DE2229532C3 - Drehkolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschine mit Schlupfeingriff und Gegeneingriff, mit einem innerhalb eines Gehäusemantels, der von einem Seitenteil begrenzt ist, umlaufenden Rotor, der einen seitlich angeordneten Einlaß- oder Auslaßkanal trägt und der eine zum Gehäusemantel hin durch einen radial innen von einer Nabe begrenzten Arbeitsraum hindurchreichende Radialwandung hat, die eine Durchgangsöffnung aufweist, durch welche eine koaxiale Sperrenanordnung !undurchführbar ist, die aus in gleichen Abständen angeordneten stationären Sperrblöcken und zwischen den Sperrblöcken um stationäre Achsen drehbaren, an ihren Enden verjüngten Steuerflügeln besteht, die über ein Synchronisiergetriebe mit halber Drehzahl einer Maschinenwelle zwangsläufig gesteuert sind.

¹' Eine derartige Drehkolbenmaschine ist in der CH-PS 344514 beschrieben. Bei dieser bekannten Drehkolbenmaschine ist eine Mehrzahl von drehbaren Steuerflügeln vorgesehen, die jeweils in einer Winkelstellung zusammen mit den benachbarten der statio- -" nären Sperrblöcke eine Strömungsmitteldichte Sperrenanordnung im ringförmigen Arbeitsraum der Maschine darstellen und in einer weiteren Winkelstellung durch eine im Rotor vorgesehene Durchgangsöffnung hindurchtreten können. Durch diese öffnung 2> des Rotors laufen auch die stationären Sperrblöcke hindurch.

Eine derartige Drehkolbenmaschine führt im Betrieb zu einer erheblichen Lärmentwicklung.

Bei vorliegender Erfindung soll daher eine Dreh-) <> kolbenmaschine der eingangs beschriebenen Art so weitergebildet werden, daß die Geräuschentwicklung vermindert ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst mit den folgenden Merkmalen:
i» a) Die Steuerflügel haben folgende Form:

aa) die in Längsrichtung des Querschnittes der Steuerflügel verlaufenden Begrenzungslinien sind Kreisbögen mit einem Radius r=2 D¹It,

in wobei D = Durchmesser des Kreises, auf

dem die Sperrblöcke angeordnet sind, und / = Dicke der Steuerflügel an ihren Enden, bb) das Verhältnis zwischen der Dicke der Steuerflügel an ihren Enden und ihrer größten ι > Dicke ist gegeben durch tfd = (0,4-0,9)/ N,

wobei / = Dicke der Steuerflügel an ihren Enden

d = größte Dicke der SteuerflUgel
/V = Anzahl der Steuerflügel,
Vi b) die Begrenzungslinien der Durchgangsöffnung bilden Dichtkanten;

c) der Radialwandung diametral gegenüber liegt ein Rotorseitenteil, das mit zwei Steuerflügeln eine Arbeitskammer begrenzt und dessen Umv > fangserstreckung größer ist als die zweier benachbarter Steuerflügel.

Es wurde erkannt, daß die Geräuschentwicklung bei Drehkolbenmaschineri der eingangs beschriebenen Art auf drei hauptsächliche Geräuschquellen zu-M) rückzuführen ist:

1) Die plötzliche Ausdehnung von vom AusIaPkanal in den Einlaßkannl mitgenommenem gasförmigem Arbeitsmittel;

2) die Änderung des wirksamen Querschnittes der h,-, Arbeitskammer der Maschine bei einer Änderung der Winkelstellung der Steuerflügel; und

3) das plötzliche Eindringen von gasförmigem Arbeitsmittel aus dem Auslaßkanal in die zwischen

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dem letzteren und dem Einlaßkanal liegende abgedichtete Arbeitskammer,

Diese drei Ursachen führen alle zu Druckschwankungen des gasförmigen Arbeitsmittels und damit auch zu Geräuschentwicklung. Die letztgenannte Ur- i sache führt darüber hinaus .tu mechanischen Schwingungen desjenigen Steuerflügels, an welchem das gasförmige Arbeitsmittel vorbeiströmt. Die Wirkung der obengenannten drei Geräuschquellen wird noch dadurch verstärkt, daß Drehkolbenmaschinen der hier ■·· betrachteten Art durch ihre ringförmige Arbeitskammer resonanzfähige Säulen gasförmigen Arbeitsmittels bilden, so daß die Geräuschentwicklung dann noch erheblich vergrößert wird, wenn eine der durch die Ursachen 1) bis 3) erzeugten Druckstörungen in ΐί ihrer Frequenz mit einer der Eigenfrequenzen oder ihrer Harmonischen der Gassäulen übereinstimmt.

