DE2655670A1 - Rotations-kompressor mit labyrinthdichtung - Google Patents

Description

MANITZ, FINSTERWALD & GRÄMKOW

München, den 8. Do2, $ S/3/mü-C 5681

Curtiss-Wright Corporation One Passaic Street, Wood-Ridge Jersey, U. S. A.

Rotations-Kompressor mit Labyrinthdichtung

Die Erfindung betrifft rotierende Torrichtungen,besonders Rotationskompressoren oder Expansionsmotoren, bei denen der Rotor eine planetarische Bewegung innerhalb eines Gehäuses ausführt und bei denen die periphere Oberfläche des Rotors im wesentlichen ein Hypotrochoid ist, und die innere Oberfläche des Gehäuses im wesentlichen die äußere Umhüllende der Relativ-Drehbewegung des Rotors ist. Ein solcher Kompressor oder ein solcher Expansionsmotor ist in der US-PS 3 387 772 und in der GB-PS 583 035 beschrieben und allge-

β. MAN(TZ · DIPL.-INC. M. FINSTERWALD DIP L.'INC. W. G R A M K O W ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN

MÖNCHEN 22. ROBERT-ICOCH-STRASSE I 7 STUTTGART SO tBAD CANNSTATT) MÜNCHEN. KONTO-NUMMER 7270

(089) 22 43 1t. TELEX 5-29672 PATMF SEELBERCSTR. 23/25. TEL.(07ll>S6 72 61 POSTSCHECK : MÜNCHEN 7 7002 - 60S

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mein als Maillard-Kompre ssor bekannt. Die Erfindung wird im folgenden so beschrieben, wie es sich bei Wirksamkeit als Kompressor ergibt, obwohl sie offensichtlich für Expansionsmotoren ebenso anwendbar ist.

Es wurde bisher verschiedene Trochoid-Kompressoren bekannt, bei denen' die äußere Peripherie des Rotors oder die innere Peripherie des Rotorgehäuses trochoidale Oberflächen sind, entweder ein Epitrochoid oder ein Hypotroehoid. Z. B. wird in der US-PS 3 671 153 ein Kompressor beschrieben, bei dem die innere Fläche des Rotorgehäuses ein Epitrochoid darstellt. Eine rotierende Einrichtung mit der Geometrie des Rotors und des Rotorgehäuses, wie sie in dieser Patentschrift gezeigt ist, wird allgemein als Wankel-Rotor bezeichnet. Der Maillard-Kompressor besitzt den Vorteil, daß das Minimalvolumen jeder Arbeitskammer im wesentlichen am Ende jedes Auspufftaktes gegen Null geht, wodurch sich ein Kompressor mit hohem volume tr is ehern Wirkungsgrad ergibt.

Der Wirkungsgrad eines Rotationskompressors hängt davon ab, daß jede Arbeitskammer mit guter Abdichtung versehen wird. Bei einem Maillard-Kompressor ist es wichtig, zwischen jedem "liasen"-Abschnitt des Rotors und der inneren Peripherie des Rotorgehäuses eine gute Dichtheit zu schaffen und ebenso zwischen dem Punkt oder den Punkten der Peripherie des Rotorgehäuses, die die Hypotrochoid-Oberflache des Rotors erzeugen oder bilden, wenn der Rotor sich relativ zu dem Gehäuse bewegt. Im Falle eines Maülard-Kompressors ist jedoch jeder Käsen- oder Scheitelabschnitt des Rotors abgerundet, statt wie bei Wankel-Rotoren spitz zulaufend, und die in Dicht-Kontakt mit dem Rotorgehäuse stehende Linie

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wandert um den gerundeten Nasenabschnitt, während der Rotor sich relativ zum Rotorgehäuse dreht. Deshalb müßte bei einem Maillard-Kompressor eine in einem sich axial über den Nasenabsennitt des Rotors erstreckenden Schlitz angebrachte und radial "bewegliche Dichtleiste ihre Lage in bezug auf den Rotor in Radialrichtung ändern, um den dichtenden Kontakt mit dem Rotorgehäuse aufrechtzuerhalten. Eine jede solche erforderliche Radialbewegung der Scheiteloder Nasendichtung des Rotors vermindert notwendigerweise die Wirksamkeit der Dichtung, da sie wegen der Reibungskräfte und der kurzen erforderlichen Reaktionszeit den Dichtkontakt mit dem Rotorgehäuse nicht aufrechterhalten kann. Eine solche erforderliche Bewegung der Dichtung erhöht auch die Menge der erforderlichen Schmierung, um den Verschleiß der Dichtung gering zu halten.

Ein Ziel der Erfindung ist es, einen Maillard-Rotationskompressor mit einer neuartigen und einfachen Dichtanordnung für die Arbeitskammern des Kompressors zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird der Kompressor mit einem neuartigen Labyrinth-Dichtungsaufbau versehen. Die Verwendung von Labyrinth-Dichtungen vermeidet nicht nur die Kontaktreibung an der Dichtung, sondern sie macht dadurch eine Schmierung für die Dichtung unnötig. Diese letztgenannte Eigenschaft ist besonders wichtig, wenn Kompressoren verlangt werden, bei denen die Menge von Schmieröl im verdichteten, vom Kompressor gelieferten Fluid möglichst gering sein soll. Der Wegfall jeder Dichtkontaktreibung bei einer Labyrinth-Dichtung stellt auch eine lange Lebensdauer der Dichtung sicher.

