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"Von Fluid durchströmte Maschine" Die Erfindung betrifft eine von
Fluid durchströmte Maschine, z.B. Pumpe, Motor, Getriebe, Kompressor, mit einem
Rotor, axialer Zuleitung und Ableitung des Fluids zum und vom Rotor und mit einem
gegen Drehung gesicherten, axial beweglichen und in mindestens einer Druckfluidkammer
eines stationären Teiles mindestens teilweise angeordneten, durch Druckfluid in
der Andrückkammer gegen den Rotor gedrückten, mit einem exzentrischen Teil versehenen
Steuerkörper.
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Eine solche Maschine ist in der DT-OS 22 14 771 beschrieben.
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Die Erfindung ist grundsätzlich anwendbar auf jede Art von Maschinen
der oben genannten Art, welche Arbeitskammern mit zugeordneten Verdrängergliedern
wie Kolben od. dgl.
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haben, um ein Fluid (Flüssigkeit oder Gas) aufzunehmen bzw. wieder
abzugeben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Axialkrärte, die durch
das unter Druck stehende Fluid auf den als Druckglied wirkenden Steuerkörper ausgeübt
werden und ein einseitiges Kippmoment auf denselben ausüben, mit möglichst geringem
baulichen Aufwand so auszugleichen, daß der Steuerkörper trotz der exzentrischen
Beaufschlagung durch das als Druckmittel wirkende Fluid von hierdurch erzeugten
Kippmomenten vollständig oder praktisch vollständig entlastet wird, so daß ein gleichmäßiges
Anliegen der das Fluid steuernden Steuerflächen am Steuerkörper einerseits und am
Rotor andererseits in dem zwischen ihnen gebildeten Steuerspiegel sichergestellt
ist und eine örtlicht erhöhte Leckage auf einer Seite desselben sowie eine örtliche
verstärkte Reibung auf der gegenüberliegenden Seite auf ein Mindestmaß verringert
bzw. ausgeschaltet wird.
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Die Erfindung besteht demgemäß im wesentlichen darin, daß der Abstand
der Achse der Druckfluidkammer und des darin angeordneten exzentrischen Teiles des
Steuerkörpers von der Achse des Rotors mindestans annähernd dem Abstande des Druckfluidmittelpunktes
des betreffenden Steuerspiegel teiles von der Achse des Rotors entspricht.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen sowie
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen zu entnehmen.
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Durch die Erfindung wird erreicht, daß der Druckmittelpunkt der exzentrischen
Schulter in Achsrichtung des Rotors gleichachsig zum Druckmittelpunkt der Steuerfläche
liegt und ein gleichmäßiger Andruck der gegen Drehen gesicherten, relativ stationären
Steuerfläche an die umlaufende Steuerfläche des Rotors gewährleistet ist.
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Eine nach der Erfindung gebaute Maschine zeichnet sich vor allem dadurch
aus, daß sie geringen Leckverlust mit hohem Wirkungsgrad vereinigt, und zwar sowohl
bei hohen und niedrigen Drücken als auch bei hohen und niedrigen Drehzahlen. Ein
Verschweißen der aufeinanderlaufenden Steuerflächen von Druckglied und Rotor, wie
dieses bei nicht genügend ausgeglichenen exzentrisch zur Rotorachse bzw.
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zum Steuerspiegel wirkenden Axialkräften leicht auftritt, wird - auch
bei hohen Axialdrücken - vollständig vermieden.
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Auch können besondere Dichtungselemente erspart werden.
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Des weiteren kann die Maschine sehr einfach gebaut werden, da durch
den gleichmäßigen Andruck des Steuergliedes oder Druckgliedes gegen den Rotor nur
ein relativ einfaches Entlastungssystem erforderlich ist.
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Unter Berücksichtigung der erfindungsgemäßen Lehre kann in der Regel
der über den zentrischen Teil des Druckgliedes radial überragende, eine Schulter
bildende Teil des exzentrischen Teiles desselben relativ klein bemessen sein, wobei
der exzentrische Teil vorzugsweise als zylindrischer Körper ausgebildet ist und
der radial überragende Teil einen verhältnismäßig schmalen sichelförmigen Querschnitt
erhält. Durch eine Aussparung in dem den zentrischen Teil umschließenden Gehäuseteil,
die im Querschnitt dem radial überragenden Teil des exzentrischen Teiles entspricht,
kann trotz dieses überragenden Teiles ein einfacher Einbau durch axiales Einschieben
des Steuergliedes oder Druckgliedes in das mit einer entsprechenden Bohrung versehene
Gehäuse erreicht werden.
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Insbesondere ist die Anordnung so bemessen, daß der Querschnitt der
Druckkammer nur einige Prozent größer ist als der Querschnitt der entsprechenden
äquivalenten Hochdruckfläche im Steuerspiegel zwischen dem als Steuerkörper dienenden
Druckglied und dem Rotor.
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Die das Fluid enthaltende Ausgleich-Druckkatmner kann in einem einteiligen
oder mehrteiligen Körper angeordnet
sein. Auch können gegebenenfalls
zwei abgedichtete Kammern vorgesehen sein.
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In der Zeichnung zeigen Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch eine bekannte
Maschine mit fluidbeaufschlagtem Rotor, Fig. 2 einen ähnlichen Längsschnitt durch
eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Erfindung, Fig. 3 eine Endansicht des
als Steuerkörper dienenden Druckgliedes gemäß Fig. 2, Fig. 4 einen Schnitt nach
Linie IV-IV der Fig. 2, Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform
der Erfindung, Fig. 6 einen Schnitt nach Linie VI-VI der Fig. 5,
Fig.
