DE2414933A1

DE2414933A1 - Rotationskolbenverdichter der trochoidenbauart

Info

Publication number: DE2414933A1
Application number: DE2414933A
Authority: DE
Inventors: Albert Dr Ing Fritzsche; Juergen Dipl Ing Lambrecht
Original assignee: Dornier System GmbH
Current assignee: Dornier System GmbH
Priority date: 1974-03-28
Filing date: 1974-03-28
Publication date: 1975-10-09
Also published as: SE7502174L; JPS50128812A; CH588640A5; GB1443506A

Description

24H933

DORNIER SYSTEM GlIBiI
Friedrichsliafen

Reg. S 195

Rotationskolbenverdichter der Trochoidenbauart

Die Erfindung betrifft einen Rotationskolbenverdichter der Trochoidenbauart. Dabei ist eine Rotationskolbenmaschine vorausgesetzt, deren Kolbenform einer Trochoide entspricht und deren *!antelprofil der zugeordneten äußeren Hüllkurve zur Trochoide nachgebildet ist. Zwischen Trochoide und Hüllkurve werden die Arbeitsräume der Maschine gebildet und seitlich von den Gehäuseseitenv/änden begrenzt. Die einzelnen Arbeitsraum© sind durch liadialdichtungen, die im Mantel in den Simultanpunkten der Trochoide angeordnet sind, voneinander getrennt.

Durch die DT-OS 1 551 123 ist eine Rotationskolbenmaschine der oben genannten Bauart bekannt, die zur Förderung flüssiger oder gasförmiger Medien dient. Das Ansaugen des Mediums und die Zufuhr zu den Arbeitsräumen erfolgt von einem in der Gehäuseseitenwand liegenden Sammelraum her über Ansaugöffnungen in der Kolbenstirnwand, von denen Kanäle zu Steueröffnungen in der Kolbenumfangsflache führen. Aus den Steueröffnungen tritt das Medium in die Arbeitsräume aus. Die Förderung aus dem Arbeitsraum in den Druckraum erfolgt über Rückschlagventile im Mantel der Maschine.

509841/0448

Die DT-PS 1 451 781 zeigt eine Rotationskolben-Brennkraftmaschine, die ebenfalls von der eingangs genannten Bauart ist. Diese bekannte Maschine arbeitet nach dem Vier-Takt-Prinzip und vermeidet Einlaß- und Auslaßventile bzw. besonders angetriebene Drehschieber. Auch bei dieser Maschine sind in der KoIbenumfangsflache Einlaß- bzw. Auslaßöffnungen vorhanden, von denen im Kolben verlaufende Kanäle zu Öffnungen in der Kolbenstirnwand führen. Dabei sind die Öffnungen für den Einlaß in der einen Kolbenstirnwand und die Öffnungen für den Auslaß in der anderen Kolbenstirnwand angeordnet. Die Öffnungen in den Kolbenstirmvänden kommunizieren mit abgedichteten Sammelräumen im Gehäuse. Die letztgenannte Verbindung ist aber kompliziert, da sie eine berührungsfreie Labyrinth-Abdichtung erfordert, bei der besondere, mit dem Kolben verbundene Seitenscheiben zusammen mit ihm rotieren und mit geringem Spiel in scheibenförmige Ringräume in den Gehäuseseitenwänden eintauchen, wo radial nach außen gerichtete Durchbrüche der Scheiben die Verbindung zu den Sammelräumen herstellen. Nachteilig ist es_r daß diese bekannte Ausbildung nur für Rotationskolbenmaschinen anwendbar ist, die einen Kolben mit einer geraden Anzahl von achsnahen Zonen aufweisen. Ferner läßt sich die bekannte Anordnung der Einlaß- und Auslaßöffnungen auf der KoIbenumfangsflache nicht von Vier-Takt Brennkraftmaschinen auf Maschinen zur Förderung bzw. Verdichtung von Medien übertragen.

Es ist auch schon eine Rotationskolbenmaschine der Trochoidenbaüart zur Förderung inkompressibler Medien vorgeschlagen worden , die ebenfalls Einlaß- und bzw. oder Auslaßventile vermeidet.

