DE2320738C2 - Rotationskolbenmaschine - Google Patents

Description

Zwischen zwei Flügeln (91) ist jeweils eine zylindrische Rolle (71) in seitlichen Flanschen (65, 67) der An- bzw. Abtriebswelle (79) drehbar gelagert, wobei die Rolle (71) mit den benachbarten Flügeln (91) in Gleit- und Rollberührung steht, und

die Flügelflanken (105) weisen in an sich bekannter Weise den zylindrischen Rollen (71) zugewandte konkave Ausformungen auf.

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Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Art.

Bei einer solchen bekannten Rotationskolbenmaschine (US-PS 10 09 300) bestehen die Flügelführungen außer den zylindrischen Rollen aus sich in Umfangsrichtung jeweils von einem Flügel bis zu einem benachbarten Flügel erstreckenden, die Flügel in gegenseitigem Abstand haltenden und jeweils zusammen mit zwei benachbarten Flügeln und der Innenwand Arbeitskammern begrenzenden kreisbogenförmigen Abschnitten eines Umfangsflansches des Rotors. Die Flügel sind in Ausschnitten dieses Umfangsflansches verschiebbar, und der Utnfangsflansch ist an diesen Ausschnitten mit den zylindrischen Rollen versehen, welche jeweils nur auf einer Seite an einer ebenen Flanke eines benachbarten Flügels anliegen und auf dieser Flanke rollen, wenn sich die Flanke und der Rotor in Radialrichtung relativverlagern. Der Rotor der bekannten Maschinen ist im Hinblick auf eine Vielzahl von Flügeln relativ kompliziert und hinsichtlich der Lebensdauer und der Abdichtung ungünstig ausgebildet. Die für die Flügel in dem Umfangsflansch des Rotors vorzusehenden Ausschnitte wirken sich überdies auch sehr ungünstig auf die Festigkeit des Rotors aus. Schließlich ist nachteilig, daß bei der bekannten Maschine nur einer verhältnismäßig kleine Änderung des Volumens der Arbeitskammern im Betrieb erfolgt. Zur Erzielung einer größeren Volumenänderung der Arbeitskammern müßte die Höhe der Arbeitsfläche der Flügel vergrößert werden, was gleichzeitig aber noch tiefere Ausschnitte in dem Rotor erfordern würde, wodurch an diesem noch ungünstigere Be- to lastungs- und Festigkeitsverhältnisse auftreten würden.

Die Aufgabe der F.rfindung besieht darin, bei einer Rotationskolbenmaschine der eingangs genannten Art die Abdichtungen zwischen den Rollen und den Flügeln bei relativ großer Volumenveränderbarkeit zu verbessern.

Diese Aufgabe ist durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst

Bei der Rotationskolbenmaschine nach der Erfindung bestehen die Flügelführungen lediglich aus den zylindrischen Rollen, die sich in Axialrichtung erstrecken, jeweils an zwei benachbarten Flügeln anliegen und diese in gegenseitigem Abstand halten. Der Rotor hat dadurch eine sehr steife und verwindungsfreie Käfigform. Die Exzentrizität der Rotationskolbenmaschine kanp ohne Stabilitätseinbußen des Rotors sehr groß gewählt werden oder es können Flügel mit großer wirksamer Flügelhöhe benutzt werden, wodurch die erwünschten beträchtlichen Änderungen des Volumens der Arbeitskammern erzielt werden. Durch die Gleit- und Rollberührung zwischen den Rollen und den konkav ausgeformten Flügelflanken ergeben sich eine zuverlässige Abdichtung zwischen den Rollen und den Flanken und eine große Lebensdauer. Die Rotationskolbenmaschine nach der Erfindung kann als Pumpe für inkompressible Fluide, als Verdichter und als Pumpe für kompressible Fluide und als durch kompressible oder inkompressible Fluide oder durch Verbrennen eines Treibstoffes angetriebener Motor verwendet werden.

