren mit dem Gehäusemantel und dem Zentralkörper bei einem anderen Übersetzungsverhältnis zwischen Umlauf und Drehbewegung der Rotoren zu erläutern. Bei dieser Ausführung tritt ein merkliches axiales Lecken auf. Außerdem müssen die Rotoren dicker ausgebildet werden.

Unter Bezugnahme auf alle vorbeschriebenen Ausführungen ist zu bemerken, daß keine Kompression bzw. Expansion je nach Betriebsart hinter dem Punkt stattfindet, an dem die Rotoren und die mit ihnen kämmenden Teile infolge des genügend großen Hüllwinkeis ein zwangläufiges Schließen bewirken, so daß durch die Maschine hindurch keine freie Verbindung besteht. Wird ein größerer Hüllwinkel verwen-

dct. könnte seine einzige Funktion die sein, ein Lekken infolge einer Verlängerung der Dichtgrenze zu verhindern. Dies bedeutet, daß ein längerer und gewundenerer Leckweg vorhanden wäre, über den untcr Druck stehende Flüssigkeit entweichen müßte.

Fs ist jedoch möglich, die Flüssigkeit durch die Vorrichtung fortschreitend zu komprimieren oder auch zu expandieren, je nach Betriebsart, indem die Rotoren, der Gehäusemantel und der Zentralkörper

ίο mit einer schraubenförmigen Steigung versehen werden, die nicht gleich bleibt, sondern sich über die Länge ändert.

Eine weitere Möglichkeit zum fortschreitenden Komprimieren oder Expandieren des Arbeits· mediums besteht darin, die Rotoren über ihre Länge verjüngt auszubilden, wobei die Mantelflächen dei Rotoren und der Gehäuseinnenwandung zueinande: parallel verlaufen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Rotationskolbenmaschine mit Kämmeingriff zwischen mindestens zwei um eine Gehäuse- «chse drehbar umlaufenden schraubenförmigen Rotoren und einem eine schraubenförmige Innenwandung aufweisenden stationären Gehäusemantel einerseits und einem längs der Gehäuseachse benförmigen Rotoren und einem eine schraubenförmige Innenwandung aufweisenden stationären Gehäusemantel einerseits und einem längs der Gehäuseachse angegeordneten verzahnten Zentralkörper andererseits, mit einer stirnseitig der schraubenförmigen Rotoren vorgesehenen, um die Gehäuseachse drehbaren Scheibe, in der die schraubenförmigen Rotoren, deren Mantellinien parallel zur Mantellinie der Gehäuseinnenwandung verlaufen, drehbar gelagert sind.

angeordneten verzahnten Zentralkörper anderer- io Eine derartige Rotationskolbenmaschine ist aus der seits, mit einer stirnseitig der schraubenförmigen US-PS 26 12 022 bekannt.

Eine derartige Rotationskolbenmaschine stellt im Prinzip eine Kombination aus einer Archimedischen

Rotoren vorgesehenen, um die Gehäuseachse drehbaren Scheibe, in der die schraubenförmigen Rotoren, deren Mantellinien parallel zur Mantel-Schraube und einer Zahnradpumpe dar. Hierbei sind

linie derGehäuseinnenwandungverlaufen, drehbar 15 die wirksamen, in Form von Rotoren umlaufenden

gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralkörper (12 bzw. 112) stationär ist lind ebenfalls schraubenförmig ausgebildet ist, Und daß die Schraubenflächen des Gehäuseman-Zahnräder schraubenartig, d. h. in ihrer Achsrichtung verlängert ausgebildet. Diese Rotoren bilden mehrflügelige, im Querschnitt zahnradförmige Schraubenkörper, und der Zentralkörper ist gegenüber dem Ge-

tels (11 bzw. 111) sowie die Schraubenflächen des 20 häusemantel drehbar und mit der Antriebs- bzw. Ab-

triel-weMe starr verbunden. Dabei werden zwischen dem Zentralkörper und den Schraubenflächen der Rotoren in Achsrichtung fortlaufende Kammern gebildet, in denen das Strömungsmedium fortschreitet. Bei dieser genannten Rotationskolbenmaschine sind in dem Zentralkörper gerade durchgehende vorragende Bereiche vorgesehen, die die Mantellinien des Gehäusemantels berühren und die angetriebene Masse beträchtlich erhöhen. Die das Strömungs-

Zentralkörpers (12 bzw. 112) Hüllflächen für Trochoidenbahnen bilden, die beim Umlauf der Rotoren von den Flügelpunkten der Rotoren beschrieben werden.

2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäusemanlel (111) und der Zentralkörper (112) Innen- und Außenflächen haben, deren Querschnitte dreieckig sind und dreizähnige Querschnitte bilden (Fig.9).

3. Rotationskolbenmaschine nach einem der 30 medium aufnehmenden Taschen werden bei diese; Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß bekannten Rotationskolbenmaschine zwischen dem jeder Rotor (13, 113) eine konstante Breite hat Zentralkörper und den Rotoren gebildet. Die Verlind die Flügelspitzen parallel zueinander sind zahnungen des Gehäusemantels bewirken den Ver-(Fig. 1). Schluß der genannten Taschen, wobei an ihnen Wir-

4. Rotationskolbenmaschine nach einem der 35 bei auftreten, die zu erheblichen Strömungsverlusten Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß führen.

jeder Rotor (13, 113) eine abnehmende Breite Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Maschine

hat und die Flügelspitzen nicht parallel sind. der eingangs genannten Art in ihrer Leistungsfähig-

5. Rotationskolbenmaschine nach einem der keit derart zu verbessern, daß hohe Strömungsgevorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 40 schwindigkeiten erreicht und höhere Drücke erzeugt daß die geomcirischen Orte der Flügelspitzcn der werden.

Zur Lösung dieser Aufuabenstellung sieht die Erfindunc vor. daß der Zentralkörper stationär ist unc ebenfalls schraubenförmig ausgebildet ist. und daß die Schraubenflächen des Gehäusemantels sowie die Schraubenflächen des Zcntralkörpers Hüllflächen füi

Rotoren (13, 113) Epitrochoidenkurven sind, welche die in Eingriff kommenden Flächen des Gehäusemantels und des Zentralkörper (111. 112) begrenzen.

6. Rotationskolbenmaschine nach einem der Vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet. daß der Gehäuscmantel (111) einen Querschnitt besitzt, dessen Innenkrümmung eine verkürzte Kardioide (Herzkurve) ist und daß der Zentralkörper (112) einen Querschnitt besitzt, dessen äußere Krümmung im wesentlichen eiförmig ist und zwei einflächige Schraubenflügel umfaßt, (üeien Flügelspitzen derart zueinander ansgerich-TroclioidcnhahnTi bilden, die beim Umlauf der Rotoren von den Flücelpunktcn der Rotoren beschrieben werden.

Diese erfindungsgemäßen Merkmale ermöglicher es. in Achsrichtung der Rotationskolbenmaschine fortschreitende Kammern zu erhalten, wobei bc gleichem Außendurchmesser eine größtmögliche Bohrung und bei den Rotoren ein kleinstmöclicher Quer-

iet sind, daß sie zwischen sich einen Durchlaß be- 55 schnitt, d. h., eine minimale Masse erzielt werder

grenzen (F i g. 5 oder 7).

7. Rotationskolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäuscmantel und der Zentralkörper Innen- und Außenflächen haben, deren Querschnitte Ellipsen sind, die /weizähnice Querschnittbilder ergeben (F i g. 8).