DE2405307A1 - Rotationskolbenverdichter der trochoidenbauart - Google Patents

Description

DORNIER SYSTEM GMBH

24053U7

7990 Friedrichshafen

Reg. S 163

Rotationskolbenverdichter der Trochoidenbauart

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine der Trochoidenbauart zur Verdichtung gasförmiger Siedien mit zwischen einem trochoidenförmigen Kolben und einem der zugeordneten äußeren Hüllkurve entsprechenden Mantel gebildeten Arbeitsräumen, die durch im Mantel angeordnete Radialdichtungen voneinander getrennt sind, wobei das Medium über durch Rückschlagventile abgeschlossene Austrittsöffnungen aus den Arbeitsräumen gefördert wird.

Wenn derartige Rotationskolbenmaschinen als Verdichter eingesetzt werden, dann tritt bei ihnen das bekannte Problem der Rückexpansion auf, wie es auch bei Hubkolbenverdichtern sehr nachteilig in Erscheinung tritt. Der Effekt der Rückexpansion wirkt sich in der Weise aus, daß im schädlichen Raum des Verdichters, d.h. in dem stark verengten Arbeitsraum auf der Druckseite einschließlich der Ausströmöffnungen am Auslaßventil, ein hoher Druck herrscht, der sich beim Weiterdrehen der Maschine erst entspannen muß, bevor in dem sich nunmehr vergrößernden Arbeitsraum ein solcher Unterdruck herrscht, daß er für das Ansaugen einer erneuten Füllung ausreicht. Bei der Verwendung ungesteuerter Ventile öffnen daher diese Ventile wegen der Rückexpansion sehr spät. Die Verzögerung infolge Rückexpansion beträgt 20° und mehr Kurbelwellenumdrehung nach der

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OT-Lage des Kolbens. Dieser Umstand bedeutet einen beträchtlichen Verlust an ausnutzbaren Hubramn bzw. an volumeirischem Wirkungsgrad.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die nachteiligen Wirkungen der Rückexpansion zu vermeiden und den ausnutzbaren Hubraum möglichst groß zu halten. Bei Rotationskolbenmaschinen der eingangs genannten Bauart wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf der Kolbenumfangsflache muldenförmige Vertiefungen angeordnet sind, die bei Totpunktlage des Kolbens in Drehrichtung des Kolbens gesehen auf der Druckseite der den Arbeitsraum in ablaufender Richtung abschließenden Radialdichtung kurz vor ihrem Durchgang unter der Radialdichtung stehen. Vorteilhafterweise sind die muldenförmigen Vertiefungen auf der Kolbenumfangsflache so angeordnet, daß der Beginn der muldenförmigen Vertiefungen bei Totpunktlage des Kolbens an der Berühungslinie der Radialdichtung mit der Kolbenumfangsflache liegt. Zur Verbesserung des Effektes trägt noch bei, wenn die Auslaßöffnungen mit den Auslaßventilen in Drehrichtung des Kolbens gesehen im Bereich vor der den Arbeitsraum in ablaufender Richtung abschließenden Radialdichtung angeordnet sind. Wenn im Betrieb die muldenförmigen Vertiefungen unter der Radialdichtung hinwegdrehen, entsteht für diesen kurzen Zeitraum eine Verbindung zwischen Druckseite und Saugseite. Dadurch kann wenigstens ein Teil des im schädlichen Raum unter Druck stehenden Mediums von der Druckseite zur Saugseite überströmen. Der hohe Druck im schädlichen Raum wird dabei rasch abgebaut und der neue Ansaugvorgang in diesem Arbeitsraum kann früher beginnen als es bisher möglich war. Der besondere Vorteil der Erfindung liegt dar-

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in, daß nicht nur der ausnutzbare Hubraum größer und damit der volumetrische Wirkungsgrad verbessert wird, sondern daß dabei auch kein Teil des Arbeitsmediunis verloren geht. Der von der Druckseite zur Saugseite strömende Teil des Mediums kommt als Überladungsanteil auf der Saugseite zu dem dort bereits vorhandenen Medium hinzu. Auf diese Weise wird nicht nur die nachteilige Wirkung der Bückexpansion ganz oder zu einem erheblichen Teil vermieden, sondern es findet sogar noch eine vorteilhafte positive Ausnutzung der Rückexpansion statt.

Ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung sei nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine Rotationskolbenmaschine mit einem Kolben in der Form einer .Epitrochoide 2:1,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus der Umgebung einer Radialdichtung und

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus der Kolbenumfangsflache.