Es ist besonders ein Ziel der Erfindung, einen neuartigen Labyrinth-Biclitaufbau für einen Maillard-Kompressor zu

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schaffen, bei dem die Peripherie und die Seitenflächen des Rotors mit Labyrinthnuten versehen sind, um eine Abdichtung zwischen dem Rotor und dem Kompressorgehäuse zu schaffen. Zusätzlich zu (fen Labyrinthnuten an der Peripherie des Rotors oder statt dieser Labyrinthnuten können erfindungsgemäß Labyrinthnuten an der inneren perLpheren Oberfläche des Rotorgehäuses angebracht werden.

Um den Leckverlust über die Labyrinthdichtungen zu verringern, sollte der Zwischenraum zwischen den gegeneinander beweglichen Dichtpartnern so klein wie möglich gehalten werden. Zu diesem Zweck können die Oberkanten der Rippen oder der Zähne, die die Labyrinthdichtnuten bilden, mit etwas Übermaß ausgebildet werden, so daß sie während der Einlaufzeit des Kompressors durch Abrieb das richtige Maß bekommen. In der US-PS 3 086 476 wird eine Drehschieberpumpe beschrieben, bei der das Pumpengehäuse mit einer faserigen Schicht ausgerüstet ist, die durch die Schieber eingearbeitet wird. Die in dieser Patentschrift beschriebene Rotationsvorrichtung ist jedoch von der erfindungsgemäßen Vorrichtung völlig verschieden, da bei ihr das Fluid lediglich von der Einlaß- zur Auslaßseite der Pumpe transportiert wird. Das bedeutet, daß diese Patentschrift keinen Kompressor mit, wie es bei Maillard-Kompressoren der Fall ist, inneren Arbeitskammern beschreibt, die ihr Volumen so verändern, daß das Fluid verdichtet wird und die deshalb ein Dichtgitter um jede solche Kompressor-Arbeitskammer erforderlich machen.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung werden der Punkt oder die Punkte des Rotorgehäuses, die den Hypotrochoidumfang des Rotors erzeugen, mit einer radial beweglichen Dichtleiste versehen, die sich in Axialrichtung quer zu dem Ge-

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häuse erstreckt und die Peripherie des Rotors berührt. Zusätzlich werden die Nasen- oder Scheitelabschnitte der Rotorperipherie.mit labyrinthartigen Vertiefungen versehen, damit sie eine Dichtung zwischen den Nasenabschnitten des Rotors und dem Rotorgehäuse ergeben. In dieser Ausführung bildet der Umfang des Rotors kein wahres Hypotrochoid, sondern ist vorzugsweise eine gekrümmte Oberfläche, die sich parallel zu einem wahren Hypotrochoid erstreckt und etwas radial nach innen von der wahren Hypotrochoidlinie entfernt ist, wobei der Abstand annähernd gleich dem Krümmungsradius der Dichtkante der Dichtleiste ist.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Pig. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Rotationskompressor,

Pig. 2 einen Axialschnitt nach Linie 2-2 der Fig. 1,

Pig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt von Pig. 1, bei dem besonders die Endfläche des Rotors dargestellt ist,

Pig. 4» Querschnitte nach Linie 4-4 und 5-5 der Pig. 3, Pig. 5

Pig. 6 einen Querschnitt ähnlich Pig. 1 von einer abgewandelten Ausführung der Erfindung,

Pig. 7 eilen Schnitt nach Linie 7-7 der Pig. 6,

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Pig. 8 eine vergrößerte Ansieht eines Teils des Rotors von Pig. 6,

Pig. 9 ejnai vergrößerten Ausschnitt der Dichtleiste und der benachbarten Rotor- und Gebäuseabschnitte von Pig. 6,

Pig. 10 eine Darstellung, ähnlich Fig. 1 und Fig. 6 von einer weiteren, abgewandelten Ausführung der Erfindung,

Pig. 11 eine Draufsicht auf den Rotor der Fig. 8, mit einer modifizierten Labyrinthnutgestaltung, und

Pig. 12 eJnai stark vergrößerten Ausschnitt mit bevorzugten Abmessungen der Lab;p?inthnuten am Rotor.

Der in Pig. 1 und 2 dargestellte RotationsJkoiipressor 10 besitzt einen Innenkörper oder Rotor 12 mit einer peripheren Fläche H, die räch Art eines Hypotrochoids mit drei Scheitel- oder Nasenabschnitten 16 ausgebildet ist. Der Rotor 12 ist- mittels eines Lagers 17 auf dem exzentrischen Abschnitt 18 einer Welle 20 gelagert, die koaxial in einem äußeren Körper oder Gehäuse gehalten ist, das aus zwei axial voneinan der getrennten Endwänden 22 und 24 besteht und aus einer dazwischenliegenden Umfangswand oder Rotorgeliäuse 26. Die Gehäusewände 22, 24 und 26 sind, beispielsweise durch (nicht gezeigte) Schrauben, miteinander verbunden.