509841 /0448

Bei dieser Maschine wird beim Einlaß das Medium durch Öffnungen

in einer Gehäuseseitenwand in eine Aussparung in der angrenzenden Kolbenstirnfläche geleitet. Von dieser Aussparung führen Bohrungen oder Schlitze in die Kolbenumfangsflache, durch die das Medium in den Arbeitsraum austreten kann. Die Öffnungen der Bohrungen werden von den Radialdichtungen überfahren und auf diese Weise wird der Fluß des Mediums von den Radialdichtungen gesteuert. Die Öffnungen in der Kolbenumfangsflache werden daher als Steueröffnungen

bezeichnet. In entsprechender Weise wird das Medium auch wieder aus dem Arbeitsraum herausgefördert. Bei dieser Art von Rotationskolbenmaschinen sind die seitlichen Aussparungen der Kolbenstirnfläche kanalartig ausgebildet und weisen eine derartige, langgestreckte Form auf, daß sie über den erforderlichen Zeitraum mit der Zufluß-bzw. Abflußöffnung in der Gehäuseseitenwand in Verbindung stehen. Diese Ausbildung läßt sich aber nicht ohne weiteres auf Rotationskolbenmaschinen übertragen, die als Verdichter eingesetzt werden sollen, denn sie bedingt einen unerwünschten schädlichen Raum durch Anordnung der Kanäle in den Kolbenstirnwänden. Man hat daher bisher bei Verdichtern im allgemeinen das verdichtete Medium vom Arbeitsraum heraus über Auslaßventile, die in der Mantelwand angeordnet sind, gefördert.

Der Vorteil von Rotationskolbenmaschinen mit einer Epitrochoide als Kolbenform, insbesondere einer Epitrochoide 1:1, nämlich kompaktes Bauvolumen, wenig bewegte Teile und hohe Lebensdauer, wird von den genannten Lösungen nur sehr eingeschränkt erreicht. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei Rota-

5 O 9 8 Λ 1 /0448

tionskolbenmaschinen der eingangs genannten Bauart für ihre Verwendung als Verdichter Auslaßventile zu vermeiden und vor allen Dingen auch die Möglichkeit zu schaffen, ohne große Schwierigkeiten mit der gleichen Maschine unterschiedliche Verdichtungsgrade zu erreichen. Ausgehend von der oben genannten Anordnung von Steueröffnungen in der Kolbenumfangsflache und von diesen Steueröffnungen ausgehenden, in einer Kolbenstirnfläche mündenden Kanälen innerhalb des Kolbens, sowie damit in Verbindung stehenden Auslaßöffnungen in der Gehäuseseitenwand wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Auslaßöffnungen sich über einen Bogen erstrecken, dessen Länge mit der Winkellage der Steueröffnungen auf dem Kolbenumfang gegenüber der Kolbensymmetrie-Achse derart abgestimmt ist, daß die Verbindung zwischen Steueröffnung und Auslaßöffnung bei Erreichen eines bestimmten Verdichtungsgrades im Arbeitsraum hergestellt ist und das Ausschieben des verdichteten Mediums während des Durchlaufens des Bogenbereiches erfolgt. Um hierbei schädliche Räume gering zu halten, werden in der Praxis extrem kurze Kanäle im Kolben geführt, die von den von den Radialdichtungen Überfahrenets Steueröffnungen in der Kolbenumfangsfläche zur zugehörigen Öffnung in der Kolbenstirnfläche verlaufen. Man erreicht dies vorteilhafterweise durch kurze Axialbohrungen von der Kolbenstirnwand aus mit anschließender Radialbohrung zur Steueröffnung oder auch durch schräg von der Kolbenstirnfläche zur Kolbenumfangsflache verlaufende Bohrungen. Die Öffnungen in der Kolbenstirnfläche werden dabei flächenmäßig möglichst gering gehalten. Dabei ist wichtig, daß diese Öffnungen im erwähnten

509841 / 0 A 48

Bogenbereich eine einwandfreie Verbindung zur Auslaßöffnung in der Seitenwand herstellen und den für den Fluß des Mediums benötigten Querschnitt aufweisen. Die Auslaßöffnungen in der Gehäuseseitenwand, die mit den Öffnungen in der Kolbenstirnwand in Verbindung stehen, erstrecken sich je nach dem geforderten Verdichtungsgrad über einen entsprechend gewählten Bogenbereich. Durch Auswechseln der Stirnwände verschiedener Ausführung oder durch blendenartig wirkende Zwischenscheiben kann die Form der Auslaßöffnungen und ihre wirksame Bogenlänge und damit auch der Verdichtungsgrad bei ein- und derselben Maschine ohne große Schwierigkeit geändert werden.

Gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung ist es auch möglich, in der Umlaufrichtung des Kolbens mehrere voneinander durch einen größeren Abstand getrennte Auslaßöffnungen in den Seitenwänden vorzusehen. Auf diese Weise ist es möglich, bei einer Umdrehung der Maschine nacheinander verschiedene Verdichterstufen im gleichen Arbeitsraum zu erhalten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sei nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigen: Fig. 1 scheraatisch im Querschnitt einen Rotationskolbenverdichter,

dessen Kolben die Form einer Epitrochoide 1:1 aufweist, Fig. 2 und 3 die Anordnung von Verbindungskanälen im Kolben, Fig. 4 eine Abwandlung von Fig. 1,
Fig. 5 ein Druckdiagramm der Maschine gemäß Fig. 4.

In <Ier Fig. 1 ist als Ausführungsbeispiel eine Rotationskolbenmaschine gewählt, deren Kolben 1 die Form einer Epitrochoide 1:1, d.h. einer Herzkurve, zugrunde gelegt ist. Es sei hier er-

509841/0448

wähnt, daß selbstverständlich auch andere Trochoiden der Kolbenform zugrunde gelegt werden können. Der Kolben wird von einem Mantel 10 umschlossen, dessen Innenwand mit 2 bezeichnet ist und der Form der äußeren Hüllkurve zur Trochoide entspricht. Im Mantel 10 sind an den Simultanpunkten der Trochoide, d.h. an den Schnittpunkten der Trochoide siit den zugehörigen Hüllkurven, Radia!dichtungen 3 angeordnet. Die Radialdichtungen 3 trennen die beiden zwischen Kolben 1, Mantel 10 und den Seitenwänden gebildeten Arbeitsräume A und A„ voaeirtander„ Strichpunktiert ist außerdem die innere Hüllkurve 9 eingezeichnet. Das Getriebe zur Erzeugung der Trochoidenbewegung ist der Einfachheit halber nicht dargestellt, sondern es ist lediglich der Kurbelkreis 11 eingezeichnet und bei ihm die Drehrichtung der Kurbelwelle durch einen Pfeil gekennzeichnet. Di© entgegengesetzt gerichtete Drehbewegung des Kolbens 1 ist ebenfalls durch einen Pfeil mit der Bezeichnung D eingezeichnet. Der Kolben 1 ist in einer Zwischenlage zwischen UT- und OT-Lage dargestellt.

Auf der KoIbenumfangsflache befindet sich eine Steueröffnung 4, die während der Drehbewegung des Kolbens unter den Radialdichtungen 3 hindurchläuft. Die Steueröffnung 4 ist als Radialbohrussg im Kolben ausgeführt. Von dieser Radialbohrung führt eine Axialbohrung 5 als Verbindungskanal zur Öffnung in der Kolbenstirnwand. Diese Öffnung ist wegen der Lage der zugehörigen AuslaßöffnuBgen in den Gehäuseseitenwänden hier als Langloch ausgebildet. In einer oder in beiden Gehäuseseitenwänden sind die gestrichelt eingezeichneten Auslaßöffnungen 6 angeordnet. Sie über-

509841/0448

decken innerhalb der inneren Hüllkurve 9 einen gewissen Bogenbereich T-¹ · Während des Arbeitens der Maschine findet in den Arbeitsräumen A₁ und A_, ausgehend von der jeweiligen UT-Lage des Kolbens, eine Verdichtung des zugefUhrten Mediums statt, bis die Öffnung 4 in der Kolbenstirnwand den Anfang des Winkelbereiches

r^ erreicht. Beim Weiterdrehen der Maschine findet dann beim Durchlaufen dieses Winkelbereiches T^ ein Ausschieben des auf diesen Grad verdichteten Mediums statt. Zum Beispiel wird das Medium aus dem Arbeitsraum A₂ über die Steueröffnung 4 und den Kanal 5 zur Auslaßöffnung 6 in der Gehäuseseitenwand geleitet und von dort zur Sammelleitung 7 (siehe Fig. 2) weitergeführt. Gegebenenfalls können in den Seitenteilen noch Rückschlagventile vorgesehen werden. Wichtig ist aber, daß die Verbindungskanäle im Kolben selbst möglichst kurz gehalten werden.