In der Fig. 1 ist als Ausführungsbeispiel eine Rotationskolbenmaschine mit einem Kolben 1 in der Form einer Epitrochoide 2:1, d.h. in der Fora einer Nierenkurve, gewählt. Das Prinzip der Erfindung ist jedoch auch für jegliche andere Trochoidenform möglich. Im gewählten Beispiel hat der Kolben 1 abwechselnd achsnahe und achsferne Zonen. Der Kolbenmittelpunkt ist mit M-. bezeichnet. Der Kolbe nmit te lpunkt M₁, wandert beim Betrieb der Maschine auf dem strichpunktiert eingezeichneten Kurbelkreis um die Mittelachse M^ der Antriebswelle. Der Drehsinn der Antriebswelle ist am Kurbelkreis mit einem Pfeil gekennzeichnet. Der Drehsinn des Kolbens 1 ist dem Drehsinn der Kurbelwelle entgegengesetzt und ebenfalls mit einem

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Pfeil und der Bezeichnung K angedeutet. Der den Kolben 1 umgebende Hantel 2 ist der der Epitrochoide zugeordneten äußeren Hüllkurve nachgebildet. Zwischen Kolben 1 und Hantel 2 «erden hier die drei Arbeitsräume A, B und C gebildet. Diese Arbeitsraum sind voneinander durch die im Mantel angeordneten Radialdichtungen 3 getrennt. In der Fig. 1 befindet sich der Kolben 1 in der oberen Totpunktlage im Arbeitsraum A. Die Arbeitsräume B und C zeigen Zwischenstellungen zwischen OT- und UT-Lage des Kolbens. Die Zufuhr des Mediums ist hier von untergeordneter Bedeutung und daher nicht eingezeichnet. In jedem Arbeitsraum ist eine Auslaßöffnung mit einem Auslaßventil 4a, 4b bzw. 4c angeordnet. Der schädliche Raum an den Auslaßöffnungen bis zum Ventil und der dazugehörende schmale Spalt des Arbeitsraumes A in der OT-Stellung des Kolbens ist für die Rückexpansion verantwortlich. Wie oben schon erwähnt, ist es vorteilhaft, wenn die Auslaßventile möglichst dicht vor der zugeordneten Radialdichtung 3 auf der ablaufenden Seite des Arbeitsraumes angeordnet sind.

Im Kolben 1 befinden sich auf seiner Umfangsflache muldenförmige Vertiefungen 5. Diese muldenförmigen Vertiefungen sind so angeordnet, daß sie in OT-Lage des Kolbens unmittelbar vor einer Radialdichtung 3 liegen. Man erkennt in Fig. 1 links oben deutlich, daß die Vertiefung 5 zwischen Radialdichtung 3 und Auslaßventil 4a liegt. Jeder achsfernen Zone oder jedem Bogen des trochoidenföralgen Kolbens ist eine Anordnung von muldenförmigen Vertiefungen 5 zugeordnet. Diese muldenförmigen Vertiefungen befinden sich in der Nähe des Endes des Bogens. Für die hier in Fig. 1 dargestellte zweibogige Epitrochoide sind also auch zwei muldenförmige Vertie-

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fungen 5 im Kolben eingezeichnet. Für eine dreibogige Epitrochoide wären demgemäß drei solcher Anordnungen von Vertiefungen 5 vorgesehen.

Wie die Fig. 3 zeigt, ist auf der Kolbenumfangsflache nicht nur eine einzige muldenförmige Vertiefung 5, sondern deren eine ganze Reihe angeordnet. Der Beginn der muldenförmigen Vertiefungen 5 liegt an der Linie a; das Ende der muldenförmigen Vertiefungen bei der Linie b. Die Linien a und b sind auch in Fig. 1 eingezeichnet und definieren dort den Winkel Λ , welcher somit die Länge der muldenförmigen Vertiefungen 5 kennzeichnet. Die Linie a und damit der Beginn der muldenförmigen Vertiefungen wird in OT-Stellung des Kolbens 1 vorteilhafterweise so gelegt, daß die Linie a durch die Berührungslinie der Radialdichtung 3 mit der Kolbenoberfläche 1 geht. Die muldenförmige Vertiefung 5 beginnt also an der Dichtlinie, die um den Schwenkwinkel ß bei OT-Stellung des Kolbens von der Ebene der Radialdichtung 3 heraus verdreht ist.