Es ist zwar bereits eine Rotationskolbenmaschine bekannt (US-PS 15 35 275). bei der die Flügelflanken konkave Ausformungen aufweisen, bei dieser bekannten Maschine ist jedoch der Flügel ebenfalls in einem kreisbogenförmigen Umfangsflansch geführt, welcher mit reibungsvermindernden Mitteln versehen sein muß.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.Es zeigt

F i g. 1 in auseinandergezogener Darstellung einen Verdichter als ein Ausführungsbeispiel der Rotationskolbenmaschine nach der Erfindung,

Fig.2 den Rotor mit den Flügeln des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1, wobei der seitliche Flansch des Rotors entfernt ist,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht, teilweise in auseinandergezogener Darstellung, der Flügel und der Flügelachse der Ausführungsform nach F i g. 2 und

Fig.4 eine teilweise Schnittansicht der Befestigung einer zylindrischen Rolle an einem seitlichen Flansch des Rotors entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1.

In den Fig. I bis 4 ist als ein Ausführungsbeispiel einer Rotationskolbenmaschine ein Verdichter 11 dargestellt. Der Verdichter 11 umfaßt einen Stator 13, einen Rotor 15 und einen Flügelsatz 17.

Der Stator 13 weist ein Gehäuse 19 auf. Das Gehäuse 19 hat in Umfangsrichtung verlaufende kreisförmige Flansche 23 (Fig. 1), welche sich in Längsrichtung erstrecken und an welchen Deckel 25 und 27 befestigt sind. Es längsverlaufender zylinderischer Hohlraum 29 ist im Inneren des Gehäuses 19 gebildet und bildet eine Hauptkammer. Eine Einlaß- und eine Auslaßöffnung 31 bzw. 33 sind in Verbindung mit dem Hohlraum 29 Die genaue Lage der Einlaß- und der Auslaßöffnung 31 bzw. 33 hängt davon ab, ob die Maschine als Pumpe oder als Motor verwendet wird, und außerdem von den Eigenschaften des Fluids, z. B. ob das Fluid kompriinierbar oder nichtkomprimicrbar ist. Bei der Verwendung als Luftverdichter entsprechend dem Ausführungsbeispiei nach F i g. 1 hat die Einlaßöffnung 31 mehrere längliche Öffnungen 35 bis 38. die in den Deckeln 25 und 27 und in

ringförmigen Platten 39 und 41 auf beiden Seiten des Hohlraums 29 vorgesehen sind. Der Querschnitt der länglichen Öffnungen 35 bis 38 hängt von dem Volumen der Arbeitskammern zwischen Flügeln 91, zylindrischen Rollen 71 und der Innenwand 20 einer zylindrischen Hülse 93, die innerhalb des zylindrischen Hohlraums 29 angeordnet ist, ab und soll das Eindringen der zu verdichtenden Luft erleichtern. Die Auslaßöffnung 33 ist in der Innenseite des Gehäuses 19 gebildet und verläuft von hinten im Uhrzeigersinn nach oben.

An den gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 19 sind die Deckel 25 und 27 durch Schrauben 47 befestigt. In F i g. 1 sind nur einige dieser Schrauben dargestellt Die Schrauben 47 veriaufen durch Bohrungen in den Deckeln 25 und 27 und sind in Gewindebohrungen in den Flanschen 23 eingeschraubt Die Deckel 25 und 27 sind mit angeformten koaxialen Lagerhülsen 49 und 51 vercehen. Eine Druckplatte 53 ist durch Schrauben 55 an der Lagerhülse 51 befestigt, und eine Dichtng 57 liegt zwischen der Druckplatte 53 und der Lagerhülse 51. Eine koaxiale Hülse 61 ist durch Schrauben 63 am äußeren Ende der Lagerhülse 49 befestigt. Die koaxiale Hüle 61 umgibt eine Antriebswelle 79, welche durch die Hülse verläuft, und enthält eine Wellendichtung 83. Zwischen den Lagerhülsen und der Antriebswelle 79 sind Rollenlager 59 vorgesehen.