Der Rotor 12 besitzt eine an einer Endfläche des Rotors angebrachte Innenverzahnung 28 ^die so angeordnet ist, daß sie mit einem an der benachbarten Gehäuseendwand 25 befestigten

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Zahnrad 30 in Eingriff steht. Die Zähnungen 28 und 30 "bilden effektiv die Rollkreise zur Erzeugung der Hypotrochoidoberflache 14. Um ein Hypotrochoid mit drei Scheitelabschnitten, wie dargestellt, zu erzeugen, sind die Zahnräder 28 und 30 mit einem Durchmesserverhältnis von 3:2 versehen.

/32

Die innere periphere Oberfläche des Zwischen- oder Rotorgehäuses 28 besitzt die Form der äußeren Umhüllenden der trochoidalen Umfangsoberfläche 14 des Rotors. D. h., die Fläche 32 ist die äußere Umhüllende der verschiedenen Lagen der peripheren Rotoroberfläche 14 in bezug auf das Rotorgehäuse 26. Die daraus resultierende periphere Oberfläche 32 besitzt zwei leicht nach innen gehende oder taillierte Abschnitte 34, die effektiv die hypotrochoidale Oberfläche 14 erzeugen, wenn der Rotor relativ zum Rotorgehäuse 26 rotiert. Deshalb ist jeder der beiden taillierten Abschnitte 34 effektiv eine Erzeugungslinie (im weiteren erzeugendes Element genannt), die sich axial quer zum Rotoi_wahäuse 26 erstreckt und die Hypotrochoid-Oberfläche 14 des Rotors erzeugt, während cer Rotor 12 sich relativ zu seinem Rotorgehäuse 26 dreht. Vorzugsweise wird zwischen dem Rotor 12 und" der peripheren Oberfläche des Gehäuses 32 ein geringer Spielraum vorgesehen, damit das Lagerspiel und die Herstellungstoleranzen nicht zu mechanischen Störungen führen können. Dieser Spielraum wurde in der Zeichnung aus Darstellungsgründen übertrieben.

Der Rotationskompressor 10 ist auch mit einer Einlaßöffnung 40 und einer Auslaß- oder Auspufföffnung 42 versehen, die an gegenüberliegenden Seiten jedes erzeugenden Elementes 34 des Hypotrοchoids angebracht sind. Jede Auspufföffnung ist vorzugsweise mit einem Rückschlagventil ausgerüstet, das

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schematisch bei 43 angedeutet ist, um einen Rückfluß in den Kompressor zu vermeiden.

Bei dem beschriebenen Aufbau werden eine Vielzahl von Arbeitskammern 44 zwischen dem Rotor 12 und dem Rotorgehäuse 26 gebildet. Jede dieser Kammern erstreckt sich in Umfangsrichtung von einem Scheitelabschnitt 16 des Rotors zu einem anderen Scheitelabschnitt oder zu einem erzeug enden Element 34 der Hypotrochoide hin. Wenn die Welle 20 sich nach der Darstellung in Pig. 1 im Uhrzeigersinn dreht, dreht sich auch der Rotor 12 im. Uhrzeigersinn, jedoch nur mit einem Drittel der Umdrehungsgeschwindigkeit der Welle. Während sich der Rotor 12 dreht, wird "Fluid durch die Einlaßöffnung 40 links unten in eine Arbeitskammer 44 eingezogen und Fluid wird durch die obere linke Auslaßöffnung 42 von einer anderen Arbeitskammer 44 ausgestoßen, gleichzeitig wird auf gleiche Weise Fluid .durch die obere rechte Einlaßöffnung 40 eingezogen und durch die untere rechte Auslaßöffnung 42 ausgestoßen. Auf diese Weise arbeitet jede Hälfte der Rotationsvorrichtung 10 an entgegengesetzten Seiten einer vertikalen Ebene dur.ch die erzeugenden Elemente 34 hindurch als Kompressor. Die bisher beschriebene Vorrichtung bildet den Stand der Technik.

Um eine wirksame Arbeitsweise des Kompressors zu erhalten, muß zwischen jedem erzeugenden Element 34 und der Trochoidal oberfläche 14 des Rotors 12 und zwischen jedem Scheitel des Rotors und der inneren Umfangsoberfläche 32 des Rotorgehäuses, wie auch zwischen den Seiten des Rotors 12 und den benachbarten Endwänden 22 und 24 eine gute Abdichtung gewährleistet sein.

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Erfindungsgemäß wird die Hypotrochoid-Oberflache 14 des Rotors 12, wie am besten in Fig. 3, 4 und 5 zu sehen, mit einer Vielzahl eng aneinanderbefindlieher labyrinthartiger Nuten oder Einschnitte 50 versehen, die sich in Axialrichtung quer über die Oberfläche erstrecken. Die Nuten 50 können direkt in die periphere Oberfläche 14 des Rotors eingearbeitet sein auf einer Außenfläche eines Materials, beispielsweise Metall oder Kunststoff,ausgebildet sein, das (beispielsweise durch Kleben oder Kitten) an der Rotoroberfläche 14 angebracht ist. Durch diese Nuten 50 wird zwischen jedem erzeugenden Element 34 und der Hypotrochoid-Oberflache 14 sowie zwischen den Scheitelabschnitten 16 des Rotors und der inneren peripheren Oberfläche 32 des Ro tor gehäuses eine Labyrinthdichtung geschaffen. Zusätzlich ist jede Endfläche des Rotors 12 mit einer"'Vielzahl länglicher Nuten oder Einschnitte 52 versehen, die sich in der Nähe und parallel zum Umfang des Rotors in TTmfangsrichtung zwischen dem Scheitelabschnitten 16 erstrecken. Weiters besitzt jede Rotorendfläche eine oder mehrere Nuten 54>die sich von jedem Rotor-Scheitelabschnitt 16 aus radial nach innen erstrecken. Wig es bei den Nuten 50 der Pail ist, so können auch die Nuten 52 und 54 in eine Rotorendfläche eingearbeitet sein, oder diese Nuten können auf einer oder mehreren getrennten Platten ausgebildet sein, die ander Rotorendfläche befestigt sind. Die Nuten 50 verhindern dadurch einen Leckverlust von den Arbeitskammern 44 zwischen dem Rotor und den erzeugenden Elementen 34 und zwischen den Scheitelabschnitten 16 des Rotors und der inneren peripheren Oberfläche 32 des Rotorgehäuses, während die Nuten 52 und 54 in den. Rotorendflachen einen Leckverlust durch den klei nen Preiraum zwischen den Rotorendflächen und den Gehäuse-

