DE2606944A1

DE2606944A1 - Dichtungen fuer drehkolbenmaschinen

Info

Publication number: DE2606944A1
Application number: DE19762606944
Authority: DE
Inventors: Alexander Goloff; George Butler Grim
Original assignee: Caterpillar Tractor Co
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1975-02-21
Filing date: 1976-02-20
Publication date: 1976-09-02
Also published as: GB1495078A; US3988081A; JPS5199714A

Description

CATERPILLARTRACTOR CO., Peoria, Illinois, U.S.A.

Dichtungen für Drehkolbenmaschinen

Die Erfindung bezieht sich auf Drehkolbenmaschinen und Kompressoren der Drehkolben-Bauart von ähnlichem geometrischen- Aufbau und insbesondere auf verbesserte Kompressions- oder Druckdichtungen für derartige Drehvorrichtungen. Zum Stand der Technik sei auf die U.S. Patente 3 176 910, 3 697 202 und 3 718 412 hingewiesen.

Die von den Rotoren von Maschinen der Trochoidbauart getragenen Seitendichtungen und die Umfangsdichtungen an Drehkolbenmaschinen mit geneigter Achse dienen in solchen Maschinen als Kompressxonsdichtungen. Scheiteloder Radialdichtungen führen die gleiche Funktion aus, wobei "Bolzen" oder "Stifte" die gleiche Funktion am Ende einer Scheiteldichtung vorsehen. Derartige Seiten-

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dichtungen und Bolzen und auch die Enden der Radialdichtungen reiben an den mit ihnen zusammenarbeitenden Oberflächen, nämlich den Wänden des Maschinengehäuses/ und zwar mit einer verhältnismäßig hohen Geschwindigkeit in Längsrichtung. Infolgedessen sind solche Dichtungen einem Schleißen und schnellen Abrieb ausgesetzt.

Der Stand der Technik schlägt als Lösung hauptsächlich die Auswahl besserer Materialien vor,ohne die Ursache(en) des Problems zu ermittlen. Während normalerweise ein Bolzen nicht vor den Seitendichtungen schleift, steht der Bolzen reibungsmäßig mit den Gehäusewänden in Eingriff und ist demgemäß eine Wärmequelle, die zum Temperaturaufbau an den Enden der Seitendichtungen beiträgt, die schleifen.

Ähnlich werden gemäß dem Stand der Technik die Radialdichtungen kurz genug ausgebildet, um den Beginn des Schleifens an ihren Enden zu verhindern, wobei der absichtlich vorgesehene Spalt zum Gasleck beiträgt und seinerseits den Wirkungsgrad der Maschine vermindert. Wenn ein solcher Spalt zur Erhöhung des Wirkungsgrades minimiert ist, wenn die Maschine unter hohen Anforderungen arbeitet, so nähern sich die Enden der Scheitel- oder Radialdichtungen den Gehäusewänden und leiten das unerwünschte Schleifen und den Abrieb ein.

Die Erfindung hat sich in erster Linie zum Ziel gesetzt, eine verbesserte Drehvorrichtung mit verbesserten Druckdichtungen vorzusehen. Die Erfindung bezweckt insbesondere solche Druckdichtungen vorzusehen, wo das Schleifen minimiert wird, und zwar durch eine Dichtungskonstruktion, die beim Aufbau eines Ölfilms am Berührungspunkt der Dichtung mit dem Gehäuse mithilft.

Die Erfindung ist bei Drehkolbenmaschinen verschiedener

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Bauarten verwendbar, und zwar sowohl bei Maschinen der Trochoidbauart als auch bei Drehmaschinen mit geneigter Achse sowie ähnlich geformten Drehkompressoren. Die Erfindung wird insbesondere bei einer Drehkolbenmaschine verwendet, deren Gehäusewände eine Verbrennungskammer bilden. Innerhalb des Gehäuses befindet sich dabei ein Rotor mit den Wänden gegenüber angeordneten Oberflächen. Mindestens eine Kompressionsdichtung wird vom Rotor getragen und besitzt eine den Hochdruckgasen ausgesetzte Seite. Die Dichtung weist ebenfalls eine Abd.ichtoberfläche auf, die mit mindestens einer der Wände abdichtend und in Gleitberührung in Eingriff steht.

