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Titel: Rotationsmaschine
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Die Erfindung betrifft eine Rotationsmaschine, insbesondere Rotationspumpe,
-verdichter oder -motor mit einem zylindrischen inneren und einem zylindrischen
äußeren Wandteil sowie einem exzentrisch zwischen den beiden Wandteilen angeordneten
kreisringförmigen Rotor mit schwenkbaren Flügeln.
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Es ist eine derartige Maschine bekannt, die im wesentlichen aus einem
zylindrischen inneren Wandteil und einem zylindrischen, zum genannten Wandteil koaxialen
äußeren Wandteil, einem zu beiden Wandteilen exzentrisch gelagerten kreisförmigen
Drehkörper und in diesem Drehkörper gelagerten schwenkbaren Leistungsteilen besteht,
die sich zwischen den beiden Wandteilen erstrecken. Die auf diese
Weise
gebildeten Arbeitskammern werden axial von Seitenteilen begrenzt. Jedes Leistungsteil
weist konzentrische, mit teilzylindrischen Lagerflächen des Drehkörpers im Eingriff
stehende und im Querschnitt kreisförmige Gleitflächen auf, deren gemeinsamer Mittelpunkt
im Bereich des Drehkörpers liegt. Die den Wandungen der Wandteile zugeordneten Flächen
der Leistungsteile schleifen an den Wandteilen, so daß Reibungsverluste entstehen.
Durch die Schwenkbewegungen der Leistungsteile tritt Unwucht auf, was einen unruhigen
Lauf der Maschine zur Folge hat und keine hohen Drehzahlen zuläßt.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Rotationsmaschine zu schaffen,
die praktisch ohne Verschleiß bzw. Reibungsverluste arbeitet, einen ruhigen Lauf
hat und eine hohe Verdichtung zuläßt, da durch fast vollständigen Ausschub jedes
Arbeitsraumes nur eine geringe Totzone vorhanden ist. Diese Aufgabe wird gemäß der
Erfindung auf vorteilhafte Weise dadurch gelöst, daß die beiden zylinderförmigen
Wandteile exzentrisch zueinander und zu dem Rotor angeordnet sind, der innere Wandteil
durch die Außenfläche eines oder mehrerer drehbarer Ringe gebildet wird, und die
Flügel des Rotors auf einer gemeinsamen Kreisbahn in ihren Schwerpunkten auf Achsen
gelagert sind, um eine durch die beiden Wandteile vorbestimmte Schwenkbewegung zur
Bildung
von Saug- und Druckräumen ausführen zu können. vie Flügel
schleifen dabei nicht an den Begrenzungswänden der Arbeitsräume.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, daß sie mit wesentlich
höheren Drehzahlen einstufig Druck- bzw.
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Verdichtungswerte erreicht, die sich bei bekannten Vorrichtungen nur
mehrstufig erzielen lassen. Darüber hinaus arbeitet die Vorrichtung nach der Erfindung
betriebssicher sowie praktisch wartungs- und verschleißfrei. Ferner besteht sie
aus einfach gestalteten Einzelteilen, die sich leicht und zeitsparend zusammensetzen
lassen, so daß eine wirtschaftliche Massenfertigung möglich ist. Da keine die Kreisbahn
verlassende Schiebergewichte (Coriolis-Kraft) vorhanden sind, also keine Unwucht
auftritt, ist ein ruhiger und vibrationsfreier Lauf und damit eine lange Lebensdauer
sichergestellt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der
äußere Wandteil durch die zylindrische Innenfläche des Gehäuses gebildet wird. Der
oder die den inneren Wandteil bildenden Ringe können mittels Nadellager oder dergleichen
auf einem exzentrisch zur Rotorweile angeordneten Zapfen des Gehäusedeckels gelagert
sein. Die Flügel des Rotors können sich im geschlossenen
Zustand
formschlüssig in den Rot@rring einfügen und an ihren Hnden abgerundet sein. Der
in Richtung des äußeren Wandteils öffnende Teil des Flügels kann länger sein als
der am inneren Wandteil anliegende Teil des Flügels. Die Mittelpunkte der zylindrischen
äußeren und inneren Wandteile können auf Geraden liegen, die von den Enden des den
maximalen Öffnungswinkel aufweisenden Flügels durch den Mittelpunkt des Rotors rohren.
Die Ein- und Auslässe für das Arbeitsmedium können derart im Gehäuse angeordnet
sein, daß das Medium tangential zum drehenden Rotor ein-bzw. ausströmen kann. er
als drehbarer Ring ausgebildete innere Wandteil kann durch eine Mitnahmevorrichtung,
insbesondere durch einen in einen Schlitz eingreifenden Zapfen, mit dem Rotor verbunden
sein. Bei einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung sind zwei oder mehr
Flügel am Rotor und zwei oder menr drehbare Ringe auf dem Zapfen des Gehäusedeckels
angeordnet. Die einen Enden der Flügel können dabei jeweils mit einem der drehbaren
Ringe durch ein Gelenk verbunden sein. An allen sich gegen feststehende oder relativ
gegeneinander bewegende Teile der Maschine können berührungslose Dichtelemente,
insbesondere solche Dichtungen, die nach dem Prinzip von Labyrinthdichtungen wirken,
eingearbeitet nein.