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Endwänden 22 und 24 "verhindern. Auf diese Weise wird jede Arbeitskammer 44 wirksam abgedichtet, ohne daß ein mechanischer Kontakt- zwischen dem Rotor 12 und den "benachbarten Gehäusewänden¹ 22, 24 und 26 erforderlich ist.

Um die Wirkung dieses Gitters aus Labyrinthdichtungen um jede Arbeitskammer 44 noch weiter zu erhöhen, kann die innere periphere Oberfläche 32 des Rotorgehäuses, wie in Pig. 3 gezeigt, auch mit Labyrinthnuten 56 versehen sein, die sich in Axialrichtung über die Oberfläche erstrecken. Die Labyrinthnuten 56 können zusätzlich oder anstatt der Labyrinthnuten 50 an der peripheren Oberfläche 14 des Rotors Torhanden sein. Die Hüten 56 können gleichfalls direkt in die Oberfläche 32 des Rotorgehäuses eingearbeitet sein, oder sie können in einer aus einem oder aus mehreren

/z.B.

Stücken bestehenden Auskleidung aus Metall oder aus Kunststoff ausgebildet und an dem Gehäuse angeklebt sein.

Um das aus dem Rotorlager 17 austretende Öl daran zu hindern, zwischen dem Rotor und den Gehäuse endwänden 22 und 24 radial nach außen durchzusickern, sind die Rotorendflächen mit einer oder mehreren ringförmigen Öldichtungen 60 versehen, die sich in Hüten in den Rot or endf lachen befinden und in Axialrichtung durch (nicht gezeigte) Federn gegen die benachbarten Gehäuseendwände 22 und 24 gedruckt werden.

In Fig. 6, 7, 8 und 9 ist eine andere Ausbildung der Erfindung dargestellt, bei der das Rotorgehäuse mit radial beweglichen Dichtleisben oder- Streifen versehen ist, die die erzeugenden Elemente des Hypotrochoids bilden. Um das Verständnis zu erleichtern, wurden die Teile in den Pig. 6,

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7, 8 und 9 mit den gleichen Hinweiszahlen wie die Teile der Ausführung der Fig. 1 bis 5 bezeichnet, jedoch wurde ein Anhang a hinzugefügt.

In der Ausführung nach Pig. 6, 7, 8 und 9 ist ein radial beweglicher Dichtstreifen oder eine radial bewegliche Dichtleiste 34a bei jeder Hypotrochoid-erzeugenden Linie oder jedem Hypotrochoid-erzeugenden Element des Rotorgehäuses 26a angebracht. Jede Dichtleiste 34a sitzt in einer Radialnut 70, die sich axial quer über das Rotorgehäuse erstreckt, und eine Feder 72 am Boden jeder Nut drückt die Dichtleiste 34a radial so nach innen, daß sie kontinuierlich die hypotrochoide Umfangsoberfläche 14a des Rotors 12a berührt.

Die Dichtleisten 34a dichten dadurch ein Ende jeder Arbeitskammer 44a an jedem taillierten Abschnitt der Umfangsoberfläche 32a des Rotorgehäuses ab. Um das andere Ende jeder Arbeitskammer abzudichten, ist jeder Nasenoder Scheitelabschnitt 16a des Rotors mit Labyrinthnuten 50a versehen, die sich parallel zur Rotorachse erstrecken. Die Nuten 50a brauchen nur an jenem Teil jedes Rotornasenabschnittes angebracht zu sein, der in enge Dichtberührung mit der Umfangsoberfläche 32a des Rotorgehäuses kommt. D. h., daß der Rest der peripheren Oberfläche 14a des Rotors nicht mir Labyrinthnuten 50a versehen sein muß und vorzugsweise auch nicht mit solchen Nuten versehen ist, wie es in Fig. 6 und 8 zu sehen ist. Jede der Labyrinthnuten 50a wird vorzugsweise durch einen oder mehrere Stege 74 (Fig. 8) unterbrochen, die eben mit der hypotrochoiden Rotoroberfläche 14a liegen, um Gleitschienen zu bilden, an denen die Dichtleisten 34 ohne mechanische Störung über

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die Rotornuten 50a Mnweggleiten können. Statt der Stege 74 können die Nuten 50a gegen die Axialrichtung geneigt sein, so daß auch auf diese Weise die Dichtleisten34a» wie später in Verbindung mit Pig. 11 beschrieben wird, über die Nuten gleiten können.