Der Rotor 15 hat zwei gegenüberliegende seitliche kreisförmige Flansche 65 und 67, welche in den kreisförmigen öffnungen 68 und 70 der ringförmigben Platten 39 und 41 drehbar sind. Bei Bedarf können Lagerwerkstoffe zwischen den Umfangsflächen der Flansche ö5 und 67 und den inneren Wänden der öffnungen 68 und 70 angeordnet werden. Insgesamt mit 69 bezeichnete Flügelführungen, die aus den zylindrischen Rollen 71 bestehen, sind zwischen den einander zugewandten Flächen der Flansche 65 und 67 befestigt. Die Rollen 71 dienen sowohl als Kolben als auch zum Trennen der Flügel von einander und bewirken eine Volumenänderung einer Arbeitskammer zwischen zwei nebeneinanderliegenden Flügeln 91, wenn sich der Rotor 15 und die Flügel 91 in dem zylindrischen Hohlraum 29 drehen. Jede Arbeitskammer ist an ihren Seiten durch die einander zugewandten Flanken 105 von zwei nebeneinanderliegenden Flügeln 91, an ihren radial inneren und radial äußeren Enden durch eine der Rollen 71 bzw. die Innenwand 20 und an ihren axialen Enden durch die ringförmigen Platten 39 und 41 begrenzt. Das Volumen jeder Arbeitskammer ändert sich von einem Minimalwert bei der äußersten Lage oder 0°-Stelle der Rollen 71 bis zu einem Maximalwert bei der radial innersten Lage der Rollen 71 an der 180°-Stelle. Jede Rolle 71 kann freitragend an einem einzigen kreisförmigen Flansch befestigt sein, jedoch ist eine Befestigung an zwei kreisförmigen Flanschen vorzuziehen. Ein Wellenstück 81 dient zur Versteifung der Konstruktion und ist bei einer Befestigung der Rollen 71 an nur einem kreisförmigen Flansch nicht erforderlich. Die Rollen 71 bewegen sich an nebeneinanderliegenden Flügeln 91 in radialer Richtung nach innen und nach außen und bilden dabei gleichzeitig die Abdichtung zwischen den Flügeln, wie noch im folgenden beschrieben wird.

Jede Rolle 71 erstreckt sich in Längsrichtung des Rotors 15 und berührt an gegenüberliegenden Seiten die Flanken 105 von zwei benachbarten Flügeln 91. Die gegenüberliegenden Flanken 105 der Flügel 91 haben den gleichen Krümmungsradius in bezug auf die Längsachse der Rollen 71. Jede zylindrische Rolle 71 (Fig. 1,2 und 4) ist auf einer Achse 73 drehbar gelagert. Zwischen der Achse 73 und der Rolle 71 befindet sich ein Lagerwerkstoff 75. Jede Achse 73 ist zwischen Schultern 77 der seitlichen Flansche 65 und 67 durch Schrauben 78 befestigt, welche durch Öffnungen 80 in den Flanschen 65 und 67 verlaufen (F i g. 4).

Die Rollen 71 können auf andere Art und Weise zwischen den Flanschen 65 und 67 befestigt sein. Zum Beispiel kann die Rolle 7¹I aus einem einzigen Bauteil bestehen, dessen Achsstummel dann in Lagern in den Flansehen 65 und 67 gelagert sind. Das dargestellte Ausführungsbeispiel ist wegen der Vorteile der rolllenden Reibung gegenüber der gleitenden Reibung besonders vorzuziehen. Falls die Belastung außergewöhnlich hoch ist kann der Lagerwerkstoff 75 durch Rollen- oder Nadellager ersetzt werden.

Die Antriebwelle 79 ist an dem Flansch 65 befestigt und erstreckt sich von diesem durch das Rollenlager 59 in der Lagerhülse 49. Wie schon oben beschrieben wurde, ragt die Welle 79 durch die koaxiale Hülse 61 und eine Wellendichtung 83 zu einem Antriebsmotor. Das Wellenstück 81 ist koaxial an dem Flansch 67 befestigt und in der Lagerhülse 51 mittels eines Rollenlagers gelagert.