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Mit der erfindungsgemäßen Rotationsmaschine sind Drehzahlen
möglich,
wie sie bei Turbinen üblich sind, obwohl sie nach dem Prinzip einer kontinuierlich,
d.h. stetig in einer Richtung fördernden Kolbenmaschine arbeitet.
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Der bei üblichen Kolbenmaschinen unvermeidliche sogenannte tote Raum
wird bis auf Bruchteile reduziert und die Ein- und Auslaßventile entfallen. Unwucht
und Preßreibung treten nicht auf. Bei den möglichen hohen Drehzahlen sind Leck-
bzw. Rückströmverluste zwischen drehenden und feststehenden Teilen an und für sich
schon gering.
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Da zusätzlich wirkungsvoll berührungslose Dichtelemente, die nach
dem Prinzip von Labyrinthdichtungen arbeiten, vorgesehen werden können, wird das
eingangs erwähnte Ziel der Erfindung erreicht, bei wesentlich kleinerem Leistungsgewicht
als bisher bekannt einstufig hohe Druck -und Verdichtungsverhältnisse zu erzielen.
Bei ausschließlich runden und rotationssymmetrischen, also einfach gestalteten Teilen,
ist auch die Fertigung rationell und preisgünstig.
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Die Erfindung soll jetzt an Hand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert werden, und zwar zeigt: Fig. 1 einen Querschnitt
durch eine Rotationsmaschine, die insbesondere -als Verdichter verwendet werden
kann,
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II - II in Fig. 1,
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die insbesondere
als Hydromotor oder als langsam laufende Flüssigkeitspumpe verwendet werden kann,
und Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV - IV in Fig. 3.
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Die Rotationsmaschine gemäß der Erfindung besteht aus dem Gehäuse
1, dem Gehäusedeckel 2, dem Rotor 3 mit den Flügeln 4 und 5 und der Rotorwelle 6
sowie dem Ring 7, der auf dem Gehäusezapfen 8 mittels Nadellager 9 oder dergleichen
drehbar gelagert ist. Die Innenfläche des Gehäuses 1 und die Außenfläche des Ringes
7 bilden zwei exzentrisch zueinander angeordnete, zylinderförmige Wandteile 14 und
15, zwischen denen ebenfalls exzentrisch der ringförmige Rotor 3 gelagert ist. Die
Flügel 4 und 5 des Rotors 3 sind in ihren Schwerpunkten drehbar um die Achsen 16
und 17 gelagert, so daß sie innerhalb des durch die beiden Wandteile 14 und 15 gebildeten
Arbeitsraumes Schwenkbewegungen ausführen können. Die Flügel 4 und 5 sind so gestaltet
und die Achsen 16 und 17 so im ringförmigen Rotor
3 angeordnet,
daß die Flügel im geschlossenen Zustand formschlüssig in den Rotor eingepaßt sind,
wie dies bei dem in der Zeichnung dargestellten Flügel 5 der Fall ist.
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In den Rotor 3 sind ein oder mehrere Schlitze 20 eingearbeitet, in
die ein oder mehrere Zapfen 21 eingreifen, der bzw. die an dem am Gehäusedeckel
2 gelagerten Ring 7 befestigt sind, so daß dieser von dem Rotor 3 mitgedreht wird.
Zum Ansaugen und Ausstoßen des Arbettsmediums befinden sich Ein- und Auslaßöffnungen
im Gehäuse 1, die in Fig. 1 durch Pfeile 22 und 23 angedeutet sind, während in Fig.
2 der Auslaß 23 zu erkennen ist. Die Rotorwelle 6 ist mit ihrem einen Ende in n
einer Bohrung des Zapfens 8 des Gehäusedeckels 2 mittels eines Kugel-, Nadel- oder
Gleitlagers 24 gelagert und über einen Keil 25 mit dem Rotor 3 verbunden. Zwischen
Rotor 3 und Gehäuse 1 ist ein Kugel-, Nadel- oder Gleitlager 26 eingesetzt. Die
Mittelpunkte der. zylinderförmigen Wandteile 14 und 15 liegen auf Geraden 30 und
31, die die Enden des maximal geöffneten Flügels 4 mit dem Rotormittelpunkt 32 verbinden
und sind mit 33 und 34 bezeichnet. Der auf den Wandteil 14 gerichtete obere Teil
des Flügels 4 bzw. 5 ist etwas länger als der nach dem Ring 7 gerichtete Teil, So
daß der auf den oberen Teil wirkende ueberdruck beim Drehen des Rotors ein öffnen
des Flügels bewirkt. Der Flügel 4 bzw. 5 liegt mit seinem abgerundeten Ende auf
dem vom Rotor 3 mitbewegten Ring 7
auf, während das andere abgerundete
Ende einen geringen Abstand vom Wandteil 14 aufweist und daher an der Wand nicht
schleift.
