DE2229532A1 - Verdichtungs-, verdraengungs- oder expansions-drehkolbenvorrichtung fuer fluiden - Google Patents

Description

Patentanwalt Patentanwälte

Dr. phil. Gerhard Henkel Dr. rer. nat. Wolf-Dieter Henkel

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Sir W. G. Armstrong Whitworth τβίβχ: ■„

& Co. (Engineers) Limited

Slough, Buckinghamshire, England

^{L J} 16. JUNI

Untar Zvldwt:

^**¹"" Verdichtungs-, Verdrängungs- oder Expansions-*· Drehkolbenvorrichtung für Fluiden

Die Erfindung betrifft eine Verdichtungs-, Verdrängungsoder Expansions-Drehkolbenvorrichtung für Fluide nach Art der bekannten Schaufelgebläse und bezweckt deren Verbesserung in bezug auf eine Senkung ihres Geräuschpegels und eine Erhöhung der Fluidum-Verdrängungsleistung bei vorgegebenem Gehäusedurchmesser.

In der GB-PS 804 602 ist der Arbeitszyklus einer solchen Vorrichtung beschrieben, bei welcher sich an einem Rotor angeordnete Flügel innerhalb eines Gehäuses relativ zu Schaufeln drehen, die derart drehbar am Gehäuse angeordnet sind, daß sie nacheinander eine Schranke gegenüber dem Fluidumdurentritt herstellen, und infolge ihrer Drehung ein Vorbeilaufen der Flügel zulassen, um einen kontinuierlichen Luftausstoß vor den Flügeln und eine Luftansaugung hinter diesen zu gewährleisten.

Bei dieser Gebläseart gibt es drei hauptsächliche Geräuschquellen infolge:

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1. der Explosion der vom Ausstoß- zum Ansaugraum mitgenommenen Lufttaschen,

2. von Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft infolge von Schwankungen der Effektivfläche, welche eine Verdrängung bei Änderungen der Rotor-8teilung bewirken,

3. der Implosion von luft aus dem Ausstoßraum zu der zwischen Ansaug- und Ausstoßraum eingeschlossenen Luft.

Alle drei Ursachen rufen Luftdruqkeohwankungen und mithin Geräusohbildung hervor, und ^Letztgenannte von ihnen führt zu mechanischer Schwingung der der Implosion entgegenwirkenden Schaufel.

Jeder Teil eines Luftkreislaufs, der ein Rohr bildet, verstärkt Geräusche, wenn eine Druckstörung seine Eigenfrequenz und seine Harmonischen anregt.

Die einzige Art eines Sehaufelgebläses, die nicht zur Geräuschquelle (1), d.h. zur Mitnahme von Lufttasohen vom Ausstoß- zum Ansaugraum führt, weist dünne, parallelseitige Schaufeln auf. Diese bieten aber den umlaufenden Flügeln eine sich kontinuierlich ändernde Projektionsfläche dar, und da hierbei eine variierende Durchsatzrate hervorgerufen wird, ergibt sich die Geräuschquelle (2). Außerdem besitzen die dünnen Schaufeln nur geringen Biegewiderstand, so daß auch die Geräusohquelle (3) gegeben ist.

Die meisten Gebläse weisen Rotoren mit einer einstückig mit Innen- und Außentrommel ausgebildeten Endscheibe auf, wodurch ein Ringkanal festgelegt wird, in welchem die Schaufeln eine Schranke bilden. Diese Anordnung dreht

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sich im Inneren eines ortsfesten Gehäuses, so daß der Gesamtdurchmesser der Vorrichtung nicht als Nutzarbeitsraum ausgenutzt werden kann. Zwecks voller Ausnutzung, dieses Raums müßten die Schaufelspitzen eine Abdichtung unmittelbar am Außengehäuse herstellen. Falls dies beim bekannten Gebläsetyp geschieht, bilden Zwischenräume im Gehäuse, welche die Abdichtung über den Schaufelabstand hinweg aufrechterhalten, zusätzliche Lufttaschen, die Explosionsgeräusch verursachen.