Die erfindungsgemäße Verbesserung der Dichtung besteht im Vorsehen einer Vielzahl von Nuten an der Dichtungsoberfläche, wobei jede der Nuten eine wesentliche Abmessung besitzt, die sich nicht parallel zur Richtung des Gleitkontakts der Dichtungsoberfläche mit der Wand erstreckt, die sie berührt. Darüber hinaus endet jede derartige Nut an der Dichtungsoberfläche kurz vor der Dichtungsseite, die den Hochdruckgasen ausgesetzt ist. Die Nuten wirken unterstützend beim Aufbau eines den Abrieb verhindernden Ölfilms zwischen der Dichtung und der Gehäusewand. Durch ihr Enden kurz vor der Hochdruckseite der Dichtungsoberfläche bilden sie keinen Leckpfad für die Hochdruckgase.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erstrecken sich die Nuten quer zur Richtung des Gleitkontakts mit der Gehäusewand und können in den sogenannten Enddichtungen oder auf den Bolzen oder Stiften verwendet werden.

Die Nuten können auch an den Enden der Scheiteldichtungen verwendet werden, wodurch die Scheiteldichtungen derart konstruiert sein können, daß der bislang als unumgänglich angenommene Spalt minimiert werden kann. Gemäß einem außerordentlich bevorzugten Ausführungsbeispiel enden die Nuten kurz vor den beiden Seiten der entsprechenden Dichtungen,

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um Herstellung und Zusammenbau zu vereinfachen.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung? in der Zeichnung zeigt:

ELg. 1 eine Teilseitenänsicht einer erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine;

Fig. 2 einen Teilschnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer Drehkolbenmaschine (Motor) dargestellt, die gemäß der Erfindung ausgebildete Kompressionsdichtungen aufweist. Der Motor besitzt ein Gehäuse 10 sowie erste und zweite Wände 12 und 14. In der Praxis sind zwei Wände 14 vorhanden, die derart mit Abstand angeordnet sind, daß sie zusammen mit der Wand 12 eine Kammer bilden.

Innerhalb der derart gebildeten Kammer ist ein im ganzen mit 16 bezeichneter Rotor angeordnet, der eine Vielzahl von Scheiteln 18 aufweist, von denen nur einer dargestellt ist. Der Fachmann erkennt, daß die in Fig. 1 gezeigte Maschine zur Trochoid-Bauart gehört. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Trochoid-Maschinen beschränkt, sondern kann erfolgreich auch in anderen Drehkolbenmaschinen benutzt werden, beispielsweise bei der Drehkolbenmaschine mit geneigter Achse und ähnlich ausgebildeten Drehkompressoren.

Der Rotor 16 ist auf einem (nicht gezeigten) Exzenter in üblicher Weise angeordnet, um so die Energie der sich expandierenden Verbrennungsgase innerhalb der Kammer in Drehenergie in üblicher Weise umzuwandeln.

Jeder Scheitel 18 am Rotor 16 ist mit einem sich nach aussen hin öffnenden Schlitz 20 zur Aufnahme einer Scheiteldichtung

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ausgestattet. Zudem können kreisförmige Bohrungen 24 an entgegengesetzt liegenden Seiten des Rotors 16 und benachbart zu jedem der Scheitel 18 ausgebildet sein, um Bolzen oder Stifte 26 in bekannter Weise aufzunehmen- Jeder Bolzen 26 umfaßt einen Schlitz 28 zur Aufnahme eines Teils der entsprechenden Radialdichtung 22. Durch die Schlitze 20 und 28 hindurch erstreckt sich eine gewellte Feder 30, um die Scheiteldichtung 22 in Eingriff mit der Wand 12 vorzuspannen.

Die Seiten des Rotors 16 sind mit weiteren Nuten 32 zur Auf- _r nähme von Enddichtungen 34 in üblicher Weise ausgestattet.

Es sei nunmehr speziell auf Fig. 2 Bezug genommen, wo man erkennt, daß nur das Ende 36 der Radialdichtung 22 sich in Abdichtberührung mit der entsprechenden einen Seitenwand 14 befindet. Die Berührung an beiden Enden 3 6 wird vermieden, da eine thermische Ausdehnung während des Betriebs unerwünschtes Schleifen zur Folge haben könnte.

Der Bolzen 2 6 weist eine Abdichtoberfläche 38 auf, die auch mit der entsprechenden einen Wand 14 abdichtend und gleitend in Berührung steht. Schließlich besitzt jede Enddichtung eine Abdichtoberfläche 40 in dichtendem und gleitendem Eingriff mit der Wand 14.