7 einen Teilausschnitt aus Fig. 5 mit einem Druckdiagramm, Fig. 8 eine Erläuterungsskizze
zur Bestimmung der Druckverhältnisse und Fig. 9 ein Diagramm für die Lage des Schwerpunktes
bzw.
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des Druckmittelpunktes.
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bekannten In der Us rungsform nach Fig. 1 ist der Rotor 1 in Lagern
drehbar gelagert, die in einem in der Zeichnung nur teilweise gezeichneten Gehäuse
angeordnet sind. Die Lager umfassen ein Drucklager 32 an einem axialen Ende des
Rotors 1. Dieser enthält zwei oder mehrere fluidbeaufschlagte Arbeitskammern, z.B.
die Kammern 2 und 5, und mit ihnen zusammenwirkende Verdrängerglieder 4, z.B. radial
bewegliche Kolben, welche ein Vergrößern oder Verkleinern des Volumens der betreffenden
Arbeitskammern bewirken. Rotorkanäle 12 und 15 erstrecken sich von den betreffenden
Arbeitskammern 2 und 5 bis an ein Ende des Rotors 1 und bilden Rotoröffnungen 12a
und 15a, welche dem Zufluß und dem Abfluß des Fluids zu bzw. von den Arbeitskammern
dienen. Ein Gehäuseteil oder Deckel 14 der Einrichtung ist mit Fluid enthaltenden
Druckkammern 8 und 9 versehen, und ein als Steuerkörper dienendes Druckglied 7 wird
teilweise von den Druckkammern 8 und 9 begrenzt und weist eine stationäre Steuerfläche
20 an dem dem Rotor 1 benachbarten
Ende des Druckgliedes 7 auf,
die mit der rotierenden Steuerfläche 19 am benachbarten axialen Ende des Rotors
7 zusammenwirkt. Das Fluid in den Druckkammern 8 und 9 drückt das Druckglied 7 a.xial
gegen die Steuerfläche 19 des Rotors 1, so daß kein Leckverlust entsteht oder nur
eine kleine Fluidmenge durch den Steuer-Passungsspalt oder Steuerspiegel austreten
kann, der zwischen den relativ zueinander umlaufenden Steuerflächen 19 und 20 gebildet
wird.
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Das Druckglied 7 weist, einen oder mehrere konzentrische Teile, z.B.
7a und 15a, und mindestens einen exzentrischen Teil (Exzenterteil) 31 auf. Das Fluid,
in der Regel Flüssigkeit, fließt von einer Offnung 10 im Gehäuseteil 14 durch einen
Kanal 5 mit Steueröffnung 5a im Druckglied 7, durch den Rotorkanal 12 oder 17 in
eine der Arbeitskammern 2 und 5 des Rotors 1 und von dort aus der betreffenden Arbeitskammer
durch die entsprechenden Rotorkanäle 15 oder 12 und über die Steueröffnung 6a und
den Kanal 6 im Druckglied 7 zur Öffnung 11 des Gehäuseteiles 14, oder umgekehrt.
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Ein Teil 51a des Exzenterteils 51 des Druckgliedes 7 erstreckt sich
radial über die Steuerfläche 19 oder 20 hinaus.
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Durch Anwendung der nachfolgend näher erläuterten erz in dungsgemäßen
Maßnahmen und durch entsprechende Bemessung des Exzenterteils 51 bzw. des überragenden
Teils 31a ist es möglich, den Druckmittelpunkt des auf das Druckglied von der Druckkammer
8 in eine axiale Flucht parallel zur Rotorachse mit dem Druckmittelpunkt des Fluids
zu bringen, welches den Film im Steuerspiegel zwischen der stationären und der rotierenden
Steuerfläche 19 und 20 bildet. In diesem Falle braucht sich der exzentrische Teil
31 mit der Schulter 51a nur geringfügig radial über die Steuerflächen 19,20 hinaus
zu erstrecken, wobei seine Querschnittsfläche nur um einige Prozent die Steuerflächen
19, 20 des Steuerspiegels überschreitet.
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Eine vereinfachte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 2 und
2a dargestellt. Das Fluid fließt von einer Öffnung 24 des Gehäuseteiles 14 durch
eine Fluid enthaltende Saugkammer oder Einlaßkammer 22, durch einen Kanal 6 mit
Steueröffnung 6a und den entsprechenden Rotorkanal 13 oder 12 in eine der Arbeitskammern
des Rotors 1, die es über den entsprechend anderen Rotorkanal 12 oder 13, den Steuerspiegel
zwischen den Steuerflächen 19,20, den Kanal 5 mit der zugehörigen Steueröffnung
5a, eine Druckkammer 21 und eine Öffnung 23 im Gehäuseteil 14 verläßt. Die Richtung
des
Fluids kann auch umgekehrt sein. Wenn die Richtung des Fluids
nicht umkehrbar ist, kann in gewissen Fällen der Sitz 17 für den zentrischen Teil
(7a in Fig. 1) des Druckgliedes 7 fortgelassen werden.
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Es sind wieder zwei Druckkammern 21 und 22 vorgesehen, die wirkungsmäßig
eine Druckkammer bilden. Sie sind gegeneinander durch einen vorzugsweise zylindrischen
Sitz 16 abgedichtet. Die Achse des Sitzes 16 verläuft exzentrisch (siehe e in Fig.
