DE2718138C2 - Hydraulische Schraubenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine hydraulische Schraubenmaschine mit einer Axialspiel aufweisenden Antriebsspindel und mehreren mit dieser zusammenarbeitenden Laufspindeln, die in einem Gehäuse angeordnet sind, wobei die AntriebssDindel ein Gewindeteil und ein Wellenteil umfaßt und der Wellenteil sich an der Hochdruckseite der Maschine durch einen mit der N D-Seite verbundenen Wellendichtungsraum aus dem Gehäuse hinaus erstreckt und im Bereich einer innerhalb der Wellendichtung liegenden Lagerungsvorrichtung zur Ausbalancierung des auf die Antriebsspindel einwirkenden Druckes mit einem Ausgleichskolben ausgebildet ist, der auf der einen Seite mit dem Druck der Hochdruckseite der Maschine und auf der axial ίο gegenüberliegenden Seite mit einem niedrigeren Druck beaufschlagt ist.

Eine solche Maschine kann als Pumpe arbeiten, wenn

die Antriebsspindel von einem Motor angetrieben wird, wobei die Flüssigkeit in den von den Schraubengängen und dem Gehäuse gebildeten Kammern von der Niederdruckseite zur Hochdruckseite transportiert wird, oder als Moior, wobei Flüssigkeit bei der Hochdruckseite eingespeist und in den Kammern zur Niederdruckseite bewegt wird und dabei die Spindeln antreibt und die Antriebsspindel eine mit deren Welle verbundene Vorrichtung treibt.

Der Spindelsatz und das Gehäuse sind in einem äußeren Gehäusekörper angeordnet, durch dessen bei der hochdruckseite liegendes Ende sich die Welle der Antriebsspindel über eine Dichtung hindurch erstreckt. Eine Schraubenmaschine der eingangs definierten Art ist bereits aus der DE-OS 19 01 759 bekannt. Mit dem bei der in dieser Druckschrift beschriebenen Maschine vorgesehenen Ausgleichskolben, dessen Durchmesser jo in der Größenordnung des Durchmessers der Antriebsspindel liegt, wird nur eine teilweise Kompensation der Axialbelastung der Antriebsspindel bewirkt, die im übrigen gegen eine niederdruckseitig am Gehäuse vorgesehene mechanische Abstützung anliegt. Durch diese Beschränkung des Durchmessers des Ausgleichskolbens auf die Größenordnung des Durchmessers der Antriebsspindel sind bei der bekannten Maschine die zusätzlichen axialen Abstützungsmaßnahmen auf der Niederd.-uckseite des Gehäuses bedingt. Da infolgedessen der Ausgleichskolben nur zu einer teilweisen Ausbalancierung ausgelegt ist und besondere Anlageflächen zur Abstützung des verbleibenden Axialdruckes vorgesehen sein müssen, ergibt sich eine insgesamt gesehen fertigungstechnisch aufwendige und verschleißanfällige Konstruktion.

Bei der aus der DE-OS 19 01759 bekannten Schraubenmaschine kann daher über den dort vorgesehenen Ausgleichskolben ein vollständiger Axialschubausgleich nicht erreicht werden.

Aus der DE-OS 15 28 939 geht ferner eine hydraulische Maschine mit einer vertikal gehalterten Antriebsspindel als bekannt hervor, wobei zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite der Maschine eine verstellbare Leck-Drossel vorgesehen ist, deren wirksamer Drosselquerschnitt über ein axiales Anheben der Antriebsspindel nach Maßgabe der Druckdifferenz zwischen dem Hochdruckraum und einem Ausgleichsraum eingestellt wird. Die vertikale Anordnung der Antriebsspindel bei dieser bekannten Spezialausführung einer Hydromaschine macht somit zusätzliche Entlastungsmaßnahmen erforderlich, die durch die dortige Lösung, nämlich, eine Radialbohrung je nach dem Axialspiel der Antriebsspindel mehr oder weniger freizugeben, erbracht werden, allerdings unter Inkaufb" > nähme eines erheblichen Axialspieles, was indessen bei der speziellen Ausführung der bekannten Hydromaschine nicht stört. Eine feste Ankopplung einer derart in nicht unbeträchtlichem Maße axial Dendelnden An-

triebsspindel an den Wellenstumpf einer Antriebsvorrichtung oder einer angetriebenen Vorrichtung, die stationär betrieben wird, ist aber nicht oder jedenfalls nicht ohne weiteres möglich.

