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Drehkolbenmaschine
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Die Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschine mit einem gegenüber
einem feststehenden Stator umlaufenden Läufer, der zur Bildung von gegenläufig sich
vergrößernden bzw. verkleinernden, an jeweils einen statorseitig vorgesehenen Druckmittelein-
bzw. -ausgang angeschlossenen Arbeitsräumen mit einer in sich geschlossenen, im
Bereich ihrer statorseitigen Erhebungen den Stator berührenden Umfangsnockenkontur
versehen ist, deren Abwicklung halbperiodisch spiegelbildlich ist, und mit mindestens
zwei als ortsfeste Arbeitsraumbegrenzungen zwischen jeweils einem
Druckmitteleingang
und dem diesem benachbarten Druckmittel ausgang angeordneten, die Umfangsnockenkontur
abfahrenden, beweglichen Abstreifelementen, die jeweils um eine halbe Nockenperiode
bzw. ein ungeradzahliges Vielfaches hiervon gegeneinander versetzt sind.
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Eine Anordnung dieser Art ist aus der US-PS 2 992 616 bzw. der DE-Gbm-Schrift
77 24 418 bekannt. Bei diesen bekannten Anordnungen folgt die Nockenumfangskontur
einer kontinuierlichen Sinuskurve. Die Folge davon ist, daß der Läufer im Bereich
der Maxima seiner Umfangsnockenkontur die zugeordnete Statorwandung lediglich linienförmig
berührt. Die Dichtfläche zwischen zwei derart voneinander getrennten Arbeitsräumen
ist daher minimal, so daß Leckagen zu befürchten sind, wodurch die mit Hilfe der
sinusförmigen Umfangsnockenkontur an sich mögliche Gleichförmigkeit der Betriebsweise
verloren geht. Außerdem wirken sich derartige Leckagen negativ auf den erzielbaren
Wirkungsgrad aus. Die Erfahrung hat gezeigt, daß hier'nur mit einer vergleichsweise
hohen Flächenpressung die erforderliche Dichtwirkung erreichbar ist, bzw. daß umgekehrt
hier bereits geringe Dichtkräfte zu einer hohen Flächenpressung führen. Sofern hierbei
nicht sehr enge Fertigungstoleranzen eingehalten werden und die Lagerung des Läufers
nicht sehr exakt ausgeführt ist, besteht daher die Gefahr eines laufenden Verschleißes
im Bereich der den Stator berührenden Kuppen der Läuferumfangskontur.
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Durch einen derartigen Verschleiß werden jedoch die Leckagen noch
verstärkt und damit der erzielbare Wirkungsgrad weiter verschlechtert. Ein weiterer
Nachteil ist darin zu sehen, daß bei einem derartigen
Verschleiß
die theoretisch vorhandene Selbstzentrierung des Läufers verlorengeht. Die Lagerung
des Läufers muß daher sehr massiv ausgeführt werden, was insgesamt zu einer schwerfälligen
Ausführung führt.
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Fertigungs- bzw. Lagerungsfehler oben umrissener Art führen jedoch
vielfach nicht nur zu Verschleiß, sondern zu einem sogenannten Fressen des Läufers,
d.h.
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zu einer vollständigen Läuferblockierung. Die Gewährleistung einer
ausreichenden Betriebssicherheit erfordert hier daher eine sehr aufwendige und teuere
Herstellung. Die bekannten Anordnungen erweisen sich daher als nicht wirtschaftlich
genug, Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, unter
Vermeidung der Nachteile der bekannten Anordnungen, eine Drehkolbenmaschine eingangs
erwähnter Art mit einfachen Mitteln so zu verbessern, daß nicht nur eine vergleichsweise
einfache und leichte Herstellbarkeit gewährleistet ist, sondern gleichzeitig auch
eine hohe Funktionssicherheit über einen vergleichsweise langen Betriebszeitraum
hinweg ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kurve,
welcher die Umfangsnockenkontur folgt, im Bereich ihrer Maxima und Minima jeweils
über einen gleichen Läuferumfangswinkel sich erstreckende Kreisbogenabschnitte mit
dem Kopf- bzw.
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Fußkreis der Umfangsnockenkontur entsprechendem Durchmesser aufweist,
die durch mit stetigem Ubergang sich anschließende Zwischenstücke miteinander verbunden
sind, deren Verlauf jeweils einer vollen halben Schwingung einer Sinusfunktion entspricht.
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Diese Maßnahmen ergeben in vorteilhafter Weise eine über die maximaseitigen
Kreisbögen sich erstreckende, flächenhafte gegenseitige Anlage von Stator und Läufer
und damit eine lange Abdichtstrecke, so daß Leckagen in vorteilhafter Weise nicht
zu befürchten sind. Anordnungen erfindungsgemäßer Art weisen daher nicht nur einen
hohen Wirkungsgrad auf, sondern auch eine äußerst gleichförmige Betriebsweise. Infolge
der mit Hilfe der erfindungsgemäßen Maßnahmen bewerkstelligten großflächigen gegenseitigen
Abstützung von Stator und Läufer bleibt die Flächenpressung im Bereich der Anlageflächen
in vorteilhafter Weise in vertretbaren Grenzen, was sich vorteilhaft auf die Vermeidung
von Verschleiß und das Unterbleiben von sogenanntem Fressen auswirkt und daher eine
lange Lebensdauer gewährleistet.
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Gleichzeitig stellen diese Vorteile sicher, daß auch der Herstellungsaufwand
in vertretbaren Grenzen bleibt. Trotz der flächenhaften gegenseitigen Abstützung
von Stator und Läufer ist jedoch in vorteilhafter Weise volle Gleichförmigkeit der
Betriebsweise gewährleistet, da die gleichzeitig vorgesehenen Kreisbogenabschnitte
im Bereich der Minima der Umfangsnockenkontur die durch die Kreisbögen im Bereich
der Maxima sich ergebende Abweichung der Umfangsnockenkontur von einer exakten Sinusfunktion
praktisch voll ausgleichen. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen ergeben somit ersichtlich
praktisch eine vollständige Vermeidung der Nachteile der bekannten Anordnungen unter
Beibehaltung ihrer Vorteile.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten
Maßnahmen ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
anhand
der Zeichnung in Verbindung mit den Unteransprüchen.
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In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 einen Radialschnitt durch eine erfindungsgemäße
Drehkolbenpumpe mit Innenläufer, Fig. 2 einen Ausschnitt der Läuferkontur in vergrößertem
Maßstab und Fig. 3 ein Schaubild der Schwingungen paarweise sich ausgleichender
Abstreifelemente.
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Die in Fig. 1 dargestellte Innenläuferpumpe besteht aus einem Stator
1, der mit einer zentralen Läuferbohrung 2 zur Aufnahme eines mit einer Antriebswelle
3 gekuppelten Läufers 4 versehen ist. Der Umfang des Läufers 4 ist mit einer einer
in sich geschlossenen Kurve 5 mit periodisch aufeinander folgenden Maxima und Minima
versehen. Hierdurch ergeben sich im Bereich der Maxima Umfangsnocken 6, die Berührungskontakt
mit der Wandung der Bohrung 2 haben.
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Zwischen zwei aufeinander folgenden Umfangsnocken 6 ergeben sich dabei
Arbeitsräume 7, die über am Umfang der Läuferbohrung 2 angeordnete Anschlußstellen
mit jeweils einem, im Falle einer Pumpe, an eine Saugleitung 8 angeschlossenen Druckmitteleinlaß
9 und einem an eine Druckleitung 10 angeschlossenen Druckmittelauslaß 11 mit Druckmittel
beaufschlagbar bzw entlastbar sind. Zwischen Druckmitteleinlaß 9 und Druckmittelauslaß
11 ist jeweils eine Abdichtung 12 vorgesehen, die einen Kurzschluß zwischen benachbarten
Druckmitteleingängen 9 und -ausgängen 11
vermeidet. Die Abdichtungen
12 enthalten jeweils ein zur der Umfangskontur 5 des Läufers 4 und am Stator 1 cchtend
anliegendes Abstreifelement 13, das so im stator gelagert ist, daß es bei einer
Läuferdrehung ctr Nockenkontur 5 folgen und dementsprechend radiae Pendelbewegungen
durchführen kann. Eine antriebsn~3ige Zwangskopplung zwischen Läufer 4 und den genannten
Abstreifelementen 13 kann dabei in vorteilhafter Weise entfallen.
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Die Eindringtiefe, d.h. die durch die Umfangsnocken kontur 5 vorgegebene,
momentane Radialstellung der die Umfangsnockenkontur 5-abfahrenden und dabei racale
Pendelbewegungen ausführenden Abstreifelemente 13 ergibt durch Multiplikation mit
der LäufercLcke den wirksamen Arbeitsquerschnitt, d.h. den Qnerschnitt, der momentan
an der Förderung beteiigt ist. Um einen völlig gleichförmigen Betriebszustand zu
erreichen, sind die Pendelbewegungen der Abstreiforgane 13 so aufeinander abgestimmt,
daß die Summe der Arbeitsquerschnitte aller Abstreifelemente 13Zin jedem Punkt der
Läuferdrehung konstant ist. Dies kann mit einer sinusförmig periodischen Eifangskontur
des Läufers 4 erreicht werden. Auf-C-rund der halbperiodischen Spiegelbildlichkeit
einer Sinuskurve läßt sich hierbei eine exakte Gegenläuf:gkeit und damit ein voller
Ausgleich der von zwei Abstreifelementen jeweils freigegebenen Arbeitsgaerschnitte
auf einfache Weise dadurch erreichen, - die betreffenden Abstreifelemente im Stator
um eine halbe Nockenperiode oder ein ungeradzahliges Vielfaches hiervon gegeneinander
versetzt sind.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt der Läufer
4 sechs Umfangsnocken 6, d.h. die
Umfangsnockenkontur 5 besitzt
sechs Maxima und sechs Minima. Diesen sechs Nocken 6 sindvier Abstreifelemente 13
zugeordnet, die gleichmäßig um 900, also bezogen auf die Umfangsnockenkontur 5 um
eineinhalb Perioden gegeneinander versetzt sind. Aufeinanderfolgenden Abstreifelementen
13 werden damit jeweils exakt gegenläufige Pendel schwingungen aufgeprägt.
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Gleichzeitig ist durch Einhaltung eines derartigen Abstands der Abstreifelemente
13 sichergestellt, daß zu keinem Zeitpunkt eine direkte Verbindung vom Druckmitteleinlaß
9 im Bereich einer ersten Abdichtung 12 zum Druckmittelauslaß 11 im Bereich einer
zweiten Abdichtung 12 entsteht. Die Abstreifelemente 13 jeweils einander diametral
gegenüberliegender Abdichtungen 12 sind hierbei bezogen auf die Umfangsnockenkontur
um zwei Pi gegeneinander versetzt, was eine exakte Gleichwirkung solcher Abstreifelemente
und damit in vorteilhafter Weise einen exakten Kraftausgleich bezüglich der Lagerkräfte
bewirkt.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Umfangskontur 5, wie
am besten aus Fig. 2 erkennbar ist, im Bereich der Kuppen der Nocken 6, d.h. im
Bereich der Maxima der Umfangskontur 5 kreisbogenförmig ausgebildet. Der Radius
dieser Kreisbogenabschnitte 14 entsprich2gem Läuferbohrungsradrus gleichen Radius
des Kopfkreises 15 des Läufers 4. Der Läufer 4 hat somit in vorteilhafter Weise
im Bereich jedes Nokkens 6 im Bereich des gesamten Kreisbogenabschnitts 14 Kontakt
mit der benachbarten Wandung der Läuferbohrung 2, was zu einer großflächigen Anlage
und damit zu einer ausgezeichneten Selbstzentrierung und Führung des Läufers führt
und die Einhaltung geringer Flächenpressungen ermöglicht, was sich po-
sitiv
auf die Vermeidung;von Verschleiß und Neigung zum Fressen auswirkt. Im Bereich der
Minima der Umfangskontur sind ebenfalls Kreisbogenabschnitte 16 vorgesehen. Der
Radius dieser auf dem Fußkreis 17 der Umfangsnockenkontur liegenden Kreisbogenabschnitte
16 ist gegenüber dem Radius der Läuferbohrung 2 und des Kopfkreises 15 um die Nockenhöhe
reduziert. Die Kreisbogenabschnitte 14 und 16 erstrecken sich jeweils über gleiche
Läuferumfangswinkel, wie in Fig. 2 bei 18 angedeutet ist. Diese auf dem Kopfkreis
15 liegenden Kreisabschnitte 14 und auf dem Fußkreis 17 liegenden Kreisabschnitte
16 der Umfangsnockenkontur des Läufers 4 sind durch ohne Knick, d.h. stetig sich
anschließende Zwischenstücke 19 miteinander verbunden, deren Verlauf einer vollen
halben Schwingung einer Sinusfunktion entspricht, so daß sich bei einer Abwicklung
der Umfangsnockenkontur auf eine Gerade eine halbperiodische Spiegelbildlichkeit
ergibt, was die erwünschte ausgeglichene Betriebsweise ermöglicht.-Die Kreisbogenabschnitte
14 und 16 erscheinen in der abgewickelten Darstellung der Umfangskontur des Läufers
und somit auch in der Bewegungskurve der Abstreifelemente 13 als Geraden, wie aus
Fig. 3 erkennbar ist.
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Wie anhand der in Fig. 3 dargestellten, um 1800 der periodischen Nockenumfangskontur,
also um eine halbe Nockenperiode, gegeneinander versetzten, hier die Schwingung
zweier aufeinander folgender Abstreifelemente 13 verdeutlichenden Kurven 20 und
21 weiter ersichtlich ist, ergibt sich bei einer Addition der beiden um die Mittellinie
22 schwingenden Kurven stets Null, d.h. der im Bereich dieser beiden Abstreifelemente
wirksame gemeinsame Arbeitsquerschnitt und da-
mit auch die Fördermenge
sind stets konstant. Die Höhe des gemeinsamen Arbeitsquerschnitts entspricht dabei,
wie Fig. 3 weiter erkennen läßt, stets der doppelten Amplitude der Umfangskontur
des Läufers 4. Trotz der zur Gewährleistung einer großen gegenseitigen Anlagefläche
vorgesehenen Kreisbogenabschnitte 14 im Bereich der Maxima der Läuferkontur ergibt
sich hierbei infolge der gleichzeitig vorgesehenen Kreisbogenab schnitte 16 im Bereich
der Minima die erwünschte, vollkommen ausgeglichene Betriebsweise über der gesamten
Läuferdrehung. Die einer Sinusfunktion folgenden Zwischenstücke 19 können vorteilhaft
so korrigiert sein, daß die Mittelpunkte der Abstreifelemente 13 oder vorzugsweise
ihre läuferseitigen Anlagelinien einer Sinuslinie folgen.
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Die Abstreifelemente 13 können als in einer radialen Gehäuseführung
angeordnete Gleitkolben mit abgerundeter oder schneidenförmiger Dichtkante ausgebildet
sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Abstreifelemente 13, wie Fig.
1 weiter erkennen läßt, als Rollen ausgebildet, die sich in vorteilhafter Weise
auf der Umfangskontur des Läufers 4 abwälzen können, was sich vorteilhaft auf die
Vermeidung von Verschleiß auswirkt. Die die Abstreifelemente 13 bildenden Rollen
sind jeweils in einer Gehäusekammer 23 angeordnet, die in radialer Richtung so dimensioniert
ist, daß die hierin untergebrachten Rollen beim Durchgang eines Nockens 6 diesem
in radialer Richtung ausweichen können. Der Halbmesser der Rollen ist seinerseits
größer als die Nockenerhebung, d. h. als der Abstand von Kopfkreis 15 und Fußkreis
17 des Läufers 4, so daß die Rollen auch beim Durchgang eines Minimums der Läuferumfangskontur
5 die zugeordnete Gehäusekammer
18 nicht verlassen können. Die
Nachführung der die Abstreifelemente 13 bildenden Rollen erfolgt im dargestellten
Ausführungsbeispiel bei laufender Maschine in vorteilhafter Weise durch den Arbeitsdruck.
Hierzu sind die Gehäusekammern 23 querschnittsmäßig gegenüber den zugeordneten Rollen
leicht erweitert, so daß der nicht von einer Rolle eingenommene Kammerraum von über
die läuferseitige Kammeröffnung eindringendem Druckmittel überflutet und damit unter
Arbeitsdruck gesetzt wird, was eine exakte Rollenanlage an der Kammerwandung und
am Läufer und eine saubere Rollennachführung im Bereich des Nockenabfalls sicherstellt.
Die schwimmend in der jeweils zugehörigen Gehäusekammer 23 angeordneten Rollen legen
sich in vorteilhafter Weise nach Art eines Rückschlagkörpers jeweils an die der
Niederdruckseite benachbarte Gehäusewand an, im dargestellten Ausführungsbeispiel
ist dies die dem Druckmitteleinlaß 9 jeweils benachbarte Gehäusewand.
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Die Länge der Kreisbogenabschnitte 14 wird zweckmäßig möglichst groß
gewählt. Andererseits ist jedoch dafür zu sorgen, daß die die Abstreifelemente 13
bildenden Rollen im Bereich der einer Sinusfunktion folgenden Zwischenstücke 19
der Umfangskontur 5 beim Abfahren des Anstiegs eines Nockens nicht aufgrund der
Radialbeschleunigung von der Nockenumfangskontur abheben, d. h. daß die sinusförmigen
Zwischenstücke 19 nicht zu steil werden. Die Länge der Kreisbogenabschnitte 14 ist
daher vorteilhaft so zu bemessen, daß die aus der Masse der die Umfangskontur abfahrenden
Rollen und aus der auf-
grund der Steilheit der Zwischenstücke
19 sich ergebenden Radialbeschleunigung resultierende Kraft ggf. zusammen mit der
Zentrifugalkraft kleiner als die aus dem Druck im druckseitigen Arbeitsraum und
damit auch aus dem Druck in der der betreffenden Rolle zugeordneten Gehäusekammer
23 sich ergebende Kraft ist.
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L e e r s e i t e