)) mit Bezug auf die Achse des Rotors 1 und die Achse des oder der konzentrischen
Teile des Steuerkörpers 7. Die Fluiddruckkammer 22 kann durch einen vorzugsweise
zylindrischen Sitz 17 abgedichtet sein.
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Doch fällt die Achse des Sitzes 17 mit der Achse des oder der konzentrischen
Teile des Druckgliedes 7 und damit auch mit der Achse des Rotors 1 zusammen. Fluid
von hohem Druck kann die Druckkammer 21 oder 22 füllen; in jedem Fall wird der Druck
des Fluids in den Kammern 21 oder 22 das Druckglied 7 axial gegen die Steuerfläche
19 des Rotors 1 drücken, so daß die Steuerflächen 19,20 gegeneinander gepreßt werden
und einen selbstdichtenden Steuerspiegel oder Steuerdichtspalt bilden. Das Druckglied
7 ist in den Druckkammern 21,22 axial begrenzt beweglich. Die Querschnittsfläche
des exzentrischen Teiles 51 mit der Schulter 31a des
Druckgliedes
7 soll wieder nur um einige Prozent (d.h.
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um etwa 4 bis 6 %) die später noch erläuterte äquivalente Hochdruckfläche
des entsprechenden Teiles des Steuerspiegels zwischen den Steuerflächen 19 und 20
überschreiten. Auch sollte die Exzentrizität e des exzentrischen Teiles 31 so bemessen
sein, daß der Druckmittelpunkt des exzentrischen Teils 51 koaxial mit dem Druckmittelpunkt
des entsprechenden zentrischen Teiles am Steuerspiegel zwischen den Steuerflächen
19 und 20 liegt, die beiden Druckmittelpunkte sich also auf einer Parallelen zur
Achse des Rotors 1 befinden.
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Unter den vorstehenden Bedingungen ist ein hoher Wirkungsgrad bei
hohen und sehr hohen Drücken sowie bei hohen und sehr hohen Relativgeschwindigkeiten
zwischen den Steuerflächen 19 und 20 erzielbar. Wenn z.B. das Fluid durch die Öffnung
24 mit geringem Druck eintritt und durch die Kiffnung 25 mit hohem Druck austritt,
ist die das Fluid enthaltende Druckkammer 21 stets die Hochdruckkammer und die Kammer
22 stets die Niederdruckkammer. Unter Umständen erfordert die N ederdruckkammer
keinerlei Dichtung oder nur eine grobe Dichtung, so daß ein einfacher Sitz des Druckgliedes
7 im Gehäuse ermöglicht wird und gegebenenfalls nur der zylindrische exzentrische
Sitz 16 mit Präzision hergestellt werden muß. Der Gehäuseteil 14 kann gegossen oder
mit
erheblicher Toleranz gepreßt werden; dasselbe gilt für den Außendurchmesser der
oder der konzentrischen Teile des Druckgliedes 7, so daß dieser im Gehäuseteil innerhalb
gewisser Grenzen schwimmend gelagert sein kann. Die Fertigung des Sitzes 16 und
des exzentrischen Teiles 71 ist dann sehr einfach und billig, und besondere Sorgfalt
für die Anordnung des konzentrischen Teiles des Druckgliedes 7 mit Bezug auf den
Gehäuseteil 14 muß nicht aufgewandt werden.
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Darüber hinaus hat die Herstellung den Vorteil einer verläßlicheren
nd wirksameren Arbeitsweise des das Druckglied bildenden Steuerkörpers.
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In Fluid beaufschlagten Maschinen mit Umkehr des Druckes oder der
Richtung des Fluidflusses ist es oft notwendig oder erwünscht, die Welle sich mindestens
teilweise axial durch die Steuervorrichtung erstrecken zu lassen. Z. B.
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wird in diesem Fall im Gehäuseteil 14 ein Sitz 15 (Fig.l) für den
hinteren Endteil 15a des Druckgliedes 7 vorgesehen.
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Dieser rückwärtige Endteil 15a des Druckgliedes 7 im Sitz 15 ist gegenüber
der Fluiddruckkammer 8 abgedichtet, weil andernfalls ein Teil der Welle sich nicht
durch das rückwärtige Ende der Einrichtung ohne Leckage des Fluids aus der Kammer
8 erstrecken könnte. Der Sitz 15 im Gehäuseteil 14 ist konzentrisch zum Rotor 1.
Jeder der Sitze 15, 16 und 17 ist vorzugsweise zylindrisch. Die Ausführungsform
nach F;g. 1 wird hauptsächlich für Umkehrstrom und Umkehr der
Hochdruckkammern
8 und 9 verwendet. Deshalb sind in der Einrichtung nach Fig. 1 alle Sitze 15,16
und 17 abgedichtet.
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Die Abdichtung wird normalerweise dadurch bewirkt, daß Spalte in der
Größenordnung von 50 Tausendstel eines Millimeters vorgesehen sind und indem man
zu Kunststoff oder sich ausdehnenden Ringdichtungen übergeht. Die Öffnungen 10 und
11 in Fig. 1 sind analog den Öffnungen 25 und 24 von Fig. 2, und die Druckkammern
8, 9 der Fig. 1 haben die Funktionen der Kammern 21 und 22 gemäß Fig. 2. Im übrigen
sind alle Teile, die in Fig. 1 und 2 gleiche oder analoge Funktionen haben, mit
gleichen Bezugszeichen versehen.