Bei der erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine sind die obigen Geräuschquellen 1) bis 3) alle zusammen ausgeräumt. Bei einem anderen Ausführungsbeispief einer Drehkolbenmaschine nach der CH-PS 344514 sind die Steuerflügel als dünne, parallele Begrenzungsflächen aufweisende Flügel ausgebildet. Auf diese Weise kann zwar die Geräuschquelle 1) ausgeräumt werden, die Steuerflügel haben aber eine bezogen auf die Achse des Arbeitsraumes sich kontinuierlich ändernde Projektionsfläche, so daß die Geräuschquelle 2) vorliegt. Da die Steuerflügel dünn sind, haben sie auch nur geringe Biegesteifigkeit, und damit ist auch die Geräuschquelle 3) gegeben.

Durch die erfindungsgemäße Wahl der Querschnittsform der Steuerflügel und die Bildung eines kurzen Dichtspaltes zwischen den Mantelflächen der Steuerflügel und den Dichtkanten der Durchgangsöffnung des Rotors sind alle drei Geräuschquellen zugleich ausgeräumt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 2 wird erreicht, daß die Anfälligkeit der Steuerflügel für Schwingungen noch weiter vermindert ist.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 3 kann die sich aus der Verjüngung der Steuerflügel ergebende Verkürzung der Abdichtperiode in gewissem Maße ausgeglichen werden. Man erhält so einen zu Beginn und zu Ende der Abdichtperiode verkleinerten Leckspalt.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 4 wird zu Beginn eines Verdichtungstaktes eine kontrollierte Leckage von gasförmigem Arbeitsmittel erhalten, wodurch ebenfalls Druckspitzen verhindert werden.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die y, Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fi g. 1 einen radialen Schnitt durch eine als Gebläse verwendete Drehkolbenmaschine, und

Fig. 2 einen abgewinkelten axialen Schnitt durch die Drehkolbenmaschine nach Fig. 1 längs der <,o Schnittlinie XYZ von Fig. 1.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Drehkolbenmaschine hat einen zylindrischen Gehäusemantel 1, in welchem ein ankerförmiger Rotor umläuft. Letzterer weist eine radial innenliegende Nabe 2 und eine ins- t,-> gesamt mit 3 bezeichnete Radialwandung auf, welche durch einen radial auPenliegenden Wandabschnitt 4 und einen radial innenliegenden Wandabschnitt 5 ge-

4->

Ίο bildet ist. Die einander gegenüberliegenden Kanten der Wandabschnitte 4 und 5 bilden zusammen einen Durchgang für eine Sperrenanordnung, die weiter unten beschrieben wird. Zum Rotor gehört ferner ein Rotorseitenteil, welches durch eine radial innenliegende Abdichtplatte 6 und eine radial außenliegende Abdichtplatte 7 gebildet ist.

Die Abdichtplatten 6 und 7 arbeiten mit den Stirnflächen von Steuerflügeln 8 zusammen, weiche in einer Winkelstellung eine dazwischen liegende Arbeitskammer 9 begrenzen. Die Dicke der Steuerflügel 8 ist so bemessen, daß längs der Innenwandung des Gehäusemantels 1 stets eine Abdichtung zwischen einer mit 10 bezeichneten Ausstoßkammer und einer mit 11 bezeichneten Ansaugkammer erhalten wird.

Damit die Steuerflügel 8 unter verschiedener Winkelstellung unter konstantem Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Kanten der Wandabschnitte 4 und S der Radialwandung 3 hindurchlaufen können, sind die Steuerflügel zu ih^r^n Enden hin verjüngt ausgebildet. Die Begrenzungsijnien ihrer Querschnittsfläche sind durch Kreisbögen gebildet, deren Radius gleich 2 X (Durchmesser des Kreises auf dem die Sperrblöcke angeordnet sind)²/Dicke der Steuerflügel gegeben ist. Diese QuerschnittsfGrm kann man auch durch eine Mehrzahl ebener Facetten annähern.

Die Krümmung der kreisbogenförmigen Begrenzungslinien der Querschnittsfläche der Steuerflügel ist in der Zeichnung stark vergrößert gegenüber demjenigen Wert dargestellt, welchen man bei dem dort gezeigten Durchmesser des Kreises auf dem die Sperrblöcke angeordnet sind, und bei der dort wiedergegebenen Dicke der Steuerflügel bei Anwendung der obigen Bemessungsanweisung erhalten würde.