Die beiden Endflächen des Rotors 12a sind mit einem (in Pig. 6, 7 und 8 nicht dargestellten) Labyrinthdichtaufbau versehen, der ähnlich wie der in Pig. 3 gezeigte ausgeführt ist, damit so das Dichtgitter um jede Arbeitskammer 44a vollendet ist. Es kann auch jede Endfläche des Rotors 12a mit einem oder mit mehreren Öldichtringen 60a, wie in Pig. 1 bis 3, versehen sein.

Jede Gehäusedichtleiste 34a ist vorzugsweise mit einem abgerundeten Dichtkantenabschnitt versehen, um den Verschleiß dieses Kantenabschnittes beim Gleiten über die Rotoroberfläche 14a möglichst gering zu halten. Wegen der Drehung des Rotors 12a gegenüber dem Rotorgehäuse 26a steht die Dichtleiste nicht immer senkrecht zur Rotoroberfläche 14a, sondern bildet im allgemeinen einen Winkel mit dieser Oberfläche, der sich während der Drehung des Rotors ändert. Wegen dieser Winkeländerung der Dichtleiste 34a in bezug auf die Rotoroberfläche und weil die Kante der Dichtleiste abgerundet ist, muß die Dichtleiste ihre Lage in dem Schlitz 70 in radialer Richtung ändern, um den Kontakt mit der Rotoroberfläche aufrechtzuerhalten, wenn die Oberfläche ein wahres Hypotrochoid ist. Diese radiale Bewegung der Dichtleiste ist wegen der damit verbundenen Gleitreibung der Dichtleiste an einer Seite ihrer Nut 70 unschön. Theoretisch könnte diese Radialbewegung dadurch ausgeschaltet werden, daß die Dichtleiste mit einer scharfen, spitzen Kante ver-

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sehen wird. Das ist jedoch unpraktisch, da eine solche schar fe Kante schnell durch Verschleiß abgestumpft würde.

Um dieses Problem¹ zu vermeiden, wird die Kante jeder Dichtleiste 34a vorzugsweise mit einem Radius r abgerundet (Pig. 9) und die Oberfläche 14a des Rotors 12a statt mit einer wahren Hypotrochoid-Fläche mit einer parallel zu einer theoretischen Hypotrochoid-Pläche 14b verlaufenden Fläche versehen, wobei diese theoretische Hypotrochoid-ZLäche 14b durch jeden Punkt 76 erzeugt wird, der der Krümmungsmittelpunkt der abgerundeten Kante der Dichtleiste 34a ist. Die Oberfläche 14a ist um den Abstand r radial nach innen gegenüber der theoretischen Hypotrochoid-Fläche 14b versetzt. Dieser. Aufbau der Dichtkante ist ähnlich wie bei der in der GB-PS 1 154 090 gezeigten, die jedoch für einen Rotor mit einer Epitrochoid-TJmfangsfläche statt mit einer Hypotrochoid-Fläche bestimmt ist.Bei diesem Aufbau erzeugt der Punkt eine wahre oder theoretische Hypotrochoid-Fläche während der Umdrehung des Rotors. Gleichzeitig ist keine Radialbewegung der Dichtleiste 34a erforderlich, um Dichtkontakt mit der Rotoroberfläche 14a aufrechtzuerhalten, weil die Rotoroberfläche 14a parallel zur wahren Hypotrochoid-Fläche um einen Abstand r verschoben ist, der gleich dem Krümmungsradius der Dichtkante ist. Selbstverständlich tritt wegen der Herstellungstoleranzen und des lagerspiels eine Radialbewegung der Dichtleiste 34a beim tatsächlichen Einsatz des Rotors auf. Da der Abstand r klein ist und die Rotoroberfläche 14a parallel zu einer wahren Hypotrochoid-Pläche verläuft, ist die Oberfläche 14a im wesentlichen auch ein Hypotrochoid. Wie in Fig. 1 ist auch hier das Rotorgehäuse 32a die äußere Umhüllende der verschiedenen Stellungen der Umfangsoberfläche 14a des Rotors in bezug auf das Rotorge-

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häuse 26a. Aus Darstellungsgründen ist In Pig. 9 das Rückschlagventil in der Auslaßöffnung 42a weggelassen v; orden und aus den gleichen Gründen wurden die Labyrinthnuten 50a weggelassen.

In Pig. 9 ist der Rotor 12a in einer Lage zu sehen, "bei der ein Nasenabschnitt 16a des Rotors sich an der Auslaßöffnung 42a vorbeibewegt. D. h., der Rotor ist in einer Lage, in der eine Arbeitskammer 44a gerade durch die Auslaßöffnung 42a entleert wurde und dieser Takt vollendet ist. Wie in Pig. 9 dargestellt, hat bei dieser Stellung des Rotors 12a die Dichtung zwischen dem Nasenabschnitt 16a des Rotors und dem benachbarten Abschnitt des Rotorgehäuses fast die stationäre Gehäusedichtung 34a erreicht, so daß der Abstand in Umfangsrichtung zwischen diesen Dichtpunkten einen sehr kleinen Wert annimmt. Diese Tatsache bringt es zusammen mit der engen Passung zwischen dem Rotorumfang 14a und der Gehäusefläche 32a mit sich, daß das Volumen der Arbeitskammer 44a nach dsm Ausstoßtakt im wesentlichen gleich NuIl ist. Offensichtlich trifft dies auch für den Kompressor 10 in Pig. 1 zu. Es ergibt sich damit, daß die Kompressoren 10 oder 10a der vorliegenden Erfindung einen hohen volumetrischen Wirkungsgrad besitzen.