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Des weiteren ist mit Rücksicht darauf, daß die Schulter 51a sich radial
über die Steuerfläche 20 des Druckgliedes 7 erstreckt und auch der Sitz 17 bei Stromumkehr
abdichten sollte, der Gehäuseteil 14 entlang der Fläche 18 oder entlang einer Fläche,
welche hierzu parallel ist, unterteilt, um dadurch die Herstellung des Gehäuseteiles
14 zu erleichtern und das Einsetzen des Druckgliedes 7 zuzulassen. Das Druckglied
7 bleibt in axialer Richtung des Gehäuseteiles 14 unbeweglich und wird innerhalb
der Sitze 15, 16 und 17 gedichtet, wenn die Einrichtung erfindungsgemäß zusammengesetzt
wird. Bei bekannten Ausführungen mit einem Steuerkörper oder Druckglied, das einen
zur Rotorachse konzentrischen zylindrischen Sitz und einen hierzu exzentrischen
zylindrischen Sitz aufweist, ist das Druckglied im allgemeinen mit druckausgleichenden
Ausnehmungen in der Steuerfläche des Druckgliedes
versehen, weil
sie ohne derartige Ausnehmungen die Neigung zum Kippen haben, was zu einem erhöhten
Leckverlust an einem Teil der Steuerfläche und zu erhöhter Reibung oder u. U. zum
Fressen an einem anderen örtlichen Teil der Steuerfläche führt.
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Eine Ausführungsform nach Fig. 2 bis 4 der Erfindung verhindert derartigen
örtlichen Leckverlust und örtliches Fressen, ohne daß balancierende druckausgleichende
Ausnehmungen an der Steuerfläche des Druckgliedes erforderlich sind. Das wird im
Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, daß eine mittlere Ausnehmung 41 im Druckglied
vorgesehen und diese Ausnehmung durch eine Entlastungsbohrung 42 oder durch andere
geeignete Mittel mit einem Raum niederen Druckes kommunizierend verbunden ist, beispielsweise
mit dem Inneren des Gehäuses der Pumpe oder des Motors, welches gewöhnlich unter
keinem oder niedrigem Druck steht. Wenn die Pumpe oder der Motor nur in einer Drehrichtung
umläuft, kann die mittlere Ausnehmung 41 auch mit der Nederdruckeinlaßöffnung der
Vorrichtung verbunden sein. Durch eine solche Ausnehmung wird erreicht, daß der
mittlere Teil der Steuerfläche unter niederem Druck oder unter keinem Druck steht,
so daß die Fluiddruckkräfte in der Steuerfläche radial einwärts durch die Ausnehmung
begrenzt sind.
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Dank dieser Begrenzung ist es möglich, den Außendurchmesser des zur
Rotorachse konzentrischen Teils und den Durchmesser des exzentrischen Teils des
Druckgliedes so zu dimensionieren, daß die auf das Druckglied in Richtung auf den
Rotor wirkende Druckkraft in der hinteren Druckiuidkammer nur etwas größer als die
entgegengesetzt wirkende Kraft des Fluids im Steuerspiegel ist, so daß das Druckglied
mit einer entsprechenden gewünschten Kraft gegen den Rotor gepreßt wird.
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Insbesondere kann hierbei der Durchmesser des exzentrischen Teiles
des Druckgliedes so dimensioniert werden, daß die Druckkammer im Falle eines hohen
Druckes hinter dem exzentrischen Teil wieder gerade eine solche gegen den Rotor
gerichtete Druckkraft erzeugt, wie dieses gewünscht wird.
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Um des weiteren das Druckglied nach Fig. 2 für beide Drehrichtungen
des Rotors anwendbar zu machen, wird erfindungsgemäß der Abstand der Achse des exzentrischen
Teiles des Druckgliedes von der Rotorachse gerade so gewählt, daß das Druckglied
ständig und in beiden Drehrichtungen des Rotors so gegen diesen gepreßt wird, daß
keinerlei Kipp- oder Verkantungstendenz des Druckgliedes in Erscheinung tritt. Diese
Exzentrizität ist ein wichtiger Gegenstand der Erfindung. Wenn diese Exzentrizität
nicht genau gewählt wird, neigt das Druckglied zum Kippen oder
Verkanten,
was zur Folge hat, daß Reibung oder Leckage am Steuerspiegel zwischen dem Druckglied
und dem Rotor hervorgerufen und Wirkungsgrad sowie Leistung der Einrichtung verringert
wird.
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In Fig. 5 ist eine vom Fluid axial beaufschlagte Steuervorrichtung,
vorzugsweise eine Pumpe, ein Kompressor oder ein Motor für einfache Drehrichtung
des Rotors gezeigt, bei der das Gehäuse nur eine einzige Fluid enthaltende Kammer
46 auSweist, in die das Druckglied 45 mit seinem exzentrischen Teil 45a dicht eingesetzt
ist. Das Druckglied kann sich axial innerhalb der Kammer 46 bewegen und ist innerhalb
der Kammer 46 entweder passend oder durch ein plastisches Dichtungsmittel 47 gedichtet.
Die Kammer 46 ist mit einer Öffnung 51 für das Arbeitsfluid der Maschine verbunden.
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Die Exzentrizität der Kammer 46, mit Bezug auf die Achse des Rotors,
d. h. der Abstand der Mittelachse der Kammer und dementsprechend auch des Teiles
45a des Druckgliedes 45 von der Achse des Rotors, ist so bemessen, daß das Druckglied
keine Tendenz zum Kippen oder Verkanten erhält. Eine Kennzeichnung dieses Abstandes
ist ohne genaue mathematische Analyse nicht möglich, wie dieses später noch erläutert
wird.