Zwischen den Steuerflügeln 8 sind stationäre Sperrblöcke 12 vorgesehen, welche zusammen mit den Steuerflügeln die schon obenerwähnte Sperrenanordnung bilden. Durch die Sperrblöcke 12 wird der durch die Kanten der Wandabschnitte 4 und 5 gebildete Durchgang der Radialwandung 3 abgedichtet, wenn die Radialwandung von einem Steuerflügel zum nächsten läuft.

Das durch die Abdichtplatten 6 und 7 gebildete Rotorseitenteil erstreckt sich über eir-in Winkel, der größer ist als die Winkelerstreckung der Arbeitskammer 9. Auf diese Weise wird die Zeitspanne vorgegeben, innerhalb der eine Verdichtung der Luft stattfindet. Das Verdichtungsverhältnis hängt ab von dem Leckverlust um den ausstoßseitigen Steuerflügel 8 herum.

Die Nabe 2 weist an einem ihrer Enden eine radial zurücklaufende Abplattung 13 auf. Man erhält so dort einen vergrößerten Zwischenraum zwischen dem vorbeilaufenden Ende eines Steuerflügels 8 und der Nabe 2 im Bereich der Abplattung 13 und damit eine kontrollierte Leckrate zwischen Arbeitskammer 9 und der Ansaugkammer.

Wie Fig. 2 zei^t, tragen die Sperrblöcke 12 einen Lagerring 14, in welchem die Steuerflügel 8 mit denjenigen Enden gelagert sind, welche von einem den Gehäusemantel 1 begrenzenden Seitenteil l5> abliegen. Der Lagerring 14 läuft in enger Passung in ihn aufnehmenden Nuten, welche zwischen den Wandabschnitten 4 und 5 dzr Radialwandung 3 bzw. den Abdichtplatten 6 und 7 des Rotorseitenteiles liegen.

Das Ansaugen von Luft erfolgt über einen Ansaugstutzen 16 und einen zusammen mit dem Rotor um-

laufenden Einlaßkanal 17, welcher den Gehäusemantel 1 und Ansaugstutzen 16 gegeneinander abdichtet. Die Abgabe verdichteter Luft aus der Ausstoßkammer 10 erfolgt über einen ringförmigen Auslaßkanal 18 zu einem Auslaßstutzen 19.

Zur dynamischen Auswuchtung des Rotors ist ein Auswuchtkörper 20 vorgesehen (vgl. Fig. 2).

Die Steuerflügel 8 sitzen jeweils auf einer Welle, welche das Seitenteil 15 durchsetzt und ein Zahnrad 21 trägt. Die Zahnräder 21 kämmen mit Zahnrädern 22, die ihrerseits mit einem auf der Antriebswelle der Drehkolbenmaschine sitzenden Zahnrad 23 kämmen. Das Übersetzungsverhältnis des durch die Zahnräder 21 bis 23 gebildeten Synchronisiergetriebes ist so gewählt, daß jeder Steuerflügel bei zwei Umdrehungen der Antriebswelle genau einmal umläuft.

Die oben beschriebene Drehkolbenmaschine kann a je Vf-rHirVitpr stW Mpftoprät rsHe.r aU Motor verwendet werden. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels kann bei vorgegebener Drehrichtung der Antriebswelle bzw. Abtriebswelle dadurch umgekehrt werden, däß man den Einlaßkanal 17 bezüglich des Rotors um 180° ,versetzt.

Die oben beschriebene Drehkolbenmaschine arbeitet mit sehr geringer Geräuschentwicklung.

Dies ist zunächst darauf zurückzuführen, daß keine Lufttaschen vom Ansaugraum zum Ausstoßraum mitgenommen werden.

Ferner bleibt die die Verdrängung des gasförmigen Arbeitsmittels bewerkstelligende Wirkfläche praktisch konstant. Auch die Projektionsfläche der umlaufenden Radialwandungdes Rotors ist konstant. Durch die oben angegebene Querschnittswahl der Steuerflügel wird erreicht, daß auch die Projektionsfläche der äußeren Steuerflügelhälfte praktisch konstant bleibt. An der zentralen Nabe ist andererseits die eine Verdrängung hervorrufende Wirkfläche so klein,-daß geringe Änderungen in der Projektionsfläche der Steuerflügel hingenommen werden können, da sie nur zu geringen Änderungen in der Gesamtmenge der angesaugten Luft führen.