Die Tatsache, daß sowohl die Abmessung in Umfangsrichtung als auch die radiale Abmessung jeder Arbeitskammer 44 oder 44a während des Verdichtungstaktes abnimmt, ergibt einen bestimmten Vorteil über herkömmliche Kolbenkompressoren oder gegenüber Kompressoren, wie sie in US-PS 3 226 013 (Pig. 21 oder 23) oder in US-PS 724 665 dargestellt sind, die allgemein als Cooley-Kompressoren bekannt sind. Bei

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solchen herkömmlichen Kompressoren nimmt nur die radiale Abmessung der Arbeitskammer des Kompressors während des Yerdi chtungs taktes ab und deswegen kann das Minimal-Volumen nicht im gleiehen Ausmaß wie bei dem erfindungsgemäßen Kompressor verkleinert werden. In diesem Zusammenhang muß gesagt werden, daß bei Cooley-Kompressoren der Rotor eine Epitrochoid-Oberflache besitzt, die bei der Stellung, bei der das Minimal-Volumen einer Arbeitskammer eintritt, theoretisch so hergestellt werden kann, daß sie sich dem benachbarten Abschnitt des Rotorgehäuses sehr dicht anpaßt. Um jedoch einen Pluidfluß von jeder Arbeitskammer zu der Auslaßöffnung hin zu ermöglichen und um eine mechanische Störung oder ein Verklemmen zwischen dem Rotor und dem Rotorgehäuse zu vermeiden, muß ein beträchtliches Minimal-Volumen zwischen dem Rotor und dem Rotorgehäuse eines Cooley-Kompressors vorgesehen werden.

In der obigen Diskussion des volumetrischen Wirkungsgrades des erfindungsgemäßen Kompressors 10 oder 10a wird angenommen, daß das Rückschlagventil 43 oder 43a in jeder Auslaßöffnung des Kompressors nahe an der inneren Umfangsflache 32 oder 32a des Rotorgehäuses angeordnet ist, so daß das Volumen des Zwischenraums zwischen dem Rückschlagventil und der Innenumfangsfläche des Rotorgehäuses sehr klein ist.

Statt der Labyrinthdichtnuten 50a, die in Pig. 6 in der Gegend der Nasen- oder Scheitelabschnitte 16a des Rotors 12a angeordnet sind^oder zusätzlich zu diesen können Labyrinthdichtnuten 56a vorgesehen sein, die sich in Axialrichtung quer zur Gehäuseoberfläche 32a erstrecken.

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Eine solche Ausbildung ist in Fig. 10 dargestellt, wobei gleiche Teile in Fig. 10 mit den gleichen Hinweiszeichen wie in Pig. 6 versehen wurden.

In Fig. 10 sind die Labyrinthnuten 56a über die gesamte Oberfläche 32a des Rotorgehäuses angeordnet. Mit dieser Anordnung ergeben die Nuten 56a eine Labyrinthdichtung zwischen jedem Nasenabschnitt 16a des Rotors und dem Rotorgehäuse bei allen Stellungen des Rotors, ohne Rücksicht darauf, ob jeder Rotornasenabschnitt 16a auch mit Labyrinthnuten 50a, wie in Fig. 6 , versehen ist oder ob dies nicht der Fall ist. Das für jede Arbeitskammer 44a in Fig. 10 vorgesehene Dichtnetz ist sonst dem in Fig. 6 vorgesehenen gleich.

Wie im Zusammenhang mit Fig. 8 erwähnt, sind die Dichtnuten 50a an den Scheitelabschnitten durch Stege 74 unterbrochen, um eine mechanische Störung mit den Dichtleisten 34a zu vermeiden. Diese Störung kann auch vermieden werden, indem man lie Hüten so gestaltet oder so ausrichtet, daß sie nicht parallel zur Achse des Rotors verlaufen. Eine solche Anordnung ist in der Draufsicht auf einen Rotor in Fig. 11 angedeutet, wo die Dichtnuten 50a durch Muten 50b ersetzt sind, die gegen die Rotorachse gpaeigt und damit auch gegenüber der Richtung der Dichtleisten 34a geneigt sind, wenn sie unter diesen Dichtleisten durchtreten. Statt die Nuten 50a geneigt auszuführen, können sie auch eine, wie in Fig. 11 von oben gesehen, gebogene oder winkelförmige Gestalt haben.