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Das Druckglied ist- wie in Fig. 2 - mit einer mittleren Ausnehmung
43 versehen, die sich in den Rotor 55 hinein erstreckt und durch eine Entlastungsausnehmung
oder Bohrung 44
mit dem Gehäuseinnern verbunden ist. Doch kann
sich die mittlere Ausnehmung 43 auch entweder nur im Druckglied oder im benachbarten
Rotorende befinden. Ihre Querschnittsfläche muß so bemessen sein, daß sie dem Querschnitt
des Teiles 45 und der Kammer 46 angepaßt ist, da andernfalls die gewünschte axiale
Druckkraft des Druckgliedes gegen den Rotor 53 nicht erhalten werden kann und gegebenenfalls
eine Neigung des Druckgliedes zum Kippen in Erscheinung treten würde. Die nur einzige
abgedichtete Druckkammer 46 genügt dann, wenn die Maschine bzw. die Steuervorrichtung
nur für ein Drehen in einer Richtung bestimmt ist. Eine zweite Druckkammer kann
hierbei erspart werden.
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Der Rotor 55 ist in Lagern 55 des Gehäuses 60 drehbar gelagert und
in axialer Richtung durch das Drucklager 54, auf dem der Rotor 53 umläuft, abgestützt.
In den vom Fluid beaufschlagten Zylindern oder Kammern 56 wird das Fluid von den
Verdrängermitteln 57, z.B. Kolben, aufgenommen bzw.
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wieder abgegeben. Betätigungs- oder Führungsmittel 59, z.B.
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ein Steuerring, sind den Verdrängermitteln 57 zugeordnet.
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Zwischenglieder 58, z.B. Kolbenschuhe, können zwischen den Verdrängermitteln
57 und den Betätigungs- oder Führungsmitteln 59 zwischengeschaltet sein. Um das
Druckglied an der Rotation zu hindern, ist entweder ein zweiter Sitz, entsprechend
17 in Fig. 2, oder ein gesondertes Mittel zur Verhinderung der
Rotation,
beispielsweise ein einfacher Zapfen 61 vorgesehen, welcher in eine entsprechende
Ausnehmung 62 im Druckglied eingreift. Die Ausnehmung 62 kann zugleich die Niederdrucksteueröffnung
des Druckgliedes sein, während die Öffnung 65 die Druckfluid- oder Hochdrucksteueröffnung
des Druckgliedes ist.
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Nachfolgend seien nunmehr zunächst die Vorgänge im Steuerspiegel zwischen
Druckglied und Rotor im einzelnen erläutert.
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Fig. 6 zeigt die Steuerfläche des Druckgliedes 45 entsprechend der
Schnittlinie VI-VI mit der erfindungsgemäß vorgesehenen mittleren Ausnehmung 43.
Der Innendurchmesser der Steuerfläche ist gleich dem Außendurchmesser der mittleren
Ausnehmung 45 und durch das Bezugszeichen 65 gekennzeichnet. Radial auswärts von
dem Innendurchmesser 65 erstreckt sich die nicht näher bezeichnete Steuerfläche
bis zu ihrem Außendurchmesser 66. Dazwischen liegt die stationäre Steuerfläche des
Druckgliedes 45. Innerhalb dieser Steuerfläche befindet sich die Hochdruck- oder
Arbeitsfluidsteueröffnung 65 und diametral gegenüber die Niederdruck- (bzw. drucklose)
Steueröffnung 62. Da die letztere und ihre umgebende Fläche der Steuerfläche vernachlässigbaren
kleinen Druck hat, können wir diese Öffnung 62 und ihren Umfang von der weiteren
Betrachtung außer ach
lassen. Demgemäß betrachten wir hiernach
nur die für die Berechnung wichtige ArbeitsSluid- oder Hochdrucksteueröffnung 67
und die sie umgebende Fläche. Die Fläche der Öffnung 63 ist mit Hochdruckfluid gefüllt,
wie dieses aus Fig. 7 erkennbar ist, in der der Druck p über dem Radius der Steuerfläche
aufgetragen ist. Zwischen dem inneren Durchmesser 65 und der Öffnung 65 wächst der
Druck von einem kleinen Druck (bzw.
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dem Druck Null) auf einen hohen Druck in der Öffnung 65 an, um anschließend
von der oberen Begrenzung der Öffnung 65 zum äußeren Durchmesser 66 wieder auf niedrigen
Druck (bzw.
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zum Druck Null) wieder abzufallen. Der Druckgradient in diesen Flächen
ist aus Gründen der Verständlichkeit als gerade Linie dargestellt; in Wirklichkeit
hängt jedoch der Verlauf des Druckgradienten von der Viskosität des Fluids, von
der relativen Geschwindigkeit zwischen der stationären Steuerfläche des Druckgliedes
und der rotierenden Steuerfläche des Rotors sowie von mehreren anderen Faktoren
ab.
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Für die nachfolgende Berechnung kann indessen eine solche Kurvenkorrektion
vernachlässigt und ein geradliniger Druckgradient angenommen werden. Wir erhalten
alsdann einen mittleren Radius ri zwischen dem inneren Durchmesser 65 und der Öffnung
65 und einen mittleren Radius rO zwischen der Öffnung 65 und dem äußeren Durchmesser
66. Der Fachmann kann die Lage von rO und ri entsprechend seiner Kenntnisse von
den Druckgradienten oder durch empirische Versuche
korrigieren.