Wenn bei den bekannten Gebläsearten ein Kontakt zwischen dem Einschlußluftraum und dem Ausstoßraum erfolgt, bewirkt die Eigengeometrie der Konstruktion eine schnelle Vergrößerung der Kontaktflache, so daß eine große Druckwelle in das Einsehlußvolumen eintritt und dabei Geräusch und Schaufelschwingung verursacht.

Demgegenüber besteht die Erfindung bei einer Vorrichtung der eingangs^enannten Art darin, daß die Schaufelspitzen nacheinander einen AbdichtZwischenraum mit einer Gehäuse-Innenfläche herstellen, die konzentrisch zur Rotorachse angeordnet ist, und daß das Verhältnis von Schaufeldicke

0 4 OQ zu -breite im Bereich von -4?— bis —h²· mit TS gleich der Sehaufelzahl liegt.

Die Schaufeldicke wird durch den Winkel, über welchen sie sich über die Periode des Einschlußvolumens drehen,, und das Profil der Schaufelspitze bestimmt. Der Spalt zwischen den Flügeln ist breit genug, um den Fabenteil der Schaufeln durchlassen zu können, und da sich die Spitzen diesem Spalt unter einem Winkel nähern, ist ihre Dicke nicht genau gleichmäßig, sondern verjüngt sich mit abnehmender Dicke in Richtung auf den Schaufel-Außendurchmesser. Die Krümmung der Schaufel kann ungefähr einem Kreisbogen

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2D

mit einem Radius von —r— entsprechen, wobei D den Teilkreisdurchmesser der Schaufeln und t ihre Dicke an der Spitze bedeuten.

Die sich aus der Verengung der Sohaufelspitzen ergebende Verkürzung der Abdichtperiode kann in gewissem Ausmaß dadurch ausgeglichen werden, daß diese nicht konzentrisch zum SchaufelZentrum, sondern mit größerem Radius ausgebildet werden. Hierdurch wird der Leckspalt zu Beginn und am Ende der Abdichtperiode verkleinert. Die Schaufelspitzen der Vorrichtung können folglich mit größerem Radius als der Hälfte der Schaufelbreite ausgelegt sein.

Eine niedrige Druckanstiegsrate im Einschlußvolumen wird dadurch erreicht, daß man es eine gewisse Zeit lang gegenüber dem Ansaugraum abgedichtet hält und eine geregelte Leckagerate vom Ausstoßraum zur Druckerhöhung zulässt.

Die Anordnung kann dabei derart getroffen sein, daß diese geregelte Leckage den Beginn des Verdichtungstakts einleitet.

Jede schnelle Druckänderung auf einer Schaufelseite ruft Durchbiegung und Schwingung der Schaufel und ihrer Welle hervor, was Geräusch verursacht. Bei den bekannten auskragenden Schaufeln kann dies dadurch gemindert werden, daß am halterungsseitigen Ende verdickte Schaufeln verwendet werden.

Die Schaufelanfälligkeit für Biegung und Schwingung hängt auch von der Art der Schaufelhalterung ab. Durch Verwendung eines auf Abstandstücken zwischen den Schaufeln montierten Rings können zusätzliche Lager eingebaut und dadurch die Schaufeln doppelt gehaltert und nicht nur auskragend angeordnet werden.

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Weiterhin sieht die Erfindung die Halterung der Schaufeln an beiden Enden vor.

Wenn in einen Rotor Durchlässe für die Luft eingeschnitten werden, setzt der Strömungsverlust an diesen Durchlässen der Betriebsdrehzahl eine wirtschaftliche Grenze. Außerdem legt der Abstand vom Durchlaß bis zu der Sehaufel, die das Ende des dem betreffenden Durchlaß zugeordneten Arbeitsraum bildet, eine Rohrlänge fest, in der luftdruGkirellen Geräusch erzeugen.

Diese beiden Bedingungen können dadurch vermieden werden, daß die Rotor-Endscheibe weggelassen und ein Rotor in Form einer Schiene verwendet wird, der an der einen Seite seiner Drehachse radial innere und äußere Flügel und an der anderen Seite seiner Drehaohse eine Platte aufweist, die einen Dichtungsspalt mit dem Ende derjenigen Schaufel herstellt, welche die Schranke gegen den Fluidumditrchtritt bildet. Weiterhin kann ein mit dem Rotor umlaufender Schacht Ansaug- und Ausstoßluftstrom voneinander trennen. Dies bedeutet, daß die für den Luftdurchtritt zur Verfügung stehende Fläche an den Rotorseiten größer als die effektive Druckübertragungsfläche der Schaufeln ist und somit dort, wo die Luft die Rotorebene passiert, kein Luftstromhindernis vorhanden ist.