Schließlich wird ein abruptes Eindringen von Luft aus dem Auslaßkanal in die Arbeitskammer dadurch auf einen sehr kleinen Wert gebracht, daß man dieses Eindringen von Luft über einen langen Zeitraum streckt. Hierzu ist die Abplattung 13 vorgesehen, Welche sich an eine der mit den Steuerflügeln zusammen arbeitenden Dichtflächen, nämlich die Mantelfläche der Nabe 2anschließt. Um eine zu schnelle Vergrößerung der Leckfläche bei dem äußeren Steuerflügelende auszugleichen, suchen die Steuerflügelender zum Ende der Abplattung 13 hin wieder eine Dichtstelle herzustellen. Die Leckverdichtungsperiode kann gleich einem Viertel des zwischen den Steuerflügeln liegenden Winkels gewählt werden, also gleich einem Viertel des WinkeTzyklus, welcher bei der hiei beschriebenen Drehkolbenmaschine 90° beträgt (4 Zyklen pro Umdrehung). Die Leckverdichtungsperiude Tnacht dann 22,5° aus. Der Druckanstieg in dei Arbeitskammer 9 erfolgt dann zwar etwas schnellet als bei einem Kolben in einem Zylinder, jedoch etwas langsamer als bei einem Roots-Gebläse.

Durch die erfindungsgemäße Querschnittswahl det Steuerfrei haben diese eine so hohe Biegesteifigkeit und damit eine so hohe Eigenfrequenz bei Biegebelastung, daß sie den Druckunterschieden an ihren gegenüberliegenden Oberflächen gut standhalten können, da die Eigenfrequenz der Steuerflügel verglicher mit der Frequenz der Druckschwankungen hoch ist Die Gefahr von Schwingungen in den Steuerflügeln Ϊ ist auch dadurch vermindert, daß die Steuerflüge nicht fliegend gelagert sind, ihr vom Seitenteil 15 abliegendes Ende vielmehr zusätzlich im Lagerring 14 gelagert ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Drehkolbenmaschine mit Schlupfeingriff und Gegeneingriff, mit einem innerhalb eines Gehäuscmantels, der von einem Seitenteil begrenzt ist, umlaufenden Rotor, der einen seitlich angeordneten Einlaß- und Auslaßkanal trägt und der eine zum Gehäusemantel hin durch einen radial innen von einer Nabe begrenzten Arbeitsraum hindurchreichende Radialwandung hat, die eine Durchgangsöffnung aufweist, durch welche eine koaxiale Sperrenanordnung hindurchführbar ist, die aus in gleichen Abständen angeordneten stationären Sperrblöcken und zwischen den Sperrblöcken um stationäre Achsen drehbaren, an ihren Enden verjüngten Steuerflügeln besteht, die über ein Synchronisiergetriebe mit halber Drehzahl einer Maschinenwelle zwangsläufig gesteuert bind, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Die Steuerflüge! (8) haben folgende Form: aa) die in Längsrichtung des Querschnittes

der Steuerflügel verlaufenden Begrenzungslinien sind Kreisbögen mit einem Radius r=2 DVi,

wobei D = Durchmesser des Kreises, auf dem die Sperrblöcke angeordnet sind, und

t = Dicke der Steuerflügel an ihren Enden,

bb) dzr Verhältnis zwischen der Dicke der Steuerflügel (8) an ihren Enden und ihrer größten Dicke ist gegeben durch // d = (0,4-0,9)/K,

wobei t = Dicke <κ:γ Steuerflügel an ihren Enden

d = größte Dicke der Steuerflügel
N = Anzahl der Steuerflügel,

b) die Begrenzungslinien der Durchgangsöffnung bilden Dichtkanten,

c) der Radialwandung (3) diametral gegenüber liegt ein Rotorseitenteil (6, 7), das mit zwei Steuerflügeln (8) eine Arbeitskammer (9) begrenzt und dessen Umfangserstreckung größer ist als die zweier benachbarter Steuerflügel (8).

2. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotorseitenteil (6, 7) eine Ausnehmung aufweist, in der ein Lagerring

(14) gleitet, in welchem die vom Gehäuseseitenteil

(15) entfernten Enden der Steuerflügd (8) gelagert sind.

3. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Steuerflügel (8) einen Krümmungsradius aufweisen, der größer ist als die halbe Steuerflügeldicke.

4. Drehkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen kreisförmige Nabe (2) ausschließlich über die Umfangserstreckung des Rotorseitenteils (6,7) verläuft und am zulaufseitigen Ende abgeplattet ist.