Des weiteren können die geneigten Linien in Fig. 7 durch vertikale Linien ersetzt
werden, die parallel zur Kraftrichtung p verlaufen. Wir erhalten dann aufgrund dieser
in der Fachwelt an sich bekannten Annahmen rechtwinklige Druckflächen des hohen
Druckes p zwischen den Radien r. und rO. Nachfolgend werde diese rechtwinklige HochdruckSläche
1,äquivalente Hochdruckfläche" = AHpm des Steuerspiegels oder der Steuerflächen
genannt. In vielen Anwendungsfällen, z.B. in den meisten Motoren, ist die Steuervorrichtung
zu der in Fig. 6 senkrechten Mittellinie symmetrisch, also die rechte Hälfte von
Fig. 6 symmetrisch zur linken Hälfte ausgebildet. Wenn sie, wie in manchen Pumpen
unsymmetrisch ausgebildet ist, muß eine Korrektur vorgenommen werden. Für unsere
weiteren Untersuchungen betrachten wir jedoch unter der Voraussetzung einer Symmetrie
nur die rechte Hälfte von Fig. 6 und setzen somit voraus, daß die linke Hälfte (links
von der vertikalen Linie q 1 in Fig. 8) symmetrisch zur rechten Hälfte ist.
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Deshalb können wir die linke Hälfte aus der Rechnung herauslassen
und nur die rechte Hälfte in Rechnung stellen.
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Die erste Uberlegung besteht nunmehr darin, daß die äquivalente Hochdruckfläche
sich nicht nur über 900 erstreckt, sondern tatsächlich von einem Winkel O ( Q1)
bis zu einem Winkel, der größer als 900 ist und als Winkel??2 bezeichnet wird. Dieses
ist deswegen der Fall, weil die Rotorkanäle 67
über den geschlossenen
Bogen zwischen den Öffnungen 63 und 62 laufen. Dabei befinden sich die Kanäle 67
teilweise über der Hochdrucköffnung 65 und teilweise über dem geschlossenen Bogen,
indem das Hochdruckfluid über die verschlossene Bogenfläche wandert und demgemäß
die verschlossene Bogenfläche zwischen den Öffnungen 65 und 62 teilweise und örtlich
mit Hochdruckfluid belastet. Die Größe der durch das Hochdruckfluid belasteten Fläche
verändert sich hierbei mit dem Drehwinkel des Rotors. Für unsere Berechnung nehmen
wir einen mittleren Wert davon an und nennen den Winkel, welcher über über 90° von
1 hinausgeht, als Winkel . Dadurch wird der Winkel von '1 bis 122 gleich 900 +f.
Unter Berücksichtigung der Symmetrie erhalten wir daher für die gesamte äquivalente
Hochdruckfläche AHpm den Wert Q = 1800 + 2 f.
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Führen wir hiernach den Wert G = Q/)60 ein, so erhalten wir als äquivalente
Hochdruckfläche der Steuerfläche AHPm = (rO 2 ri2). G (1) In dieser Gleichung (1)
spielen die Werte r0 und ri eine wichtige Rolle und müssen so genau wie möglich
bestimmt werden.
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Ein anderer sehr wichtiger Wert ist G und seine Bestimmung muß ebenso
genau sein, um eine perfekt funktionierende Einrichtung zu erhalten. Die Bestimmung
kann jedoch durch einen Hydraulikfachmann ohne weiteres vorgenommen werden.
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Der nächste Schritt besteht darin, den Faktor zu finden, um den die
Querschnittsfläche der Kammer 46 zu vergrößern ist, damit die Druckkraft mit der
das Druckglied gegen den Rotor gedrückt wird, den maximal günstigsten Wert erhält
bei dem die Leckage am Steuerspiegel und die Reibung zwischen den Steuerflächen
so klein wie möglich bleibt. Je nachdem, ob der Konstrukteur eine Fast-Null-Leckage
bei niedrigem oder mittlerem Druck oder ein Minimum von Leistungsverlust bei hohem
Druck wünscht, wird der gesuchte Faktor kleiner oder größer sein. Dieser Faktor
sei hiernach f genannt und beträgt nach der Erfahrung des Erfinders aufgrund von
Tausenden empirischer Versuche ungefähr fb = Ausgleichsfaktor = 1,04 bis 1,06 (2)
Wenn der Konstrukteur andere Werte für rO, r. und verwendet, müssen die Werte von
t entsprechend korrigiert werden. Es gibt einige Anwendungsfälle, in denen fb kleiner
oder größer als in Gleichung (2) ist. Aber der Wert der Gleichung (2) befriedigt
die meisten Erfordernisse.
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Auf obiger Base können wir nunmehr die Querschnittsfläche der Druckkammer
46 berechnen. Wir nennen diese Fläche AHpm oder Ausgleichsrläche oder Druckfläche
und können
sie wie folgt berechnen: AHPmb = Am rb ()) In einfachster
Ausbildung der Druckfläche AHpmb erhält die Druckkammer 36 eine zylindrische Form.
Den Durchmesser der zylindrischen Druckkammer 46 kann man dann wie folgt erhalten:
D = AHPmb . 4/# (4) Der Durchmesser D der Druckkammer 46 bestimmt den geeigneten
Druck, um den Druckkörper mit der gewünschten günstigsten Druckkraft gegen den Rotor
zu drücken. Der Ausgleichsfaktor kann infolgedessen auch als "Druckfaktor" bezeichnet
werden.
