DE2405307C3

DE2405307C3 - Rotary piston compressor of the trochoid type

Info

Publication number: DE2405307C3
Application number: DE19742405307
Authority: DE
Inventors: Franz Prof. Dipl.-Ing. 7750 Konstanz Huf
Original assignee: Dornier System GmbH
Current assignee: Dornier System GmbH
Filing date: 1974-02-05
Publication date: 1977-02-03

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotationskolbenverdichter der Trochoidenbauart mit zwischen einem trochoidenförmigen Kolben und einem der zugeordneten äußeren Hüllkurve entsprechende η Mantel gebildeten Arbeitsräumen, die durch im Mantel angeordnete Radialdichtungen voneinander getrennt sind, und mit Austrittsöffnungen für das gasförmige Fördermedium aus den Arbeitsräumen, wubei im trochoidenförmigen Bauteil Vertiefungen angeordnet sind, die im Betrieb unter den Radialdichtungen hinweggleiten und dabei einen Uberströmweg für die Rückexpansion bilden.The invention relates to a rotary piston compressor of the trochoid type with between a trochoid-shaped one Piston and one of the associated outer envelope curve corresponding η jacket formed Working spaces that are separated from one another by radial seals arranged in the jacket, and with Outlet openings for the gaseous conveying medium from the working spaces, wubei in the trochoidal shape Component wells are arranged, which slide away under the radial seals during operation and thereby form an overflow path for the back expansion.

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. indem 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 Unierdruck 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 OT-Lage des Kolbens. Dieser Umstand bedeutet einen beträchtlichen Verlust an ausnutzbarem Hubraum bzw. an volumetrischem Wirkungsgrad.If such rotary piston machines are used as compressors, then this happens with them known problem of back expansion, as it is also very disadvantageous in reciprocating compressors occurs. The effect of the back expansion works in such a way that in the harmful space of the compressor, d. H. by narrowing the working space on the pressure side including the outflow openings There is a high pressure at the outlet valve, which only relaxes when the machine continues to turn must before there is such a blanket pressure in the now expanding work space that it is for sucking in a new filling is sufficient. Therefore open when using uncontrolled valves these valves very late because of the back expansion. The delay due to back expansion is 20 ° and more crankshaft revolution after the TDC position of the piston. This fact means a considerable one Loss of usable displacement or volumetric efficiency.

Bei einem bekannten Rotationskolbenverdichter (DT-OS 2127546) mit einem Mantel in der Form einer Epitrochoide 2:1 und mit einem dreieckförmigen,In a known rotary piston compressor (DT-OS 2127546) with a jacket in the form of a Epitrochoid 2: 1 and with a triangular,

»5 der inneren Hüllkurve nachgebildeten Kolben sind im Mantel Vertiefungen vorgesehen, die von den in den Ecken des Kolbens angeordneten Radialdichtleisten überstrichen werden. Diese flachen, muldenförmigen Vertiefungen dienen als Überströmweg von der»5 pistons, which simulate the inner envelope curve, are provided with indentations in the jacket, which are separated from the pistons in the Radial sealing strips arranged at the corners of the piston are painted over. These flat, trough-shaped Wells serve as overflow from the

*° Rückexpansionskammer zur vorauslaufenden Druckkammer und ermöglichen bei geschlossenem Einlaß ein Aufladen der Druckkammer. Ein Überströmen findet über einen geringen Winkelbereich der Kurbelwellenumdrehung statt, während die Radialdichtlei-* ° Back expansion chamber to the leading pressure chamber and allow the pressure chamber to be charged with the inlet closed. An overflow takes place over a small angular range of the crankshaft rotation instead, while the radial sealing