Im folgenden ist eine bevorzugte AusführungsfornT der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch das Gebläse und den von den Flügeln bestrichenen Arbeitsraum und

Fig. 2 einen Längsschnitt längs der Linie XYZ in Fig. 1, welcher den Luftzulaß und die Schaufelhalterung veranschaulicht.

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Das in Fig. 1 und 2 dargestellte Gebläse weist ein zylindrisches Gehäuse 1 auf, in welchem ein schienen- bzw. "ankerförmiger" Rotor koaxial umläuft, der eine innere Abdichtnabe 2 und eine radiale Schiene 3 aufweist, die einen radial äußeren Flügel 4, einen radial inneren Flügel 5 sowie radial innere und äußere Abdichtplatten 6 und 7 trägt, welche wiederum die Enden von Sohaufeln 8 abdichten, wenn sie zwischen sich das "Einsehlußluftvolumen" eines Arbeitsraums 9 enthalten. Die Schaufeldicke ist dabei so bemessen, daß stents eine effektive Abdichtung gegenüber der Gehausebohrung zwischen einem Ausstoßraum 10 und einem Ansaugraum 11 vorhanden ist. Um bei den verschiedenen Drehwinkeln mit konstantem Abstand zwischen den Flügeln 4 und 5 hindurchlaufen zu können, ist die Dicke der Sohaufeln endseitig hin gegenüber einer parallelen Ausbildung verringert. Eine Krümmung mit einem Radius entsprechend

2 χ (Sohaufelteilkreis-Durohmesser)² . . _zufrledenat_eii_end ■ ■ ^{lax z}uirieaensxei.±ena,

doch kann eine Annäherung an diese Form innerhalb normaler Abstandsgrenzen durch Flachfacetten gebildet werden.

Zwischen Ausstoß- und Ansaugraum muß an den Flügeln eine Dauerabdichtung gewährleistet werden, und beim Flügelübergang von der einen Blattspitze zur nächsten dienen konzentrische, vorriohtungsfeste Abstandstüoke 12 zum Ausfüllen der Lücken zwischen den Blattapitzen.

Die Abdichtplatten 6 und 7 überstreichen vorzugsweise einen größeren Kreisbogen als denjenigen des Einschluß« luftvolumens 9. Hierdurch wird eine Zeitspanne festgelegt, während der Verdichtung stattfindet. Die Verdiohtungsrate wird dabei durch den Leckverlust um die Schaufel an der Ausstoßseite herum bestimmt, und die Rotor-Nabe kann bei 13 ausgespart sein, um die erforderliche Leckdurchsatzrate

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zu gewährleisten. Falls zweckmäßiger, können jedoch auch Nutenbohrungen in den Abdichtplatten 6 und 7 ausgebildet sein, welche diese geregelte Leckverdichtungszunähme gewährleisten.

In Fig. 2 ist ein an den Abstandstücken 12 montierter Ring 14 dargestellt, welcher die Schaufeln 8 an ihren von der Rückplatte 15 abgewandten Enden haltert. Außerdem läuft der Ring 14 in ihn mit enger Passung aufnehmenden Nuten zwischen den Flügeln 4 und 5 sowie den beiden Teilen der Abdichtplatten 6 und 7. Die Luftansaugung von einem Ansaugstutzen 16 in den Arbeitsraum 11 hinein erfolgt über einen umlaufenden Schacht 17, der eine luftdichtung zwischen dem Ansaugstutzen 16 und dem Gehäuse 1 aufrechterhält. Die Luftabgabe aus dem Arbeitsraum 10 andererseits erfolgt zu einem um die Außenseite dieses umlaufenden Schachts angeordneten Ausstoßgehäuse 18 und von dort aus zu einem Ausstoßstutzen 19·