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Der Arbeitsraum der Flügel 4 und 5 wird durch die Wandteile 14 und
15 begrenzt, wobei der hinter dem Flügel befindliche Saugraum mit S und der vor
dem Flügel befindliche Druckraum mit D bezeichnet ist. Um das gleichbleibende Anliegen
der Flügelenden zu gewährleisten, müssen die Mittelpunkte 33 des Wandteils 14 einerseits
und 34 des Ringes 7 andererseits exzentrisch vom Mittelpunkt 32 des Rotors 3 versetzt
und die Zentralen 30 und 31 außerdem um die Winkelneigung verschoben sein, die dem
vorgewählten Öffnungswinkel der Drehflügel 4 und 5 entspricht.
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Der öffnungswinkel der Drehflügel 4 und 5 und der Winkel der Zentralen
30 und 31, auf denen die exzentrischen Mittelpunkte 33 und 34.liegen, ergänzen sich
zu 900, wobei Öffnungswinkel der in Fig. 1 und 2 abgebildeten Ausführungsform als
Verdichter maximal 450 betragen darf.
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Wenn der Winkel der Zentralen 30 und 31 richtig gewählt ist, und die
Enden der Flügel 4 und 5 in der Form einer halben Parabel geformt sind, bleiben
trotz der radialen Bewegung der Flügelenden die Berührungspunkte am äußeren Wandteil
14 und am inneren Wandteil 15 immer auf diesen
Zentralen 30 und
31. Unter dieser Voraussetzung ergibt sich beim öffnen des Drehflügels 4 oder 5,
daß die sich nach außen bewegenden Enden immer etwas länger sein müssen als die
nach innen öffnenden, womit sichergestellt ist, daß während der Druckbe.aufschlagung
entsprechend der projizierten Flächen ein geringer Überdruck auf das außen liegende
Flügelende wirkt und den Flügel immer in dem jeweils maximal möglichen öffnungswinkel
hält. Nun sind die nach außen öffnenden Flügelenden, die den Wandteil 14 berühren
würden, derart um eine Spaltbreite gekürzt, daß während des ganzen Umlaufs keine
Berührung stattfindet, wenn sich das nach innen öffnende Flügelende auf den inneren
Wandteil 15 aufstützt. Der das innere Wandteil 15 bildende Ring.7 wird mittels der
an der Stirnseite des Rotors 3 angeordneten Schiebeverbindung 20, 21 mitgedreht,
so daß der sonst unvermeidliche Reibungsverschleiß nicht auftritt. Die oszillierend
gleitenden Bewegungen der Flügel, der aufstützenden innenliegenden Flügelenden und
der Mitnahmevorrichtung 20, 21 sind relativ langsam zur Umlaufgeschwindigkeit des
Rotors 3, sie liegen stets unter einem Zehntel.
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Die Ausführungsform nach Fig. 3 und 4 unterscheidet sich von derjenigen
nach Fig. 1 und 2 dadurch, daß die Drehflügel 4 und 5 mit je einem drehbaren Ring
37 und 38 durch ein Gelenk 39 bzw. 40 verbunden sind und dadurch die Mitnahmevorrichtung
20,
21 fortfällt. An die Stelle des Ringes 7 sind als die beiden Ringe 37 und 38 getreten,
die über die Gelenke 39 und 40 vom Rotor 3 mitgedreht werden. Bei dieser Ausführungsform,
die insbesondere als Hydromotor oder als langsam laufende Flüssigkeitspumpe Verwendung
finden kann, müssen die Zentralen 30 und 31 um 450 versetzt sein.
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Die Erfindung wurde oben an Hand der in der Zeichnung dargestellten
beiden Ausführungsbeispiele beschrieben.
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Sie ist jedoch keineswegs auf diese Beispiele beschränkt, denn es
gibt mannigfaltige Abwandlungsmöglichkeiten im Aufbau der Rotationsmaschine und
in der Gestaltung und Anordnung ihrer Einzelteile, ohne daß dabei der durch die
Erfindung abgesteckte Rahmen verlassen wird. So gestattet die erfindungsgemäße Konstruktion
die Verwendung der Maschine als Pumpe, als Verdichter, als Hydromotor und als Expansionsmaschine.
Der jeweilige Verwendungszweck bestimmt die Konstruktionsdetails. Die oben beschriebenen
wesentlichen Merkmale sind jedoch für alle Verwendungszwecke der Maschine gleich.
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L e e r s e i t e