=5 sten über die Mulden hinweglaufen. Die Mulden sind dabei im Mantel so angeordnet, daß die Radialdichtleisten in Totpunktslage des Kolbens unmittelbar vor dem Beginn der Überströmmulden stehen. Der als Aufladewinkel bezeichnete Winkelbereich soll bei Leerlauf einen vollen Druckausgleich ermöglichen, also möglichst klein sein. Diese bekannte Ausbildung hat den Nachteil, daß für höhere Drehzahlen kein voller Druckausgleich mehr erreicht wird. Schon bei etwas höher liegenden Leerlaufdrehzahlen tritt dieser Fall ein.= 5 sten run over the hollows. The hollows are arranged in the jacket so that the radial sealing strips in the dead center position of the piston immediately in front stand at the beginning of the overflow basins. The angular range referred to as the charging angle should be at Allow full pressure equalization when idling, i.e. be as small as possible. This well-known training has the disadvantage that full pressure equalization is no longer achieved for higher speeds. Already with something This is the case at higher idling speeds.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die nachteiligen Auswirkungen der Rückexpansion auch bei Rotationskolbenmaschinen der eingangs geschilderten Bauart, d. h. bei Maschinen mit einem trochoidenförraigen Kolben, zu vermeiden und den ausnutzbaren Hubraum möglichst groß zu halten. Dabei soll auch bei höheren Drehzahlen ein möglichst rascher und vollständiger Druckausgleich erfolgen. Diese Aufgabe wird bei einem Rotationskolbenverdichter der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die muldenförmigen Vertiefungen in der Umfangsfläche des Rotjttionskolbens angebracht sind und daß sie von der in Rotordrehrichtung vorderen Kante .t der Kolbenumfangsfläche in Form eines Bogens mit verhältnismäßig kleinem Krümmungsradius beginnen und zur hinteren Kante mit der Kolbenumfangsfläche flach, gleichsam unter spitzem Winkel zu diese' Fläche, auslaufen.The invention is based on the problem of the adverse effects of the back expansion as well in the case of rotary piston machines of the type described above, d. H. in machines with a trochoidal shape Pistons, to avoid and to keep the usable displacement as large as possible. It should A pressure equalization as quick and complete as possible takes place even at higher speeds. This The object is achieved according to the invention in a rotary piston compressor of the type mentioned at the outset solved that the trough-shaped depressions are mounted in the peripheral surface of the Rotjttionskolbens and that they of the front edge in the direction of rotor rotation .t the piston circumferential surface in the form of a Begin the arc with a relatively small radius of curvature and to the rear edge with the piston circumferential surface run out flat, as it were at an acute angle to this' surface.

Bei einer solchen Ausbildung setzt der Rückexpansionsausgleich rasch und voll ein. Sobald die Mulde begonnen hat, unter der Berührungslinie der Radialdichtleiste hindurchzulaufen, erhält man einen verhältnismäßig großen Austrittsquerschnitt bzw. Übertrittsquerschnitt, wodurch zumindst anfangs eine Art Düse zwischen Muldenbegrenzung und Radialdichtleistenkuppe gebildet wird. Dadurch werden kurze Überströmzeiten erzielt und die Anordnung ist auch für höhere Drehzahlen brauchbar. Nachdem der hohe Druck im schädlichen Raum rasch abgebaut ist, kann der neue Ansaugvorgang früher beginnen.In such a training, the back expansion compensation sets in quickly and fully. As soon as the hollow has started to run under the contact line of the radial sealing strip, you get a relatively large exit cross-section or transfer cross-section, whereby at least initially a kind The nozzle is formed between the recess limitation and the radial sealing strip tip. This will make them short Overflow times achieved and the arrangement is also useful for higher speeds. After the high The pressure in the harmful space is quickly reduced, the new suction process can begin earlier.

Um diese Wirkungen noch zu unterstützen, sind die Austrittsöffnungen, in Drehrichtung des Rotationskolbens gesehen, im Bereich vor der den Arbeitsraum In order to further support these effects, the outlet openings, viewed in the direction of rotation of the rotary piston, are in the area in front of the working space

in ablaufender Richtung abschließenden Radialdichtung angeordnet. Ferner ist es zweckmäßig, wenn die muldenförmigen Vertiefungen an ihrer vorlaufenden Kante eine Anrundung zur Kolbenumfangsfläche aufweisen. Die besondere Muldenform ergiDt eine harmonische Durchströmung von eineix» zum anderen Arbeitsraum. Infolge der Anrundung entsteht auch bei hohen Drücken kein Überschallknall beim Öffnen des Überströmweges. Schwingungen der Radialdichtleisten, die zur Bildung von gefürchteten Rattermarken führen können, werden dadurch verhindert.arranged in the downstream direction final radial seal. It is also useful if the Trough-shaped depressions on their leading edge have a rounding to the piston circumferential surface. The special shape of the trough results in a harmonious flow from one »to the other Working space. As a result of the rounding, there is no sonic boom when opening, even at high pressures of the overflow path. Vibrations of the radial sealing strips, which lead to the formation of dreaded chatter marks lead are prevented.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die muldenförmigen Vertiefungen an den betreffenden Stellen der Kolbenumfangsfläche jeweils in Form einer zur Kolbenachse parallelen Reihe von Teilmulden angeordnet sind.In a further embodiment of the invention it is proposed that the trough-shaped depressions the relevant points of the piston circumferential surface in the form of a parallel to the piston axis Row of partial troughs are arranged.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sei nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigtAn embodiment of the invention is explained below with reference to the drawing. It shows