Die Antriebswelle 79 und das Wellenstück 81 haben jeweils einen abgesetzten Ansatz 85 mit Außengewinde (F i g. 1), welcher in eine Gewindebohrung der kreisförmigen Flansche 65 und 67 eingeschraubt ist. Die Schulter zwischen dem Gewindeansatz 85 und der Antriebswelle 79 und dem Wellenstück 81 wird fest gegen die kreisförmigen Flansche 65 und 67 gedrückt, um so eine starre Verbindung dieser Teile zu bilden. Die Gewinde sind derart augebildet, daß sie sich im Betrieb nicht lösen können. Zwischen den kreisförmigen Flanschen 65 und 67 und den zugeordneten Deckeln 25 und 27 sind Axialrollenlager 87 eingebaut. Die Axialrollenlager 87 können versenkt sein, um den Abstand zwischen den Flanschen klein zu halten. Die Axialrollenlager 87 verbessern zwar den Aufbau, sind jedoch nicht unumgänglich notwendig.

Der Flügelsatz 17 ist in dem zylindrischen Hohlraum 29 angeordnet und umfaßt einen schwimmend gelagerten Achsstift 89, der im wesentlichen koaxial zu dem Hohlraum 29 ist und zwischen den kreisförmigen Flanschen 65 und 67 liegt. Die Flügel 91 erstrecken sich in radialer Richtung von dem Achsstift 89 und sind einzeln schwenkbar auf diesem gelagert. Jeder Flügel 91 ist mit einer gekrümmten Endfläche 95 versehen, welche im wesentlichen den gleichen Krümmungsradius wie die Innenwand 20 der Hülse 93 aufweist, die die innere Oberfläche des Hohlraums 100 für den Flügelsatz bildet. Die gekrümmte Endfläche 95 jedes Flügeis 91 ist mit der Hülse 93 in Berührung und bildet eine Abdichtung zwischen den Arbeitskammern auf gegenüberliegenden Seiten der Flügel. Die Abdichtung zwischen den Flügeln 91 und der Hülse 93 ist nicht sehr kritisch, da der Druckunterschied zwischen den nebeneinanderliegenden Arbeitskammern nicht sehr hoch ist und da durch die an den Flügeln wirkenden Zentrifugalkräfte eine abdichtende Berührung zwischen den Flügelendflächen 95 und

bo der Hülse 93 gewährleistet.

Jeder Flügel 91 ist an seinen inneren Enden mit wenigstens einem angeformten Anlenkstück 10.3 versehen, das ujf dem Achsstift 89 gelagert ist. Die Anlenkstücke 103 sind axial gegeneinander versetzt und auf dem

M Achsstift 89 aufeinandergestapelt, wobei die sich berührenden Flächen aufeinander gleiten können, um eine Schwenkbewegung der Flügel 91 zu den Achsstift 89 zu gewährleisten. Gemäß F i g. J hat der Flügel 93a ein

Anlenkstück 103a, welches doppell so dick ist wie die Anlenkstücke der anderen Flügel, und außerdem liegt das Anlenkstück 103a in der Mitte des Flügels 93a. Eine andere Lagerung der Flügel, welche deren Schwenkbewegung gewährleistet, kann verwendet werden. Da jedoch während der Drehbewegung die Flügel beschleunigt und verzögert werden, ist eine symmetrische Anordnung der Anlenkstücke in bezug auf eine mittlere Querebene der Flügel vorteilhaft, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. ίο

Die seitlichen Flanken 105 der Flügel 91 sind nach innen in bezug auf die Mittelebenc der Flügel konkav ausgeformt, so daß die Rollen 71 in im wesentlichen gleichförmiger abdichtender Berührung mit den Flanken 105 der Flügel bleiben, wenn sie sich bei der Rotation des Rotors 15 radial nach innen und nach außen bewegen. Mit der im wesentlichen gleichförmigen abdichtenden Berührung ist eine Berührung gemeint, welche eine zufriedenstellende Abdichtung zwischen den Rollen 71 und den Flügeln 91 gewährleistet, so daß die Rollen 71 sowohl als Kolben als auch als Mittel zum Trennen der Flügel dienen, während sie sich an den Flügeln 91 in radialer Richtung nach innen und nach außen bewegen.