Die vorstehend beschriebene Konstruktion löst die Erfindungsaufgabe und gewährleistet eine Umlaufmaschine mit äußerst wenigen Geräuschquellen. Dies ist auf folgendes zurückzuführen:

1. Es werden keine Lufttaschen vom Ansaug- zum Ausstoßraum mitgenommen.

2. Die T/irkfläche, welche .die Verdrängung hervorruft, bleibt praktisch konstant. Ebenso bleibt die Projektions-

flache der 8xkxx£s±H umlaufenden Flügel konstant, so daß dann, wenn auch die Projektionsfläche der Schaufeln konstant wäre, der in die Vorrichtung eintretende Luftstrom gleichförmig wäre. Durch Wahl einer Schaufel, bei der die Spitzendicke t und der Durchmesser d der Gleichung

ψ bis ψ J gleich

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mit N = Schaufelzahl entsprechen, und duroh entsprechende Wahl des Schaufelspitzenradius wird erreicht, daß die Projektionsfläche der äußeren Schaufelhälfte praktisch konstant "bleibt. An der zentralen Nabe andererseits ist die Wirkfläche, welche die Verdrängung hervorruft, so klein, daß geringe Änderungen der Schaufelprojektionsfläche annehmbar bleiben, da sie nur geringe Änderungen in der Gesamt—Luftansaugmenge hervorrufen.

3. Die Implosion von Luft aus dem Ausstoßraum in das

Einschlußvolumen wird dadurch intensitätsschwach gemacht, daß man sie über eine lange Zeitspanne hinweg vor sich gehen läßt. Die Leckverlustmenge wird dadurch geregelt, daß eine der umlaufenden Flächen, welche eine Abdichtung an der Schaufel herstellt, auf die durch den ausgesparten Teil 13 angedeutete Weise ausgebildet wird. Zur Vermeidung einer zu starken Leckflächenvergrößerung suchen die Schaufelspitzen nach dem Ende des Teils 13 hin abzudichten, um die schnelle Leckflächenvergrößerung an der äußeren Schaufelspitze auszugleichen. Die Leckverdichtungsperiode kann gleich einem Viertel des Schaufel-Abstandswinkels bzw. der zyklischen Wiederholungszeit gewählt werden, die bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 90° bzw. vier Takte'je Umdrehung beträgt, safäaß folglich die Verdichtungsperiode 22,5° ausmacht. Der Druckanstieg im Einschlußvolumen erfolgt zwar etwas schneller als bei einem Kolben in einem Zylinder, jedoch etwas langsamer als die sogenannte "Rückstrom"-Verdichtung bei einem Rootsgebläse. Die einschließende Schaufel wird auf der einen Seite von diesem Druckanstieg und auf. der anderen Seite vom Einlaßdruck beaufschlagt, wodurch sie eine Durchbiegung erleidet, wobei jedoch ein Konstruktionsmerkmal darin besteht, daß die Eigenbiegefrequenz der Schaufel im Vergleich zur Frequenz der Schaufelbelastung durch den Verdichtungsdruck hoch ist. Dieses Merkmal wird dadurch

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unterstützt, daß die Schaufel auf vorher beschriebene Weise beidendig duroh den Ring 14 gehaltert und nicht frei auskragend angeordnet ist,

I/uftdruokstörung kann zwar verringert, jedoch nicht völlig vermieden werden» Wirbelströmungsgeräusche der durch die Arbeitsspalte hindurchstreichenden Luft beifcen selbst bei gleichmäßigem luftstrom vorhanden. Man kann jedoch die Verstärkung solcher Geräusche sowie anderer Drucksehwankungen dadurch xh herabsetzen, daß man sie keine Luftschwingungen in Rohren hervorrufen läßt*

Die Arbeitsräume innerhalb der Vorrichtung lassen sich als Rohre definieren, sooft ein Durchlaß eine Drosselung bewirkt und auf diese Weise von ihr aus eine Lange bis zum geschlossenen Ende hin festlegt, welches beispielsweise die abdichtende Schaufel sein kann. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Rotorkonstruktion vorgesehen, die keine solchen Durchlässe aufweist«