Es ist ferner aus »Flüssigkeitspumpen« von Carl Ritter, Leipzig 1938, Seiten 44—48 bekannt, bei Kreiselpumpen einen vollkommenen Ausgleich des Axialschubes durch Anwendung von /vJsgleichsvorrichtungen mit Scheiben oder Tellern oder Kolben in Verbindung mit einer oder mehreren Drosselstellen für die durchtretende Flüssigkeit zu schaffen. In dieser Druckschrift ist beispielsweise eine mehrstufige Kreiselpumpe eridutert, bei der hinter dem letzten Rad eine Entlastungsscheibe mit größerem Durchmesser als der Laufrad-Saugmund vorgesehen ist, die auf ihrer von der Hochdruckseite der Pumpe beaufschlagten Seite einen variablen Ringspalt mit dem Gehäuse definiert, welcher einen Druckausgleich beiderseits der Entlastungsscheibe erlaubt. Die der Hochdruckseite gegenüberliegende Seite der Entlastungsscheibe ist hierbei mit dem Druck beaufschlagt, der sich je nach der Einstellung des Ringspaltes ergibt. Aus der gleichen Literaturstelle ist es außerdem bekannt, bei Hochdruckkreiselpumpen zur Verschleißminderung im Bereich des Ausgleichselementes mehrere Entlastungsscheiben hintereinander auf einer Welle anzuordnen, die jeweils mit maschinenfesten Teilen Ringspalte ausbilden, jedoch nicht hintereinander geschaltet sind, sodann jeweils für sich mit unter Druck stehendem Medium beaufschlagt werden, um die druckseitige Beaufschlagung unter dem Druck der Hochdruckseite der Maschine halten zu können, aber nicht auf den Druck absinken zu lassen, der sich aus der Spaltströmung der Entlastungsscheiben ergibt. Diese bekannte stufenförmige Entlastung besteht also lediglich in der Hintereinanderanordnung von identisch wirkenden, jedoch unabhängig voneinander beaufschlagten Entlastungsmaßnehmen (Anordnung von mehreren, voneinander strömungstechnisch unabhängigen Ringspalten).

Aus »Centrifugal and other Rotodynamics Pumps«, London 1955, Seiten 80 bis 89 ist es darüber hinaus bei Kreiselmaschinen bekannt, als Ausgleichselement anstelle einer Scheibe mit einem Ringspalt einen Ausgleichskolben mit konstanter Spaltwirkung vorzusehen, der einerseits von der Hochdruckseite der Maschine beaufschlagt ist und andererseits einen Leckageabgang zeigt. Dieser Ausgleichskolben selbst stellt eine starre Mehrfachanordnung aus einzelnen Kolbenringen mit dazwischenliegenden umlaufenden Nuten dar. Die Niederdruckseite des bekannten Ausgleichskolbens wird nicht über einen Kanal gespeist, sondern über die Leckage zwischen Kolben- und Zylinderwand (vgl. Seite 87, Fig. 44 der genannten Literaturstelle).

Außerdem ist es aus »Schraubenspindelpumpen für hydraulische Anlagen« von Wegener, Sonderdruck aus ,Schweizer Maschinenmarkt«, Nr. 44/1972 bekannt, einen hydraulischen Axialschubausgleich der Laufspindeln vorzusehen, derart, daß jede Spindel für sich hydraulisch ausgeglichen ist.