Fig. 1 schematisch eine Querschnittscnsicht eines Rotationskolbenverdichters mit einem Kolben in der Form einer Epitrochoide 2:1,1 schematically shows a cross-sectional view of a rotary piston compressor with a piston in FIG Form of an epitrochoid 2: 1,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus der Darstellung in Fig. 1 im Bereich einer Radialdichtung,FIG. 2 shows an enlarged detail from the illustration in FIG. 1 in the area of a radial seal,

Fig. 3 einen Teil der Kolbenumfangsfläche in veigrößerter Darstellung.3 shows a part of the circumferential surface of the piston in enlarged form Depiction.

Inder Fig. 1 ist als Ausführungsbeispiel eine Rotationskolbenmaschine mit einem im folgenden kurz »Kolben« genannten Rotationskolben mit einer Epitrochoide 2:1 als Umrißkontur gewählt. Eb wäre aber auch eine andere Trochoidenform als Umrißkirve möglich. Der Kolbenmittelpunkt ist mit M_K bezeichnet und wandert beim Betrieb der Maschine auf dem strichpunktiert eingezeichneten Kurbelradius um die als Punkt erscheinende Dreh- oder Mittelachse M₁₄, 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 Pfeil und der Bezeichnung K angedeutet. Der den Kolben 1 umgebende Mantel 2, d. h. im vorliegenden Fall die Querschnittskontur des den Kolben aufnehmenden Statorhohlraums, ist der der Kolben-Epitrochoide während des Kolbenumlaufs zugeordneten äußeren Hüllkurve nachgebildet. Zwischen Kolben 1 und Mantel 2 werden hier die drei Arbeitsräume A, B und C gebildet. Diese Arbeitsräume 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 oberer und unterer Totpunktlage des Kolbens. Die Zufuhr des gasförmigen Mediums zu den Arbeitsräumen ist hier von untergeordneter Bedeutung und daher nicht eingezeichnet. In jedem Arbeitsraum ist eine Auslaßöffnung mit einem Auslaßventil 4a, 46 bzw. 4c angeordnet. Der schädliche Raum an den Auslaßöffnungen bis zum Ventil und der dazugehörende schmale Spalt des Arbeitsraumes A in der oberen Totpunkt-Stellung des Kolbens 1 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.In FIG. 1, a rotary piston machine with a rotary piston, hereinafter referred to as "piston" for short, with an epitrochoid 2: 1 as an outline contour is selected as an exemplary embodiment. Eb, however, another trochoid shape would also be possible as a contour curve. The center of the piston is denoted by M _K and moves when the machine is in operation on the crank radius drawn in _{dash-dotted lines around the rotational or central axis M 14} , the drive shaft, which appears as a point. The direction of rotation of the drive shaft is marked with an arrow on the crank circle, the direction of rotation of the piston 1 is opposite to the direction of rotation of the crankshaft and is also indicated by an arrow and the designation K. The jacket 2 surrounding the piston 1, ie in the present case the cross-sectional contour of the stator cavity receiving the piston, is modeled on the outer envelope curve assigned to the piston epitrochoid during the piston revolution. The three working spaces A, B and C are formed here between piston 1 and jacket 2. These working spaces are separated from one another by the radial seals 3 arranged in the jacket. In Fig. 1, the piston 1 is in the top dead center position in the working space A. The working spaces B and C show intermediate positions between the top and bottom dead center position of the piston. The supply of the gaseous medium to the work rooms is of secondary importance here and is therefore not shown. An outlet opening with an outlet valve 4a, 46 or 4c is arranged in each working space. The harmful space at the outlet openings up to the valve and the associated narrow gap in the working space A in the top dead center position of the piston 1 is responsible for the back expansion. As already mentioned above, it is advantageous if the outlet valves are arranged as close as possible in front of the associated radial seal 3 on the downstream side of the working space.