Ansaug- und Ausstoßarbeitsraum 11 bzw. 10 stehen Über den umlaufenden Sehacht 17 und das Ausstoßgehäuse 18 in voller und kontinuierlicher Verbindung mit den Zulaßöffnungen in den Stutzen 16 und 19. Der "ankerförmige" Rotor weist eine auf der Antriebswelle montierte Schiene 3 auf, die am einen Ende den Flügel 4 und am anderen Ende die Dichtplatte 7 trägt. Diese Schiene ist so sohmal, -β*-daß sie keine Stirnwand der Arbeitsräume bildet, und ihre Dicke kann Örtlich vergrößert werden, um als Gegengewicht eine dynamische Auswuchtung der flügel und Richtplatten zu gewährleisten, wie dies in Fig. 1 und 2 bei 20 angedeutet ist.

Alle Schaufeln 8 sitzen auf einer Welle, welche die Rückplatte 15 durchsetzt und mit einem Zahnrad 21 versehen

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ist, das mit einem Zwischenrad 22 kämmt, das seinerseits mit einem auf der Antriebswelle der Vorrichtung sitzenden Zahnrad 23 in Eingriff steht. Die Übersetzungsverhältnisse der Zahnräder sind so gewählt, daß jede Sohaufel im Verlauf von je zwei Umdrehungen der Antriebswelle einmal umläuft. Zur Erzielung dieses Übersetzungsverhältnisses können auch andere Untersetzungsgetriebe-Typen angewandt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann als Kompressor, als Verdrängungs- oder Meßvorrichtung oder als Motor betrieben werden. Der Fluidumstrom kann bei vorgegebener Drehriohtung umgekehrt werden, indem der umlaufende Schacht 17 gegenüber dem Rotor um 180° verdreht wird.

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Claims (7)

1. Patentansprüche

   Verdichtungs-, Verdrängungs- oder Expan^sions-Drehkolbenvorrichtung für Fluiden, bei welcher sich an einem Rotor angeordnete Flügel innerhalb eines Gehäuses relativ zu Schaufeln drehen, die derart drehbar am Gehäuse angeordnet sind, daß sie nacheinander eine Schranke gegenüber dem Fluidumdurchtritt herstellen, und infolge ihrer Drehung ein Vorbeilaufen der Flügel zulassen, um einen kontinuierlichen Fluidumausstoß vor den Flügeln und eine Fluidumansaugung hinter diesen zu gewährleisten, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelspitzen nacheinander einen Abdichtzwischenraum mit einer Gehäuse-Innenfläche herstellen, die konzentrisch zur Rotorachse angeordnet ist, und daß das Verhältnis von Schaufeldicke zu -breite im Bereich von -Jp- bis ^&^. _mit N gleich der Schaufelzahl liegt.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor die Form einer Schiene besitzt, die an der einen Seite ihrer Drehachse im Abstand voneinander montierte, radial innere und äußere Flügel und an der diametral gegenüberliegenden Seite ihrer Drehachse eine Platte aufweist, die einen Dichtungsspalt mit dem Schaufelende herstellt, welches die Schranke gegenüber einem Fluidumdurehtritt bildet.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, welche das Ansaugfluidum zu der einen und das Ausstoßfluidum zu der anderen Seite des Rotors strömen läßt.

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4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, daduroh gekennzeichnet, daß diese Einrichtung ein zusammen mit dem Rotor umlaufender Schacht ist.
5. 5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sohaufelspitzen unter einem Radius gekrümmt sind, welcher größer als die halbe Schaufelbreite ist.
6. 6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine umlaufende Dichtplatte und eine innere Dichtnabe mit den Schaufelseiten und -spitzen über einen Kreisbogen hinweg zusammenwirken, der den Sohaufelabstand erheblich übersteigt, und daß die Verdichtung einer Einschlußfluidumcharge infolge einer ITuidumleckage stattfindet, die durch eine durch die umlaufenden Teile bestimmte Fläche festgelegt und duroh das Zusammenwirken dieser Teile mit einer jeweils benachbarten Schaufel taktgesteuert wird.
7. 7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sohaufelenden in Lagern gehaltert sind, die von einem gegenüber dem Gehäuse in fester Lage angeordneten Ring getragen werden.

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