In dem Buch »KSB, Kreiselpumpen Lexikon«, Copyright 1974 by Klein, Schanzlin und Becker AG, Frankenthal, Seite 28, Figuren 10, 11, 12 ist schließlich die Möglichkeit eines Axialschubausgleiches mittels Kolben und Scheibenteil (Doppelkolben) beschrieben, wobei ein scheibenförmiger Ansatz einen gegenüber dem Kolben größeren Durchmesser aufweist und der scheibenförmige Ansatz durch den variablen axialen Abstand zum Gehäuse eine Drosselstelle aufweist und zusammen mit dem Kolben einen Zwischendruckraum bildet, von dem einerseits über die Drosselstelle eine Leckagemöglichkeit besteht und von dem andererseits über einen zwischen der Mantelfläche des Kolbens und dem Gehäuse ausgebildeten Leckkanal eine Verbindung mit der Hochdruckseite ausgebildet ist, wodurch der scheibenartige Ansatz mit einem zwischen dem Druck nach der Drosselstelle und dem Druck der Hochdruckseite liegenden Druck beaufschlagt ist, wobei dieser Druck geringer ist, als der, mit dem der Kolben beaufschlagt ist.

In dieser Literaturstelle ist zwar das Prinzip eines

vollständigen, sich selbst einstellenden Axialschubausgleiches mittels Entlastungsscheibe und Drosselspalt bekannt, aber wesentliche Merkmale, die bei der Anwendung dieses Prinzips auf eine hydraulische Schiraubenmaschine der eingangs genannten Art zur Lösung der zugrunde liegenden Aufgabe notwendig sind, fehlen.

Ausgehend von einer hydraulischen Schraubenmaschine der eingangs angegebenen Gattung liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine solche Schraubenmaschine derart auszubilden, daß sie bei gedrängten radialen Abmessungen einen vollständigen sich selbsttätig einstellenden Axialschubausgleich mit geringen axialen Verschiebungen der Schraubenspindel und günstigem Regelverhalten gewährleistet.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf dem Wellenteil der Antriebsspindel eine mit dem Wellenteil axial verschiebliche Scheibe mit gegenüber dem Ausgleichskolben größeren Durchmesser vorgesehen ist, die einen Verschleißring enthält, der mit einem gegenüberliegenden gehäusefesten Verschleißring eine variable Drosselstelle bildet, wodurch zusammen mit dem Ausgleichskolben ein Zwischendruckraum entsteht, wobei von diesem Zwischendruckraum einerseits über die Drosselstelle und über im Bereiche der gegenüberliegenden Fläche der Scheibe vorgesehene Radial-Nuten eine Leckverbindung zum Wellendichtungsraum führt, und andererseits der Zwischendruckraum über einen zwischen der Mantelfläche des Ausgleichskolbens und dem Gehäuse ausgebildeten Leckkanal mit der Hochdruckseite der Schraubenmaschine in Verbindung steht, wodurch die Scheibe mit einem zwischen dem Druck im Wellendichtungs-Raum und dem Druck der Hochdruckseite liegenden Druck beaufschlagt ist, der zugleich der geringere Druck zur Druck-Beaufschlagung des KoI-bensist.

Aufgrund dieser erfindungsgemäßen Ausbildung wird eine wahlweise als Motor oder als Pumpe betreibbare, hydraulische Schraubenmaschine mit vollständigem, sich selbsttätig regulierendem Axialschubausgleich und mit günstigem Regelverhalten bei gleichbleibend extrem schlanker Ausführung geschaffen, nämlich im wesentlichen dadurch, daß eine in ihrer Wirkung praktisch konstante Drosselstelle mit einem axial variierbaren Ringspalt in Serie geschaltet ist, indem die Welle der Antriebsspindel mit einem Tauchkolben kleinen Durchmessers und einer axial dagegen distanziert angeordneten Scheibe geringfügig größeren Durchmessers ausgestattet ist, die in ihrem Randbereich gegenüber einem gehäusefesten Gegenring den Ringspalt ausbildet.