Die hier beschriebene Labyrinthdichtung läßt natürlich eine gewisse Undichtheit der Enden der Arbeitskammer 44 oder 44a

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in TJmfangsrichtung zu, besonders da sich in jeder Labyrinthnut 50 oder 50a ein Druckfluid befindet, wenn die Nut an dem abdichtenden» erzeugenden Element 34 oder 34a vorbeistreicht. Ein solc'hes Entweichen ist jedoch nur in sehr geringem Ausmaß vorhanden. TJm ein Entweichen des Fluids an den Labyrinthdichtungen möglichst klein zu halten, muß das Laufspiel der Labyrinthdichtungen zwischen dem Kompressor-Rotor 12 oder 12a und dem Gehäuse 22, 24, 26 oder 22a, 24a 26a möglichst klein gehalten werden. Um dies zu erreichen, können, wie bereits erwähnt,die Rippen oder Zähne zwischen den Labyrinthdichtnuten mit leichter Übergröße ausgestaltet werden, so daß sie mit leichtem Preßsitz eingepaßt werden, wobei sich die Übergröße während des' Einlaufs des Kompressors abarbeitet. Z.B. können die Rippen oder Zähne zwischen den Labyrinthnuten 50 in Pig. 1 so hergestellt werden, daß ihre Außenkanten ganz leicht über die erforderliche Rotoroberfläche 14 hinausragen, so daß diese Rippen oder Zähne sich an der Innenfläche 32 des Rotorgehäuses 26 leicht reiben und daß damit während des Kompressoreinlaufs ein Verschleiß auftrit'¹;, der das richtige Maß herstellt. Bei einem solchen Einarbeiten der Passung für die Labyrinthsitze wird das Spiel der Kanten der Labyrinthdichtung so klein wie möglich gehalten und damit wird ein Leckverlust über diese Dichtungen weg so klein wie möglich gehalten. Die Labyrinthnuten an der Rotoroberfläche 14 oder 14a ergibt einen Leckverlust durch das verdichtete Pluid, das in diesen Nuten an den Hypotrochoid-erzeugenden Elementen 34 oder 34a vorbeigeführt wird. Dieser Verlust tritt jedoch nicht auf, wenn statt der Labyrinthnuten 50 oder 50a in der Umfangsflache des Rotors nur in der inneren Umfangsfläche des Rotorgehäuses Labyrinthnuten, wie in Pig. 10 dargestellt, angebracht sind.

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Die Wirksamkeit der Labyrinthdichtnuten, die in den verschiedenen Äbv/andlungen beschrieben wurden, hängt sowohl von der Tiefe und Breite der Hut als auch von dem Spiel über den Dichtkanten ab. Annähernde relative Größen dieser Abmessungen sind in Pig. 12 in Zusammenhang mit den Labyrinthnuten 50 an der Rotoroberfläche 14 in Fig. 1 dargestellt. Wie gezeigt, ist d1 der Spielraum zwischen den Außenkanten der Rippen oder Zähnen 80 zwischen den Labyrinthnuten 50 und der benachbarten Oberfläche 32 des Rotorgehäuses 26. Wie bereits festgestellt, wird dieses Kantenspiel d1 so klein wie praktisch möglich gemacht. Die Breite d2 jeder Labyrinthdichtnut 50 an der Außenseite ist wenigstens zehn mal so groß wie das Kantenspiel d1 und die Tiefe d3 jeder Nut ist etwa fünfzehn mal so groß wie d1. Die tatsächlichen Größen der Abmessungen der Labyrinthdichtung, d1, d2 und d3 und ihre Größenverhältnisse zueinander werden im Hinblickaif Faktoren wie der abzudichtende Druckunterschied, die Kompressorgeschwindigkeit und -Größe Änderungen unterworfen. Die Außenkanten jeder Rippe oder jedes Zahnes 80 wird so dünn wie praktisch möglich gemacht, jedoch verbreitert sich jeder Zahn oder jede Rippe aus Festigkeitsgründen zum Boden der Nut hin. Die anderen Labyrinthdichtnuten 52, 54, 56, 50a und 56a und die zwischen diesen Nuten gebildeten Zähne werden einschließlich des Spiels über den Kanten in gleichen oder gleichartigen Größenordnungen ausgeführt.

Es wurde bereits festgestellt, daß die Erfindung, obwohl sie mit Ausdrücken beschrieben wurde, die auf einen Einsatz als Kompressor hindeuten, gleicherweise auf Expansionsmotoren anwendbar ist. Die Erfindung ist auch nicht auf die bestimmte geometrische Gestalt der Darstellung beschränkt. Beispiels

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weise kann die Hypotrochoidoberfläche des Rotors mit einer anderen Anzahl von Scheitelabschnitten versehen werden, indem man die Durchmesser der Rollkreise ändert, aus denen die Hypotrochoide 'entsteht. So kann anstelle der gezeigten drei Scheitelabschnitte der Rotor nur zwei Scheitelabschnit te oder aber mehr als drei Scheitelabschnitte enthalten, wobei die Innenfläche des Rotorgehäuses die äußere "Umhüllen de der verschiedenen Stellungen des Rotors während seiner Umdrehung ist. Zusätzlich können die Einlaß- und Auslaßöffnungen des Kompressors statt im Außengehäuse des Rotors, wie dargestellt, in eine oder in beide Gehäuseendwände verlegt werden. Ebenso können die Labyrinthdichtungen statt längliche Nuten jeweils eine Reihe von lochartigen Vertiefungen umfassen. Der in.dieser Beschreibung gebrauchte Ausdruck "Labyrinth-Vertiefungen" bedeutet eine Reihe von Vertiefungen, die aufeinanderfolgende Bereiche örtlicher Druckabfälle ergeben.