Im Kolben 1 befinden sich auf seiner Umfangsfläche muldenförmige Vertiefungen 5. Diese muldenförmigen Vertiefungen sind so angeordnet, daß sie in der oberen Totpunktlage des Kolbens unmittelbar vor einer Radialdichtung 3 liegen. Man erkennt in Fig. I links oben deutlich, daß die Vertiefung 5 zwischen Radialdichtung 3 und Auslaßventil 4a liegt. Jeder achsfernen Zone oder jedem Bogenteil des trochoidenförmigen 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 Vertiefungen 5 im Kolben eingezeichnet. Für eine dreibogige Epitrochoide wären demgemäß drei solcher Anordnungen von Vertiefungen S vorgesehen.In the piston 1 there are trough-shaped depressions 5 on its circumferential surface. These trough-shaped depressions Wells are arranged so that they are in the top dead center position of the piston immediately in front a radial seal 3 lie. It can be seen in Fig. I at the top left clearly that the recess 5 between Radial seal 3 and outlet valve 4a is located. Every off-axis zone or every part of the arch of the trochoid-shaped An arrangement of trough-shaped depressions 5 is assigned to the piston. This trough-shaped Depressions are located near the end of the arch. For the one shown here in FIG Two-arched epitrochoid are also shown two trough-shaped depressions 5 in the piston. For a three-arched epitrochoid there would be three such arrangements of depressions S provided.

Wie die Fig. 3 zeigt, ist auf der Kolbenumfangs-As Fig. 3 shows, on the piston circumferential

'5 fläche nicht nur eine einzige muldenförmige Vertiefung 5, sondern deren eine ganze Reihe angeordnet. Der Beginn, d. h. die vorlaufende Kante der muldenförmigen Vertiefungen S, liegt an der achsparallelen Linie α;das Ende der muldenförmigen Vertiefungen bei der achsparallelen Linie b. Die Linien α und b sind auch in Fig. 1 eingezeichnet und definieren dort den Winkel λ, welcher somit die Länge der muldenförmigen Vertiefungen S auf dem Umfang des Kolbens 1 mitbestimmt. Die Linie α und damit der Beginn der'5 surface not only a single trough-shaped recess 5, but a whole row of which is arranged. The beginning, ie the leading edge of the trough-shaped depressions S, lies on the axially parallel line α, and the end of the trough-shaped depressions on the axially parallel line b. The lines α and b are also drawn in FIG. 1 and define the angle λ there, which thus also determines the length of the trough-shaped depressions S on the circumference of the piston 1. The line α and thus the beginning of the

²S muldenförmigen Vertiefungen wird in der oberen Totpunkt-Stellung des Kolbens 1 vorteilhafterweise so gelegt, daß die Linie α durch die Berührungslinie der Radialdichtung 3 mit der Kolbenoberfläche geht. Die muldenförmige Vertiefung 5 beginnt also an der Dichtlinie, die um den Schwenkwinkel β bei der oberen Totpunkt-Stellung des Kolbens von der Ebene der Radialdichtung 3 heraus verdreht ist. ² S trough-shaped depressions are advantageously placed in the top dead center position of the piston 1 so that the line α goes through the line of contact of the radial seal 3 with the piston surface. The trough-shaped recess 5 therefore begins at the sealing line which is rotated by the pivot angle β at the top dead center position of the piston from the plane of the radial seal 3.

An Hand der F ig. 2 sei die Wirkungsweise der muldenförmigen Vertiefungen 5 erläutert. In dieser Figur ist die Lage des Kolbens 1 ganz kurz nach Verlassen der oberen Totpunktlage dargestellt. Nach wenigen Winkelgraden Kurbelwellendrehung befindet sich die muldenförmige Vertiefung 5 gerade unter der Radialdichtung 3. Der augenblickliche Schwenkwinkel istOn the basis of fig. 2 the mode of operation of the trough-shaped depressions 5 will be explained. In this figure the position of the piston 1 is shown very shortly after leaving the top dead center position. After a few Degrees of crankshaft rotation, the trough-shaped recess 5 is just below the radial seal 3. The current swivel angle is