Bei dieser Leckverbindung über den Tauchkolben handelt es sich um eine in ihrer praktischen Auswirkung als konstant anzusehende Drosselstelle zum Beaufschla-

gen des Raumes zwischen dem Ausgleichskolben und der Scheibe mit einem Zwischendruck. Diese Drosselstelle ist deshalb praktisch konstant, da die erfindungsgemäße Ausbildung zu einem derart wirksamen Axialschubausgleich führt, daß Axialbewegungen des > Wellenteiles der Antriebsspindel allenfalls im μ,-Bereich vorkommen und somit praktisch völlig vernachlässigbar sind. Die erfindungsgemäße Lösung erbringt diesen als ideal zu bezeichnenden Axialschubausgleich unabhängig von Druck- oder Viskositätsschwankungen des "> Arbeitsmediums und auch unabhängig von Drehzahl oder Betriebsart der Maschine.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher r> erläutert, die den bei der Hochdruckseite liegenden Teil einer hydraulischen Schraubenmaschine im Schnitt zeigt.

Die dargestellte Maschine (Pumpe oder Motor), von der lediglich der auf der Hochdruckseite liegende Teil ■?» aus der Zeichnung ersichtlich ist, umfaßt ein Gehäuse, das aus einem im wesentlichen zylindrischen Hauptteil 1, einem gegen das Ende des Hauptteiles anliegenden Zwischenstück 2, einem gegen das Zwischenstück anliegenden Stirnwandteil 3 und einem Deckel 4, sowie -> einem am nicht sichtbaren Ende des Hauptteiles 1 liegenden Stirnwandscück zusammengesetzt ist. Diese Teile sind auf zweckmäßige Weise zusammengehalten, z. B. durch Schrauben 51, 52, und weiterhin sind Dichtungen in Form von O-Ringen angebracht, wie dies in der Zeichnung angedeutet ist.

Der Hauptteil 1 ist bei seinem einen Ende mit einem Auslaß 5 ausgebildet, der mit einer Austrittskammer 6 in Verbindung steht und ist selbstverständlich bei dem nicht sichtbaren Ende mit einem ähnlichen Einlaß und 3ϊ einer ähnlichen Eintrittskammer versehen.

Zwischen der Eintrittskammer und der Austrittskammer 6 erstreckt sich ein axialer Kanal 8, der auf bekannte Weise in Form von drei einander schneidenden, parallelen zylindrischen Läufen ausgebildet ist, in -to denen eine Antriebsspindel 9 und zwei Laufspindein 10 angeordnet sind, deren Schraubengänge ineinander eingreifen und gegeneinander sowie gegen die Wandungen des Kanals 8 dicht anliegen.

Die bei der Niederdruckseite liegenden Enden der « Laufspindein 10 erstrecken sich frei in die nicht sichtbare Eintrittskammer hinein und ihre entgegengesetzten Enden sind mit Lagerungs-Wellenzapfen 11 versehen, die in Hülsen 12 gelagert sind, welche im Endbereich des Hauptteiles eingesetzt sind. Die "»<' Stirnflächen der Lagerungs-Wellenzapfen 11 sind, wie nachstehend näher beschrieben wird, dem Druck an der Niederdruckseite ausgesetzt, so daß die Laufspindeln 10 ausbalanciert sind.

Die Antriebsspindel 9 ist mit einem Wellenteil 13 in '·"> einem Stück ausgeführt, der sich durch das Zwischenstück 2, das Stirnwandstück 3 sowie den Deckel 4 heraus erstreckt, so daß er an einen Antriebsmotor oder eine anzutreibende Vorrichtung angeschlossen werden kann, abhängig davon, ob die Maschine als Pumpe, oder als ^h" Motor arbeiten soll. Der Wellenteil 13 ist in seinem, im Zwischenstück 2 liegenden Bereich zu einem Ausgleichskolben 14 erweitert, der mit etwas Spiel in einer zentralen Ausnehmung 15 im Zwischenstück 2 verschiebbar ist.