Die Fig. 2 zeigt als Ausschnitt einen Axialschnitt der Maschine, der etwa der Schnittlinie B-B in Fig. 1 entspricht und bei der der Kolben 1 so weitergedreht ist, daß die Steueröffnung 4 unter der Radialdichtung 3 etwa in Totpunktlage liegt. Wie die Fig. 2 zeigt, ist der Mantel 10 von den beiden Gehäuseseitenwänden 12 und 13 eingeschlossen. Der Kolben 1 ist ia Anlage an der Radialdichtung 3. Die Axialdichtung 8 des Kolbens ist hier nur im Prinzip angedeutet. Von der KoIbenumfangsflache, die eben an der Radialdichtung 3 anliegt, führt die Steueröffnung 4 als Radial bohrung in den Kolben. Anschließend an diese Radialbohrung ist die Axialbohrung 5 erkennbar, die die Verbindung zur Kolbenstirnfläche herstellt. In der Gehäuseseitenwand 13 ist die Auslaßöffnung 6

509841/0448

und die Sammelleitung 7 eingezeichnet. Die Sammelleitung 7 kann als Ringleitung z.B. die beiden Auslaßöffnungen 6 fUr die beiden Arbeitsräume A₁ und A„ miteinander verbinden. Diese Sammelleitung ist jedoch in keiner der Figuren eingezeichnet. Ergänzend sei noch erwähnt, daß gegebenenfalls mehrere, nebeneinanderliegende Steueröffnungen 4 als Radialbohrung in die gemeinsame Axialbohrung 5 führen können.

Die Fig. 3 zeigt gegenüber der Fig. 2 lediglich die Abwandlung, daß als Verbindungskanal im Kolben 1 lediglich eine schräge Bohrung 4¹ von der Kolbenumfangsflache zur Kolbenstirnfläche führt. Auf diese Weise wird eine extrem kurze Verbindung geschaffen und daher der schädliche Raum ganz gering gehalten.

Ergänzend soll festgestellt werden, daß die Zufuhr des zu verdichtenden Mediums hier in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Die Zufuhr des Mediums kann in beliebiger Weise erfolgen, z.B. ebenfalls über Steueröffnungen im Kolben und Einlaßöffnungen in einer Gehäuseseitenwand, aber auch über besondere Einlaßventile, z.B. im Mantel. Je nach der Art der Zufuhr des Mediums kann dann nur eine oder auch beide Seitenwände für Auslaßöffnungen verwendet werden.

Die Fig. 4 entspricht im Aufbau der Fig. 1. Der Kolben 1 ist hier in seiner OT-Lage bezüglich des Arbeitsraumes A₁ und seiner UT-Lage bezüglich des Arbeitsrauraes A„ eingezeichnet. Abweichend von Fig. 1 sind hier aber außer den Auslaßöffnungen 6 in den Seitenwänden, die - wie in Fig. 1 in Winkelbereich J¹ liegen - noch zusätzliche Auslaßöffnungen 6a eingezeichnet. Diese

- 9 —

509841 /0448

weiteren Auslaßöffnungen in den Seitenwänden überdecken den Bogenbereich Οζ, . Zwischen den beiden eingezeichneten Bogenbereichen GC und Ύ- liegt ein Bogenbereich β , der die beiden Auslaßöffnungen 6 und 6a voneinander trennt.