hier mit β bezeichnet. Der Arbeitsraum A stellt sich noch als schmaler Spalt zwischen der Oberfläche des Kolbens 1 und dem Mantel 2 dar. Der auf der anderen Seite der Radialdichtung 3 liegende Arbeitsraum B ist noch verhältnismäßig weit ausgedehnt. Im schädlichen Raum des Arbeitsraumes A, d. h. in dem schmalen Spalt zwischen Kolben und Mantel sowie in der Bohrung des Auslaßventiles Aa (siehe Fig. 1), das in Fig. 2 nicht dargestellt ist, herrscht noch ein hoher Druck des verdichteten Fördermediums. 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. i:n Arbeitsraum A, rasch abgebaut, so daß dort viel früher ein erneutes Ansaugen erfolgen kann. Beim Überströmen geht kein Teil des Mediums verloren, vielmehr wird das übergeleitete Medium zusätzlich zur normalen Füllung im Arbeitsraum B als Überladungsanteil hinzukommen.here denoted by β. The working space A still appears as a narrow gap between the surface of the piston 1 and the jacket 2. The working space B lying on the other side of the radial seal 3 is still relatively large. In the harmful space of the working space A, ie in the narrow gap between the piston and jacket and in the bore of the outlet valve Aa (see FIG. 1), which is not shown in FIG. 2, there is still a high pressure of the compressed conveying medium. In workspace B, on the other hand, there is the much lower pressure of the medium that has flowed in or sucked in. Part of the high pressure medium can now flow over from working space A into working space B through the trough-shaped depressions 5. As a result, the high pressure in the harmful space on the pressure side, ie i: n working space A, is rapidly reduced, so that a renewed suction can take place there much earlier. When overflowing, no part of the medium is lost; rather, the transferred medium will be added to the normal filling in working space B as an overload component.

In Fig. 2 sind zusätzlich noch die Begrenzungsliniena und b der muldenförmigen Vertiefungen 5 angedeutet, ebenso der Winkel λ. Form und Größe derIn Fig. 2, the boundary lines a and b of the trough-shaped depressions 5 are also indicated, as is the angle λ. Shape and size of

muldenförmigen Vertiefungen 5 können aut die übrigen Betriebsbedingungen der Maschine abgestimmt sein, d. h. auf Drehzahl, Ausmaß der Rückexpansion usw. Der Druckausgleich erfolgt rasch und vollstän-Trough-shaped depressions 5 can be adapted to the other operating conditions of the machine be, d. H. speed, extent of re-expansion, etc. The pressure equalization takes place quickly and completely.

ig. Durch die Form der Mulden S mit einem flachen snde bei der Linie b und einer stärkeren Wölbung lei der Linie α ergibt sich eine gute harmonische )urchströmung vom Arbeitsraum A zum Arbeitsaum B. Dabei braucht selbstverständlich die Wölbung der muldenförmigen Vertiefungen 5 an der Linie α keine Kante mit der Kolbenumfangsfläche zu bilden, wie es der Einfachheit halber in Fig. 2 eingezeichnet ist, sondern es kann dort eine kleine Anrundung zur Kolbenumfangsfläche vorgesehen sein.ig. The shape of the troughs S with a flat end at line b and a stronger curvature on line α results in a good, harmonious flow from workspace A to workspace B. Of course, the curvature of trough-shaped recesses 5 on line α does not need any To form an edge with the piston circumferential surface, as it is shown for the sake of simplicity in Fig. 2, but there can be provided a small rounding to the piston circumferential surface.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

■ "-" - "■ Claims:

1.Rotary piston compressor of the trochoid design with working spaces formed between a trochoid-shaped piston and a jacket corresponding to the associated outer envelope curve, which are separated from one another by radial seals arranged in the jacket, and with outlet openings for the gaseous conveying medium from the working chambers, with depressions being arranged in the trochoid-shaped component, which slide under the radial seals during operation and thereby form an overflow path for the back expansion, characterized in that the trough-shaped depressions (5) are made in the circumferential surface of the rotary piston (1) and that they are supported by the front edge in the direction of rotation of the rotor (at a) the piston circumferential surface begin in the form of an arc with a relatively small radius of curvature and to the rear edge (at b) with the piston circumferential surface flat, as it were at an acute angle to this surface, taper off.

2. A compressor according to claim 1, characterized in that the outlet openings (4a, 4b, 4c), as seen in the direction of rotation of the rotary piston (1), in the region in front of the working space (A, B, C) final in decreasing direction radial seal (3 ) are arranged.

3. Compressor according to claim 1 or 2, characterized in that the trough-shaped depressions (5) on their leading edge (at a) have a rounding to the piston circumferential surface.

4. Compressor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the trough-shaped recesses (5) are arranged at the relevant points of the piston circumferential surface in the form of a row of TeU troughs parallel to the piston axis (M _K ).