Eine Wellendichtung 16 ist innerhalb des Deckels 4 zwischen einem äußeren Ring 17, der sich über einen dazwischenliegenden O-Ring 18 gegen eine Schulter im Deckel 4 abstützt und durch einen Stift 19 fixiert ist, und einem inneren Ring 20 angebracht, der sich gegen eine Schulter auf der Welle abstützt.

Eine Scheibe 21 umgibt den Wellenteil 13 außerhalb des Ausgleichskolbens 14 und liegt einerseits gegen die äußere Fläche des Ausgleichskolbens 14 und andererseits gegen einen Ring 22 an, der über eine Scheibe 23 von einer Mutter 24 festgehalten wird, die auf einen mit Gewinde versehenen Abschnitt 25 der Welle 13 aufgeschraubt ist.

In der zentralen Bohrung des Stirnwandstückes 13 ist einerseits eine Hülse 26 angebracht, welche die Scheibe 21 umgibt, und andererseits eine Hülse 27 vorgesehen, die den Ring 22 umgibt. Diese beiden Teile werden gegen das Zwischenstück 2 durch einen in die Bohrung des Stirnbandstückes hineinragenden zylindrischen Flansch des Deckels 4 festgehalten. Die axiale Länge der Hülse 26 ist etwas größer als die Dicke der Scheibe

21, welche somit zwischen einer Lage, in der sie gegen das Zwischenstück 2 anliegt (über Verschleißringe 2a, 21a, die in die gegenüberliegenden Flächen des Zwischenstückes 2 und der Scheibe 21 eingesetzt sind), und in einer Lage, in der sie gegen die innere radiale Fläche der Hülse 27 anliegt, begrenzt axial beweglich ist.

Die Antriebsspindel 9 ist mit einem axialen Kanal 28 versehen, der sich von seinem in der Eintrittskammer liegenden Ende bis zu einer Stelle in dem Wellenteil 13 erstreckt, wo sich radiale Kanäle 29 vom axialen Kanal 28 zum Umfang des Wellenteils 13 erstrecken. Diese radialen Kanäle 29 stehen durch öffnungen 30 im Ring 20, den vom Deckel 4 umschlossenen Dichtungsraum 31, den Zwischenraum zwischen der Hülse 27 und dem Ring

22, Radial-Nuten 32 in der inneren radialen Fläche der Hülse 27, den Zwischenraum zwischen der Hülse 26 und der Scheibe 21, axiale Kanäle 33 im Zwischenstück 2 sowie Kanäle 34 in den Hülsen 12 mit Kammern 35 in den Hülsen 12 an den Stirnseiten der Lagerungs-Wellenzapfen 11 in Verbindung, so daß diese, wie oben erwähnt, dem bei der Niederdruckseite herrschenden Druck ausgesetzt sind.

Ebenso ist die äußere Seite der Scheibe 21 dem bei der Niederdruckseite herrschenden Druck ausgesetzt, während ihre innere Seite (innerhalb des Verschleißringes 2Ia^ einem höheren Druck ausgesetzt ist, weil Flüssigkeit von der Austrittskammer 6 am Ausgleichskolben 14 vorbei durch die Ausnehmung 15 austritt. Der somit gegen die innere Seite der Scheibe 21 wirkende Druck liegt zwischen den Drücken an der Hochdruckseite und an der Niederdruckseite der Maschine und hängt von den übrigen hydraulischen Kräften auf die Antriebsspindel 9 bei der Hoch- und Niederdruckseite der Maschine ab. Die über die Lagerungsvorrichtung strömende Ölmenge hängt in erster Linie von den Dimensionen (Länge und Breite) jenes Leckölkanals ab, der zwischen der Mantelfläche des Ausgleichskolbens 14 und der Wandung der Öffnung 15 vorliegt. Während des Betriebes stellt sich die Scheibe selbst in eine solche Lage ein, daß der erforderliche Ausgleichsdruck aufgebaut wird.

Da der Druck somit teilweise von der Scheibe 21 aufgenommen wird, kann der Ausgleichskolben 14 zweckmäßigerweise einen Durchmesser aufweisen, der gleich groß oder kleiner als der Durchmesser der Antriebsspindel 9 ist, woraus sich die bereits angeführten Vorteile ergeben.