Der Verlauf der Verdichtung bei einer solchen Maschine ist im Diagramm der Fig. 5 dargestellt. Es ist der Druckverlauf über den Drehwinkel der Maschine zwischen UT- und OT-Lage innerhalb eines Arbeitsraumes aufgezeichnet. Es ist angenommen, daß nach Füllung des Arbeitsraumes in UT-Lage der Druck p- herrsche. Die Steueröffnung 4 befindet sich dabei beispielsweise unter der links dargestellten Radialdichtung 3. Beim Weiterdrehen des Kolbens 1 in Drehrichtung D erfolgt dann so lange eine Verdichtung des Mediums im Arbeitsraum A₃, bis die Steueröffnung 4 mit ihrem zugehörigen Kolbenkanal beim Beginn des Winkelbereiches aC die Verbindung zur Auslaßöffnung 6a herstellt. Hier herrscht beispielsweise der Druck Po. Während des Durchlaufens des Winkelbereiches cL wird dann das Medium mit diesem Druck p₂ ausgeschoben. Daran anschließend erfolgt im Winkelbereich β eine weitere Verdichtung auf einen neuen Verdichtungsgrad p₂· Beim Übergang vom Winkelbereich β zum anschließenden Winkelbereich ^ wird dann das auf den Druck p₂ verdichtete Medium aus dem Arbeitsraum A„ vollends ausgeschoben. Es sei noch erwähnt, daß die beschriebene Ausbildung nicht auf zwei Auslaßöffnungen 6 und 6a pro Arbeitsraum, d.h. auf zwei Verdichterstufen beschränkt ist, sondern daß noch weitere Stufen vorgesehen werden können und große Freizügigkeit beim Festlegen der einzelnen Bereiche und Verdichterstufen gegeben ist. Jede der in

- 10 -

509841 /0448

den Seitenwänden vorgesehenen Auslaßöffnungen 6 oder 6a ist an eine getrennte Druckleitung angeschlossen, wobei wiederum die einander diametral gegenüberliegenden Auslaßöffnungen 6 oder auch die einander diametral gegenüberliegenden Auslaßöffnungen 6a jeweils an eine gerneinsaase Druckleitung angeschlossen werden können.

19. März 1974
KJ 10/Bau/ke

509841 /0^48

Claims

Reg. S 195

Patentansprüche :

( 1.) Rotationskolbenverdichter der Trochoidenbauart mit zwischen einem trochoidenförraigen Kolben, einem der zugeordneten äusseren Hüllkurve entsprechenden Mantel und zwei beidseitig des Kolbens angeordneten Gehäuseseitenwänden gebildeten Arbeitsräumen, die durch im Mantel in den Simultanpunkten der Trochoide angeordnete Radialdichtungen voneinander getrennt sind, bei der das im Arbeitsraum verdichtete Medium vom Arbeitsraum aus durch Steueröffnungen in der Kolbenumfangsflache und damit in Verbindung stehende und in einer Kolbenstirnfläche mündende Kanäle im Kolben zu innerhalb der inneren HUllkurve liegenden Auslaßöffnungen in der angrenzenden Gehäuseseitenwand gelangt, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnungen (6) sich über einen Bogen ( ^ ) erstrecken, dessen Länge mit der Y.'inkellage der Steueröffnungen (4) auf dem Kolbenumfang gegenüber der Kolbe nsymraetrie-Achse derart abgestimmt ist, daß die Verbindung zwischen Steueröffnungen (4) und Auslaßöffnungen (6) bei Erreichen eines bestimmten Verdichtungsgrades im Arbeitsraum (A., A₂) hergestellt ist und das Ausschieben des verdichteten Mediums während des Durchlaufens des Bogenbereich.es ( X- ) erfolgt.

509841/0 448 - - 12 -

2. Rotationskolbenverdichter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen extrem kurzen Kanal (5) von den Steueröffnungen (4) zu den zugeordneten, mit den Auslaßöffnungen (6) kommunizierenden Öffnungen in der Kolbenstirnwand.

3. Rotationskolbenverdichter nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch eine von der Öffnung in der Kolbenstirnwand ausgehende Axialbohrung (5 in Fig. 2) im Kolben (1), von der aus wenigstens eine Radialbohrung zu den Steueröffnungen (4) in der Kolbenumfangsflache führt.

4. Rotationskolbenverdichter nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch einen schräg verlaufenden Kanal (4* in Fig. 3) zwischen einer Steueröffnung auf der Kolbenumfangsflache und der Öffnung auf der Kolbenstirnfläche.

5. Rotationskolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Umlaufrichtung (D) des Kolbens (1) mehrere, an getrennte Druckleitungen angeschlossene Auslaßöffnungen (6, 6a) mit dazwischenliegenden Verdichtungsbereichen ( β ) angeordnet sind.

19. März 1974
KJ 10/Bau/ke

509841/0448

AZ

Leerseite