In Fig. 1 erkennt man, daß jedes Ende 36 der Radialdichtung 22 mit einer Vielzahl von langgestreckten Nuten 42 ausgestattet ist, die sich in einer nicht parallelen Richtung zur Richtung der Gleitberührung des Endes 3 6 mit der Wand erstrecken. Vorzugsweise ist die Erstreckungsrichtung der Nuten 42 im ganzen quer zur Gleitbewegungsrichtung.

Man erkennt, daß jede der Nuten 42 kurz vor den Seiten der Radialdichtung 22 endet, die den während des Betriebs erzeugten unter Druck befindlichen Gasen ausgesetzt sind.

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Jeder Bolzen 26 ist auf seiner Oberfläche 38 mit einer Vielzahl von ähnlichen Nuten 44 in der gezeigten Form ausgestattet. Man erkennt wiederum, daß sich die Nuten in einer Richtung erstrecken, die im ganzen nicht parallel zur Richtung der Gleitberührung liegt, und daß sie vorzugsweise quer zur Richtung der Gleitberührung angeordnet sind. Man erkennt ferner, daß die Nuten 44 sich bis kurz vor die Seite des Bolzens 2 6 erstrecken, welche gegenüber dem während des Betriebs unter hohem Druck stehenden Gas freiliegt.

Die Seiten-oder Enddichtungen 34 sind mit einer Vielzahl von Nuten 46 ausgestattet, die sich auch in einer nicht parallelen Richtung zur Richtung der Gleitberührung erstrecken, wobei diese Nuten vorzugsweise im ganzen quer zur Richtung des Gleitkontakts verlaufen. Die Nuten 4 6 enden ebenfalls kurz vor der Seite der Dichtung 34, die den hohen Drücken der Verbrennungsgase ausgesetzt ist.

Bei einem außerordentlich bevorzugten Ausführungsbeispiel ist aus Gründen der Vereinfachung des Zusammenbaus vorgesehen, daß die Nuten jeweils in der Radialdichtung 22, dem Bolzen 2 6 und den Enddichtungen 34 kurz vor der Seite der jeweiligen Dichtung enden, die entgegengesetzt zu der Seite liegen, welche den Hochdruckgasen ausgesetzt ist. Obwohl die Nuten 42,-, 44 und 46 nicht - wie gezeigt - im allgemeinen länglich ausgebildet sein müssen, so haben sie doch eine wesentliche Abmessung, die sich quer zur Richtung des Gleitkontakts mit der Wand 14 erstreckt. Wenn es die Geometrie gestattet, so könnten die Nuten beispielsweise einen Umfang wie ein Quadrat besitzen.

Die Nuten 42, 44 und 46 sind sehr flach und können in einer Vielzahl von Mustern ausgebildet sein. Sie können durch Riffeln, Schrotstrahlen, eine Kombination von Schrotstrahlen und Riffeln, sowie durch Stanzen, Schneiden oder chemisches Ätzen hergestellt werden. Der Zweck der Nut besteht darin, eine Abweichung gegenüber der geometrischen Flachheit an dem

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Berührungspunkt zwischen den verschiedenen Dichtungen und der zugehörigen Gehäusewand zu erzeugen. Als Folge einer derartigen Abweichung kann ein Ölfilm zwischen den Teilen vorhanden sein, um dadurch das Schleifen außerordentlich zu minimieren, wodurch der Abrieb reduziert wird.

Der Zweck der Ausbildung der Nuten derart, daß sie kurz vor der Seite der Dichtung enden, die den Hochdruckgasen ausgesetzt ist, besteht darin, daß die Ausbildung eines Gasleckpfades -durch die Nuten verhindert werden soll. Infolgedessen werden die Ölfilme erhöht, wodurch der Abrieb reduziert wird, während ein Gasleck nicht entsteht, wodurch der Wirkungsgrad während des Betriebs aufrechterhalten bleibt.