Der Wellendichtungsraum 31 braucht nicht mit der Niederdruckseite der Maschine verbunden zu sein, sondern kann separat zum Tank drainiert sein. Dies wird

Ί 8

angewendet, wenn der Druck an der Niederdruckseite sind in den Ausgleichshülsen 12 separat ausbalanciert,

hoch ist, was ungünstige Arbeitsbedingungen für die die durch längsverlaufende Bohrungen in den Laufspin-

mechanische Wellendichtung mit sich bringt. Bei einer dein mit der Niederdruckseite der Maschine in

solchen Anordnung ist der axiale Kanal 28 in der Verbindung stehen. Hierbei entfallen die Kanäle 33 und

Antriebsspindel 9 verschlossen und die Laufspindeln 10 "> 34.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen K

Claims (3)

Patenansprüche:

1. Hydraulische Schraubenmaschine mit einer Axialspiel aufweisenden Antriebsspindel und mehreren mit dieser zusammenarbeitenden Laufspindeln, die in einem Gehäuse angeordnet sind, wobei die Antriebsspindel ein Gewindeteil und ein Wellenteil umfaßt und der Wellenteil sich an der Hochdruckseite der Maschine durch einen mit der N D-Seite verbundenen Weilendichtungs-Raum aus dem Gehäuse hinaus erstreckt und im Bereich einer innerhalb der Wellendichtung liegenden Lagerungsvorrichtung zur Ausbalancierung des auf die Antriebsspindel einwirkenden Druckes mit einem Ausgleichskolben ausgebildet ist, der auf der einen Seite mit dem Druck der Hochdruckseite der Maschine auf der axial gegenüberliegenden Seite mit einem niedrigeren Druck beaufschlagt ist, d a durch gekennzeichnet, daß auf dem Wellenteil der Antriebsspindel eine mit dem WellenteiJ axial verschiebliche Scheibe (21) mit gegenüber dem Ausgleichskolben (14) größerem Durchmesser vorgesehen ist, die einen Verschleißring (2\a) enthält der mit einem gegenüberliegenden gehäusefesten Verschleißring (2a) eine variable Drosselstelle bildet, wodurch zusammen mit dem Ausgleichskolben (14) ein Zwischendruckraum entsteht, wobei von diesem Zwischendruckraum einerseits über die Drosselstelie und über im Bereiche der gegenüberliegenden Fläche der Scheibe (21) vorgesehene Radial-Nuten (32) eine Leckverbindung zum Wellendichtungs-Raum (31) führt, und andererseits der Zwischendruckraum über einen zwischen der Mantelfläche des Ausgleichskolbens (14) und dem Gehäuse (Zwischenstück 2) ausgebildeten Leckkanal mit der Hochdruckseite (Austrittskammer 6) der Schraubenmaschine in Verbindung steht, wodurch die Scheibe (21) mit einem zwischen dem Druck im Wellendichtungs-Raum (31) und dem Druck der Hochdruckseite liegenden Druck beaufschlagt ist, dei zugleich der geringe Druck zur Druck-Beaufschlagung des Kolbens (14) ist.

2. Hydraulische Schraubenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellendichtungs-Raum (31) über einen radialen Kanal (29) sowie einen axialen Kanal (28) durch die Welle (13) mit der Niederdruckseite der Maschine verbunden ist.

3. Hydraulische Schraubenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schubausgleich der Laufspindeln der Wellendichtungs-Raum (31) über axiale Strömungsverbindungen zwischen der Welle (13) bzw. der Scheibe (21) und dem Gehäuse, über die Radial-Nuten (32) zwischen dem Gehäuse und der vom Ausgleichskolben abgewandten Oberfläche der Scheibe (21) sowie über axiale Kanäle (33) durch das Gehäuse im Bereiche von Lagerungs-Wellenzapfen (11) der Laufspindeln (10) in Verbindung steht.