Die Erfindung betrifft also einen Trochoid-Rotationskompressor mit ein 3m in einem Gehäuse zur Durchführung e iner planetarischen Bewegung angebrachten Rotor, bei dem der Umfang des Kompressorrotors im wesentlichen Hypotrochoidform besitzt und die innere Umfangsfläche des Gehäuses die äußere Umhüllende des Rotors darstellt, und bei dem Labyrinthdichtungen zwischen Rotor und Gehäuse vorgesehen sind.

- Patentansprüche -

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Leerseite

Claims (10)

Patentansprüche

1.} Rotierende Vorrichtung, z. B. Kompressor, Expansionsmotor oder ähnliches, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein äußerer Körper zwei in Axialrichtung mit Abstand voneinander versehene Endwände und eine Zwischenwand umfaßt, die zwischen sich einen Hohlraum "bestimmen,

b) ein innerer Körper so angeordnet ist, daß er in dem Hohlraum eine Relativbewegung ausführen kann und eine exzentrisch zur Achse des äußeren Körpers verlaufende Achse besitzt, wobei die Umfangsflache des inneren Körpers eine Vielzahl von Nasenabschnitten besitzt und im wesentlichen eine Hypotrochoide darstellt, ind die innere Umfangsoberfläche der Zwischenwand des äußeren Körpers im wesentlichen die äußere Umhüllende der Umfangsflache des inneren Körpers ist, so daß eine Vielzahl von Fluid-Arbeitskammern zwischen dem inneren Körper und der Umfangsfläche der Zwischenwand gebildet werden,

c) mindestens eine in radialer Richtung bewegliche Dichtleiste an der Zwischenwand angebracht und parallel zur Achse in einer solchen Lage angeordnet ist, daß die innere Kante der Leiste im wesentlichen die Hypotrochoid-Umfangsflache des inneren Körpers während einer relativen Drehung der Körper gegeneinander erzeugt und Einrich-

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tungen vorhanden sind, die die Dichtleiste radial nach innen in dichtenden Eingriff mit der Hypotrochoid-Umfangsfläche drücken,

d) der äußere Körper Einlaß- und AuslaßÖffnungen zur Verbindung mit denArbeitskammem"besitzt, die an gegenüberliegenden Seiten der Dichtleiste angeordnet sind, und

e) mindestens eine der Umfangsflachen Lahyxinth-Vertiefungen an mindestens einem Abschnitt der Oberflächen aufweist, um ein dichtendes Zusammenwirken zwischen den Nasenabschnitten des inneren Körpers und der Umfangsfläche der Zwischenwand zu erzeugen.

2. Torrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche der Zwischenwand mit den Labyrinthvertiefungen versehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichn et, daß die Hypotrochoid-Umfangsfläche des inneren Körpers drei Hasenabschnitte besitzt und daß die

.. Vorrichtung eine zweite radial bewegliche Dichtleiste von gleicher Art wie die ersterwähnte Dichtleiste besitzt, die jedoch diametral gegenüber der ersten erwähnten Dichtleiste angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nasenabschnitte der Hypotrochoid-Umfangsfläche mit den Labyrinth-Vertiefungen versehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Labyrinth-Vertiefungen an den

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Nasenabsehnitten der Hypotroehoid-Fläche des inneren Körpers sicli im. Uirfangsrichtung genügend weit auf beiden Seiten des llasenaibsehnittes des inneren Körpers erstrecken, um eine IraTbyrinthdichirang zwischen jedem Nasenabschnitt und der UmfangsfXache der Zwischenwand in allen Stellungen des inneren Körpers in bezug auf den äußeren Körper zu erzeugen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß die iabyrinth-Yertiefungen eine Vielzahl länglicher Muten umfassen, die sich in Axialrichtung über die Nasenabschnitte des inneren Körpers erstrecken und daß jede Nut einen oder mehrere Stegabschnitte besitzt, die mit der Hypotrochoid-Umfangsfläche des inneren Körpers eine Fläche bilden.

7. Vorrichtung nacn Anspruch 5, dadurch gekennzeichn e t, daß die Labyrinth-Vertiefungen eine Vielzahl von länglichen Muten "umfassen, die nicht parallel zur Dichtleiste

8. * Vorrichtung nacn Anspruch 5, dadurch gekennzeich

net, daß die Hypotrochoid-Umfangsfläche des inneren Körpers drei WasenaTbschnitte in gleichen Abständen besitzt und daß die Torrichtung eine zweite in Radialrichtung bewegliche Dichtleiste von gleicher Art wie die erste Dichtleiste "besitzt, die jedoch diametral gegenüber der ersten Dichtleiste angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Innenkante der Dichtleiste in Ebenen quer zur Achse der Vorrichtung konvex gekrümmt ist und daß die

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Umfangsflache des inneren Körpers parallel zu einer wahren Hypotrochoide ist, die durch den Krümmungsniittelpunkt dieser Krümmung erzeugt wird, und daß die Fläche radial nach innen von der wahren Hypotrochoide um einen Abstand versetzt ist, der annähernd gleich dem Radius der konvexen Krümmung ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Endflächen des inneren Körpers mit labyrinthvertiefungen versehen ist, die über einen wesentlichen Abschnitt der Endfläche verteilt sind, um dichtendes Zusammenwirken mit der benachbarten Endwand des äußeren Körpers zu bewirken.

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