Obwohl die Bolzen und die Enden der Radialdichtungen normalerweise nicht so schnell schleifen wie die Enddichtungen, so ist doch die Verwendung der Nuten in den Bolzen oder Enden der Radialdichtungen von zusätzlichem Vorteil. Durch die Verwendung der Nuten in den Bolzen ergibt sich weniger Reibung zwischen den Bolzen und den Wänden 14, was zur Folge hat, daß der Bolzen 26 mit einer kühleren Temperatur läuft. Infolgedessen arbeiten sie nicht als Wärmequelle für die Enden der Radialdichtungen 22 oder der Seitendichtungen 34. Die Folge davon ist, daß die örtliche Verdünnung des Ölfilms minimiert ,wird, was eine Erhöhung des Abriebwiderstands zur Folge hat. In ähnlicher Weise ist es im Hinblick auf das Vorsehen der Nuten 42 in den Enden der Scheiteldichtungen 22 möglich, die Radialdichtungen so zu konstruieren, daß sie dichter an den Wänden 14 laufen, ohne ein unerwünschtes Schleifen infolge des verbesserten Ölfilms hervorzurufen.

Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit einer Trochoid-Maschine beschrieben wurde, so kann die Erfindung doch auch bei anderen Drehkolbenmaschinen, wie beispielsweise einer Drehkolbenmaschine mit geneigter Achse, verwendet werden, wo parallel abdichtende Oberflächen beispielsweise in Bolzen

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verwendet werden. Die Erfindung kann auch in Drehkolben- ~ kompressoren von ähnlichem Aufbau Verwendung finden,-

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Claims

Ansprüche :

Λ J Drehkolbenvorrichtung mit eine Kammer bildenden Wänden eines Gehäuses/ in dem ein Rotor angeordnet ist/ der den Wänden gegenüberliegende Oberflächen sowie mindestens eine Kompressxonsdichtung aufweist, die mit einer Seite gegenüber Hochdruckgasen freiliegt und vom Rotor getragen wird und mit einer Dichtungsoberfläche abdichtend in Gleitberührung mit einer der Wände steht, dadurch gekennz eichnet, daß die Dichtungsoberfläche mit einer Vielzahl von Nuten

(46) ausgestattet ist, deren jede eine beträchtliche, sich nicht parallel zur Gleitkontaktrichtung der Dichtoberfläche mit der einen Wand erstreckende Dimension aufweist, und wobei jede Nut (46) kurz vor der erwähnten Seite der Dichtung

(34) endet, die den Hochdruckgasen ausgesetzt ist, wodurch die Nuten (4 6) unterstützend bei dem Aufbau eines abriebverhindernden Ölfilms zwischen der Dichtung und der einen Wand mitwirken, ohne einen Leckpfad für die Hochdruckgase zu erzeugen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die erwähnte Abmessung im ganzen quer zu der erwähnten Richtung erstreckt.
3 ......Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor eine Vielzahl von Scheiteln (18) besitzt, und wobei die Dichtung eine längliche Radialdichtung (22) ist, und wobei ferner jeweils eine derartige Dichtung an jedem der Scheitel (18) vorgesehen ist, und die Dichtoberfläche an jedem Ende der Scheitel- oder Radialdichtungen (22) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (16)eine Vielzahl von Scheiteln (18) aufweist, und wobei die Dichtung ein Bolzen (26) zur Aufnahme einer Radialdichtung (22) ist.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung eine Rotorseitendichtung (34) ist, und wobei auf jeder Seite des Rotors (16) eine Seitendichtung angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsoberfläche parallel zur einen Wand verläuft.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (42, 44, 46) ferner kurz vor der Dichtungsseite enden, die entgegengesetzt zu der Seite liegt, die den Hochdruckgasen ausgesetzt ist.
8. Drehkolbenmotor, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ende (36) der Radialdichtung (32) mit einer Vielzahl von Längsnuten (42) ausgestattet ist, die sich quer zur Gleitbewegungsrichtung erstrecken, und daß die Nuten (42) kurz vor den Hochdruckseiten der Radialdichtung (22) enden.
9. Motor, insbesondere nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Bolzen (26) mit einer Vielzahl von Nuten

(44) ausgestattet ist, die sich quer zur Richtung der Gleitberührung erstrecken und kurz vor der Hochdruckseite des Bolzens (-26) enden.
10. Motor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten symmetrisch angeordnet sind (vgl. Fig. 1 bzw. Fig. 2).
11. Motor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Enddichtungen (34) mit einer Vielzahl von Nuten (46) ausgestattet sind, die sich quer zur Gleitkontaktrichtung erstrecken und kurz vor der Hochdruckseite der Dichtung (34) enden.

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12. Motor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (42, 44, 46) sehr flach ausgebildet sind.

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