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Diese Gleichungen ergeben jedoch noch keine endgültige Lösung, solange
die Exzentrizität e zwischen der Achse der Druckkammer 46 und der Achse des Rotors
55 nicht genau bekannt und verwirklicht ist. Selbst wenn also das Druckglied genau
nach den obigen Gleichungen gebaut wird, sucht er zu kippen und sich zu verkanten,
wodurch örtliche Abnutzung auf einer Seite des Steuerspiegels und örtliche Leckage
auf einer anderen Seite des Steuerspiegels erzeugt wird.
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Deshalb geht das Hauptziel der Erfindung dahin, einen genauen Wert
der notwendigen Exzentrizität e zwischen den genannten Achsen zu finden, weil das
Druckglied bei hohen Drehgeschwindigkeiten und hohen Drücken mit hohem Wirkungsgrad
nur arbeiten kann, wenn die Exzentrizität gemäß der Erfindung genau bekannt ist
und die Konstruktion mit einer solchen Exzentrizität angeführt wird. Das Druckglied
wird alsdann nicht nur bei hohen und allen Drücken und bei hohen und allen Drehgeschwindigkeiten,
sondern auch mit höchstem Wirkungsgrad, also mit einem Minimum von Leckage und einem
Minimum von Reibung zwischen den aufeinanderliegenden Steuerflächen arbeiten.
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Es werde demnach im Sinne der Erfindung die folgende Überlegung angestellt:
Ein Intervall vom Winkel e bestimmte, wie Fig. 8 zeigt, die Infinitesimalfläche
dF zwischen den Radien rO und ri.
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Diese Definition beruht darauf, daß der Druckmittelpunkt der Steuerfläche
nicht auf dem mittleren Radius rm = (rO + ru)/2 in der Mitte zwischen den Radien
rO und ri liegt, da die Fläche dF im radialen äußeren Teil breiter als im radial
inneren Teil ist. Der radiale Abstand zwischen rO und ri sei als dr und der Radius
des Schwerpunktes oder Druckmittelpunktes der Fläche dF als rgc bezeichnet. Um
rgc
zu finden, berechnen wir den integralen Mittelwert: rgc = Schwerpunktradius = #rdF/F
(5) Aus dF = rdrO15/180 folgt: rgc = ## #r²dr = ## . ro³-ri³ = 360 (ro³-ri³) 180
F 180 3#F 540 (ro²-ri²) oder rgc = 2 (ro³-ri³) (6) 3 (ro²-ri²) Der Radius rgc, auf
dem der Druckmittelpunkt der Steuerfläche liegt, ist nach obiger Gleichung (6) zu
finden.
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Doch ist der Radius rgc nicht ein Wert einer Exzentrizität e. Um die
Exzentrizität e zu finden, müssen wir den Abstand Gc des Schwerpunktes oder Druckmittelpunktes
der Steuerfläche von der Achse des Rotors, d.h. den integralen Mittelwert des Schwerpunktsradius
rgc über dem Winkelintervall von #1 bis #2 auf der rechten Seite von Fig. 8 bestimmen.
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Die Gleichung hierfür lautet:
oder Gc = rgc(sin #2 - sin #1)/(#2 #1) (7) wobei sl in Winkelgrad
xtf/180 einzusetzen ist.
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Für ## = go0 wird Gc=rgc(sin # - sin 0)/(90-0) oder Gc(900) = rgc#0,636.
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Für die praktische Anwendung führen wir die Funktion G für verschiedene
Winkel ein und erhalten dadurch das Diagramm nach Fig. 9, welches Gc über verschiedene
Intervallwerte von s(2-ill wiedergibt. Daraus erhalten wir leicht den Schwerpunktsmittelpunkt
Gc nach folgender Formel: Gc = rgc # fG (8) Hierzu kann fG aus Fig. 9 für den Wert
Q/2 = #1 - #2 der Steuerfläche grafisch abgenommen werden.
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Wenn die Abmessungen des Druckgliedes und der Druckkammer aufgrund
der obigen Gleichungen errechnet worden sind und die Steuervorrichtung in Übereinstimmung
mit dem Ergebnis der Berechnung ausgeführt ist, kann es vorkommen, daß - in Abhängigkeit
von ersten in die Gleichung eingesetzten Werten -die exentrische Druckkammer und
der exzentrische Teil des Druckgliedes u.U. nicht mehr innerhalb des Außendurchmessers
der Steuerfläche liegen.
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Die Druckkammer 21 oder 46 und der exzentrische Teil 31 bzw. 45a des
Druckgliedes erstreckt sich alsdann zu einem kleinen Teil in Form einer Sichel radial
über den äußeren Durchmesser der Steuerfläche hinaus. Dieser kleine sich erstreckende
Teil ist in Fig. 2 mit dem Bezugszeichen 31a und in Fig. 5 bzw. 6 mit dem Bezugszeichen
64 bezeichnet und für alle entsprechenden Anwendungsfälle, ein wichtiges Charakteristikum
der Erfindung.
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Diese teilweise Erstreckung exzentrischen Teils des Druckgliedes über
die Steuerflächen hinaus macht es unmöglich, dasselbe im Gehäuse oder Declf 14 bzw.
60 zu montieren, wenn das Druckglied und das Gehäuse einen Sitz 17 entsprechend
Fig. 2 hat. Um deshalb eine Montage des Druckgliedes im Gehäuse oder Deckel 14 bzw.
60 möglich zu machen, ist in Fig. 2 die Umfangsfläche am Sitz 16 im Gehäuse oder
Deckel am Sitz 17 des Gehäuses verlängert. Hierzu ist eine Ausnehmung 81 in Form
einer kleinen Sichel entsprechend dem sichelförmigen Teil 31a des exzentrischen
Teiles in radialer Richtung zwischen dem Druckglied 7 und dem Gehäuse 14 vorgesehen,
wie dieses aus Fig. 4 ersichtlich ist. Das Druckglied 7 kann nunmehr axial in das
Gehäuse 14 eingeschoben werden. Doch kann die Einrichtung nach Fig. 2 nur in einer
Drehrichtung arbeiten, weil die Druckkammer 22 nur eine Niederdruck- und keine Hochdruckkammer
sein darf,
da andernfalls Fluid durch die Ausnehmung 81 entweichen
kann. Soll die Vorrichtung für beiderseitige Drehrichtung vorgesehen werden, muß
das Gehäuse in mindestens zwei Teile geteilt sein, wie dieses in Fig. 1 dargestellt
ist; der Teil 82 muß dann am Gehäuse 14 nach Einbau des Druckgliedes angebracht
werden. Außerdem ist es praktisch notwendig, daß der Sitz 17 kreisförmig ausgerührt
ist, um den zentrischen zylindrischen Teil 7 des Druckgliedes dicht abzuschließen.
Diese Möglichkeit einer Teilung des Gehäuses ist in Fig. 2 nicht wiederholt, weil
sie aus Fig. 1 entnommen werden kann und ihre Darstellung in Fig. 2 die anderen
Merkmale dieser Ausführungsform unklarer machen würde.
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In Fig. 5 und 6 ist der zylindrische Sitz 17 der Fig. 1 bzw.2 fortgelassen,
das Gehäuse 60 ist dadurch in Richtung gegen den Rotor verkürzt und ein Raum 49
wird um den zylindrischen Teil des Druckgliedes gebildet. Eine Drehung des Druckgliedes
wird durch den Haltezapfen 61 verhindert, welcher vorzugsweise im Gehäuse 60 befestigt
ist und in eine Ausnehmung, z.B. die Öffnung 62, hineinragt.
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Für mittlere Druckbereiche sollte jedoch erfindungsgemäß die Mittelachse
der exzentrischen Teile 51 bzw. 45 des Druckgliedes und der Fluiddruckkammern 21
bzw. 46 eine
Exzentrizität e zur Rotorachse annähernd in der Größe
des Wertes Gc nach den obigen Formeln aufweisen. Gewöhnlich liegen diese Achsen
in einer Ebene, die senkrecht zur Ebene liegt, welche durch den inneren und äußeren
Totpunkt der Arbeitskammern der Einrichtung verläuft. Aber manchmal, vor allem in
Pumpen mit höheren Drücken, sollte die Exzentrizitätsebene gegenüber der genannten
senkrechten Ebene etwas geneigt se in, und zwar meist in Drehrichtung des Rotors.
Bei Motoren steht die Exzentrizitätsebene gewöhnlich genau senkrecht auf der durch
die beiden Totpunkte gelegten Ebene. Für Maschinen mit sehr hohen Drücken sollte
die Mitte lachse der genannten Teile genau den Abstand Gc von der Rotorachse haben,
die Exzentrizität des exzentrischen Teiles also gleich diesem Wert Gc der Gleichungen
sein.
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Der Wert des Faktors fb kann eine Leckage von nur einigen Hundertsteln
cc/Umdrehung bei hohen Drücken von mehr als 1000 psi, aber auch eine Leckage von
ungefähr einem halben .Liter/Minute bei höchsten Drücken von 3000.bis 8000 psi bestimmen.
Er kann auch ein Minimum eines Leistungsverlustes bestimmen, bei welchem die Summe
von Leckage und Reibung ein Minimum ist. Bei Niederdruck kann die Leckage meist
vollständig ausgeschaltet werden, so daß die Vorrichtung als Strommeßinstrument
verwendbar ist.
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Im allgemeinen vermindert ein erfindungsgemäß vorgesehenes Druckglied
die Leckage mit wachsender Drehgeschwindigkeit.
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Vorausgesetzt, daß geeignete Materialien für die Steuerflächen verwendet
werden, wird die Steuervorrichtung ihre höchste Wirksamkeit nach einigen hundert
Stunden Lauf bei hoher Geschwindigkeit und hohem Druck erreichen. Viele Versuche
bestätigen dieses Resultat. Wenn deshalb eine erfindungsgemäß neu hergestellte Steuervorrichtung
zunächst mit einem totalen Wirkungsgrad von 92 oder 93 ß arbeitet, kann man erwarten,
daß nach einigen lOO LauCstunden bei hoher Leistung die Vorrichtung einen totalen
Wirkungsgrad von 94 oder 96 ffi erreicht.
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Ein schon verhältnismäßig geringes Abweichen von den gemäß der Erfindung
zu bestimmenden Abmessungen kann bereits zur Folge haben, daß sich die Steuerflächen
miteinander verschweißen oder eine wesentliche Leckage des Fluids stattfindet. Deshalb
sollte die Lehre der Erfindung genauestens eingehalten werden.
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Die Erfindung ist im übrigen nicht auf die beschriebenen Anwendungen
und Ausführungsbeispiele beschränkt, wie dieses auch bereits aus Vorstehendem hervorgeht.