An Hand der Fig. 2 sei die Wirkungsweise der muldenförmigen Vertiefungen 5 erläutert. In dieser Figur ist die Lage, des Kolbens 1 ganz kurz nach Verlassen der OT-Lage dargestellt. Nach wenigen Winkelgraden Kurbelwellendrehung befindet sich die muldenförmige Vertiefung 5 gerade unter der Radialdichtung 3. Der augenblickliche Schwenkwinkel ist hier mit β bezeichnet. Der Arbeitsraum A stellt sich noch als schmaler Spalt zwischen der Oberfläche 1 des Kolbens und dem Mantel 2 dar. Der auf der anderen Seite der Radial· dichtung 3 liegende Arbeitsraum B ist noch verhältnismäßig weit ausgedehnt. Im schädlichen Raum des Arbeitsraumes A, d.h. in dem

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schmalen Spalt zwischen Kolben und Mantel sowie in der Bohrung des Auslaßventiles 4a, das hier in Fig. 2 nicht extra eingezeichnet ist, herrscht noch ein hoher Druck des verdichteten Arbeitsmediums. Im Arbeitsraum B dagegen herrscht der wesentlich niedrigere Druck des eingeströmten oder angesaugten Mediums. Durch die muldenförmigen Vertiefungen 5 kann nun ein Teil des mediums hohen Druckes vom Arbeitsraum A in den Arbeitsraum B überströmen. Dadurch wird der hohe Druck im schädlichen'Raum auf der Druckseite, d.h. im Arbeitsraum A, rasch abgebaut, so daß dort viel früher ein erneutes Ansaugen erfolgen kann. Beim überströmen geht kein Teil des lSediums verloren, vielmehr wird das übergeleitete Medium zusätzlich zur normalen Füllung im Arbeitsraum B als Überladungsanteil hinzu kommen.

In der Fig. 2 sind zusätzlich noch die Begrenzungslinien a und b der muldenförmigen Vertiefungen 5 angedeutet, ebenso der Winkel/}. Form und Größe der muldenförmigen Vertiefungen 5 kann auf die übrigen Betriebsbedingungen der Maschine abgestimmt sein, d.h. auf Drehzahl, Ausmaß der Rückexpansion usw. Für die Verwertung der Rückexpansion ist es sehr wertvoll, wenn - wie oben schon erläutert wurde - die schädlichen Räume möglichst dicht an der Radialdichtung der ablaufenden Seite liegen. Infolgedessen sind nur kurze Ströaungswege von diesem schädlichen Raum durch die muldenförmigen Vertiefungen 5 bis zum anderen Arbeitsraum erforderlich. Der Druckausgleich erfolgt rasch und vollständig. Durch die Form der Mulden 5 mit einem flachen Ende bei der Linie b und einer stärkeren Wölbung bei der Linie a ergibt sich eine gute Durchströmung vom Arbeitsraum A zum Arbeitsraum B. Dabei braucht selbstver-

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ständlich die Wölbung der muldenförmigen Vertiefungen 5 an der Linie a Ice ine Kante mit der Kolbenumf angsf lache zu bilden, wie es der Einfachheit halber in Fig. 2 eingezeichnet ist, sondern es kann dort eine kleine Rundung oder Abflachung vorgesehen werden.

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Claims (1)

1. DOBNIER SYSTEM QfBH Friedrichshafen

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   Reg. S 163

   Patentansprüche

   1J Rotationskolbenmaschine der Trochoidenbauart zur Verdichtung gasförmiger Medien mit zwischen einem trochoidenförmigen Kolben und einem der zugeordneten äußeren Hüllkurve entsprechenden Mantel gebildeten Arbeitsräumen, die durch la Mantel angeordnete Radialdichtungen voneinander getrennt sind, bei der das Medium über durch Rückschlagventile abgeschlossene Austrittsöffnungen aus den Arbeitsräumen gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Kolbenumfangsflache muldenförmige Vertiefungen (5) angeordnet sind, die bei Totpunktlage des Kolbens (1) in Drehrichtung (K) des Kolbens gesehen auf der Druckseite der den betreffenden Arbeitsraum (A) in ablaufender Richtung abschließenden Radialdichtung (3) kurz vor ihrem Durchgang unter der Radialdichtung stehen.

   2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennoeichnet, daß bei Totpunktlage des Kolbens (1) der Beginn der muldenförmigen Vertiefungen (5) an der Berührungslinie (a) der Radialdichtung (3) mit der Kolbenumfangsflache liegt.

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   3. Botatlonskolbenmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge und der Querschnitt der muldenförmigen Vertiefungen (5) den Drehwinkelgraden (Jl) entspricht, die entsprechend der jeweiligen Betriebsdrehzahl der Maschine zum Abbau der Rückexpansion an den Auslaßventilen (4a, 4b, 4c) erforderlich sind.

   4. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die muldenförmigen Vertiefungen (5) an ihrem vorlaufenden Ende (Linie a) stärker gewölbt sind als an ihrem nachlaufenden Ende (Linie b).

   5. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnungen (4a, 4b, 4c) in Drehrichtung des Kolbens (1) gesehen im Bereich vor der den Arbeitsraum (A, B, C) in ablaufender Richtung abschließenden Radialdichtung (3) angeordnet sind.

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