Durch die hier beschriebene neuartige Abdichtung 2^Γ> der Rotationskolbenmaschine kann dieselbe kommerzielle Verwendung finden. Durch die Verwendung von Rollen als Flügelführungen entsprechend dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ergeben sich die Vorteile einer rollenden Reibung und somit ein geringer und gleichmäßiger Verschleiß. Infolgedessen hat die Abdichtung eine lange Lebensdauer und arbeitet störungsfrei.

Im Betrieb der Rotationskolbenmaschine als Luftverdichter 11 wird die Luft durch die Einlaßöffnung 31 in die Arbeitskammern zwischen den Flügeln 91 eingesaugt, wenn diese sich durch die radial nach innen wandernden Rollen 71 auseinanderbewegen. Die Einlaßöffnung 31 steht über eine nicht dargestellte Zufuhrleitung mit einer Luftquelle in Verbindung. Jede radial nach innen wandernde Rolle 71 vergrößert ihre zugehörige Arbeitskammer zum Einsaugen der Luft durch die Einlaßöffnung 31 in den Hohlraum 100. Die Rollen 71 können sich an der 0°-Stelle äußerst nahe an die Hülse 93 heranbewegen, so daß das Volumen der Arbeitskammern in dieser Stellung im wesentlichen null ist, und die Rollen 71 können sich nach innen im wesentlichen bis an die Anlenkstücke 103 der Flügel 91 bewegen, um das größtmögliche Volumen für die Arbeitskammer an der 180°-Stelle zu bilden. Aus Fig. 2 ist zu erkennen, daß die einander zugewandten Flanken 105 benachbarter Flügel 91 oben sehr nahe aneinanderliegen und dagegen unten sehr weit voneinander entfernt sind.

Die Rollen 71 und die Flügel 91 selbst werden vom Rotor 15 in Drehbewegung versetzt, und dabei nimmt das Volumen der Arbeitskammern bis zu der unteren Stellung der Flügel an dem Ende der Einlaßöffnung 31 ständig zu. Bei der weiteren Bewegung des Rotors 15 verringert sich wieder der Abstand zwischen den Flügeln 91 und dabei wird die in den Arbeitskammern eingeschlossene Luft verdichtet. Wenn die Arbeitskammern den Bereich der Auslaßöffnung 33 erreichen, strömt die verdichete Luft ab. Da die Rollen 71 nach außen bis zu der Hülse 93 wandern und das Volumen der Arbeitskammern in der obersten Stellung im wesentlichen null ist werden die Arbeitskammern vollständig geleert, und es bleibt keine Luft in ihnen zurück, durch die die Aufnahmefähigkeit während der weiteren Drehung vermindert würde.

Zur Herstellung der hier beschriebenen Rotationskolbenmaschine sind keine teueren Werkstoffe erforderlich. Bei besonderen Anwendungsgebieten können Kunststoffe verwendet werden, um die Reibung an metallischen Bauteilen zu verringern. Es werden nichtrostende Metalle für diejenigen Bauteile verwendet, welche mit korrosivem Fluid in Berührung kommen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Rotationskolbenmaschine mit zentrisch zur Innenwand (20) (eines Ein- und Auslaßöffnungen (31, 33) aufweisenden Gehäuses (19) auf einer Achse (89) in Umfangsrichtung schwenkbar gelagerten und sich radial bis zur Innenwand (20) erstreckenden Flügeln (91), mit einem exzentrisch zur Innenwand (20) angeordneten, mit der An- bzw. Abtriebswelle (79) verbundenen Rotor (15), der im Bereich der Flügel (91) zylindrische Rollen (71) zur Führung der Flügel (91) aufweist, wobei die Flügel (91) dauernd mit den Rollen (71) in abdichtender Berührung stehen und zusammen mil der Innenwand (20) Arbeitskammern einschließen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: