DE3229916C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Rotationskolbenmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Rotationskolbenmaschinen dieser Bauart werden normalerweise als Verdichter oder Pumpen eingesetzt. Eine solche Maschine umfaßt einen Hubring mit einem Innenumfangsprofil, das durch eine Epitrochoide mit n Bogen (n = natürliche ganze Zahl) repräsentiert ist, sowie einen im Hubring aufgenommenen umlaufenden zylindrischen Rotor, der an n Stellen den Hubring berührt. Der Rotor ist mit einer Mehrzahl von radialen Schiebernuten ausgebildet, die an ihrem Nutgrund miteinander kommunizieren, und weist ferner Schieber auf, die in entsprechenden Schiebernuten hin- und hergleiten und mit ihren Außenenden an der Innenumfangsfläche des Hubrings anliegen.

Fig. 1 zeigt den beispielsweisen Aufbau einer Rotationskolbenmaschine mit drei Bogen. Dabei hat der Hubring 1 eine Innenumfangsfläche, deren Profil eine Epitrochoide mit mehreren Bogen, in diesem Fall drei, ist. Ein zylindrischer Rotor 3 mit einer Mehrzahl Schiebernuten 2 ist in dem Hubring 1 in Kontakt mit diesem angeordnet. Schiebernuten 2 nehmen Schieber 4 auf, die in federndem Kontakt mit der Innenumfangsfläche des Hubrings 1 gehalten sind. Wenn diese Rotationskolbenmaschine als Verdichter arbeitet, gehen die Schieber 4 in ihren Schiebernuten 2 hin und her unter Gleitkontakt mit der Innenumfangsfläche des Hubrings 1 während der Rotation des Rotors 1. Infolgedessen werden die Volumina der von den Schiebern 4, dem Rotor 3 und dem Hubring 1 gebildeten Zellen 5 zyklisch verändert, so daß eine Verdichtung stattfindet.

Bei diesem normalen Verdichter ist der zwischen der Hin- und Herbewegungsrichtung des Schiebers 4 und der zum Hubring 1 am Kontaktpunkt mit dem Ende des Schiebers 4 senkrechten Linie gebildete Winkel α bevorzugt klein, um dadurch den reibungsbedingten Energieverlust während der Hin- und Herbewegung des Schiebers zu verringern. Wenn dieser Winkel α zu groß ist, tritt eine hohe Reibung zwischen dem Schieber 4 und den Wandungen der Schiebernut 2 auf infolge eines den Schieber 4 beaufschlagenden Moments, da die Richtung der von dem Hubring 1 auf den Schieber 4 ausgeübten Gegenkraft nicht mit der Richtung der Schiebernut übereinstimmt.

Zur Vermeidung dieses Problems wurde bereits vorgeschlagen (US-PS 32 86 913), die Schiebernuten 2 unter einer gewissen Versetzung D₁ relativ zum Zentrum des Rotors 3 anzuordnen, um dadurch den Winkel α zu verkleinern. Fig. 2 zeigt eine solche Rotationskolbenmaschine mit der genannten Versetzung D₁. Dabei verlaufen die Schiebernuten 2 tangential zu einem gedachten Kreis, der einen Durchmesser 2 D₁ hat und konzentrisch mit dem Rotor 3 ist, wodurch der genannte Winkel α während der Rückkehr des Schiebers verringert wird, was zu einer Verminderung der Reibung zwischen den Schiebern 4 und den Schiebernuten 2 führt.

Die versetzte Anordnung der Schieber 4 vermindert zwar den reibungsbedingten Energieverlust, schafft jedoch ein anderes Problem: Wie aus den Fig. 3a, 3b und 3c ersichtlich ist, ist das Innenumfangsprofil des Hubrings 1 der bekannten Rotationskolbenmaschine symmetrisch in bezug auf die senkrechte Halbierende der Linie, die zwei benachbarte Kontaktpunkte zwischen dem Hubring 1 und dem Rotor 3 in aneinandergrenzenden Bogen (n = 1, 2, 3) verbindet. Wenn somit die Schieberversetzung D₁ Null ist, sind die Schieberbewegung während des Vorwärtshubs und die Schieberbewegung während des Rückhubs, die längs der Schiebernut 2 bei umlaufendem Rotor stattfinden, vollständig symmetrisch zueinander in bezug auf die genannte senkrechte Halbierende. Wenn jedoch die Schieberversetzung D₁ nicht Null ist, sind die Schieberbewegung beim Vorwärtshub und diejenige beim Rückwärtshub nicht symmetrisch zueinander.

Die Bewegung des Schiebers 4 in bezug auf den Drehwinkel des Rotors wird unter Bezugnahme auf die Fig. 4a-d näher erläutert. Wenn man von einer Rotationskolbenmaschine mit einem dreibogigen Hubring 1 ausgeht, dessen Innenumfangsprofil ausgedrückt wird durch r = 40 - 5 cos 3R (mm), so zeigt Fig. 4a den Betrag r _v ( R ) des Schieberhubes in bezug auf den Rotationswinkel R des Rotors. Die Fig. 4b bis 4d zeigen jeweils die differenzierten Werte ersten, zweiten und dritten Grads des Schieberhubes r _v ( R ). In diesen Figuren zeigen die Vollinienkurven die resultierenden Werte, wenn die Versetzung D₁ Null ist, während die Strichlinienkurven die resultierenden Werte bei einer Versetzung D₁ von 15 mm zeigen. So zeigt r _v in Fig. 4a die Lage des Schiebers 4, dr _v /d R in Fig. 4b bezeichnet die Bewegungsgeschwindigkeit des Schiebers 4, d ²r _v /d R² in Fig. 4c bezeichnet die Beschleunigung des Schiebers 4, und d ³r _v /d R³ in Fig. 4d bezeichnet die Beschleunigungsänderung, die üblicherweise als Stoßen bezeichnet wird. Wie aus diesen Figuren ersichtlich ist, sind bei einer Versetzung D₁ = Null sämtliche Kurven normale Sinuskurven aufgrund des symmetrischen Innenumfangsprofils des Hubrings 1 entsprechend r = 40 - 5 cos R. Das bedeutet, daß sich der Schieber 4 gleichmäßig und zyklisch bewegen kann. Wenn dagegen eine merkliche Versetzung D₁ vorhanden ist, weichen die Kurven stark von Sinuskurven ab. Das bedeutet, daß sich der Schieber 4 in unregelmäßiger Weise bewegt. Die Beschleunigungsänderung ist dann sehr groß. Diese unregelmäßige Beschleunigungsänderung bewirkt nicht nur eine normalerweise als Rattern bekannte Erscheinung, bei der der Schieber 4 schwingend in und außer Kontakt mit dem Hubring gelangt, sondern sie bringt auch verschiedene weitere Probleme mit sich, z. B. eine Unterbrechung des Ölfilms an der Innenumfangsfläche des Hubrings. Ferner ändert sich das Volumen der Zellen hinter den jeweiligen Schiebern, die sämtlich miteinander kommunizieren, unregelmäßig, wodurch die Tendenz zum Rattern und der damit einhergehende Wärmeverlust verstärkt werden.

Wenn die Versetzung der Schiebernuten 2 nicht mit einer geeigneten Änderung des Innenumfangsprofils des Hubrings 1 einhergeht, wird die Bewegung der Schieber 4 sehr unregelmäßig, wodurch sich verschiedene Probleme wie ein erhöhter Reibungsverlust und ein höherer Störgeräuschpegel durch die Schieber ergeben. Infolgedessen wird der vorgenannte Vorteil der versetzten Anordnung, d. h. die Verminderung der Reibungsverluste durch Verringerung der am Kontaktpunkt zwischen dem Schieberende und der Innenumfangsfläche des Hubrings erzeugten Gegenkraft, vollständig aufgehoben, so daß die versetzte Schieberanordnung bedeutungslos wird. Eine starke Versetzung der Schiebernuten bringt also keine wesentlichen Vorteile mit sich. Dieses Problem ist insbesondere dann schwerwiegend, wenn die Anzahl Bogen des Hubrings gesteigert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotationskolbenmaschine der eingangs geschilderten Art dahingehend zu verbessern, daß das Schieberrattern bzw. die Beschleunigungsänderung beim Bewegen der Schieber minimiert wird, wodurch der damit einhergehende Reibungsverlust und der Störgeräuschpegel auf ein Minimum reduziert werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird eine unregelmäßige Schieberbewegung ausgeschlossen. Dadurch ist es möglich, den Vorteil der versetzten Schieberanordnung voll zu nutzen, ohne daß dabei irgendwelche nachteiligen Auswirkungen infolge dieser Versetzung auftreten.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele von Rotationskolbenmaschinen dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bekannten Rotationskolbenmaschine ohne Schieberversetzung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren bekannten Rotationskolbenmaschine, deren Schieber in bezug auf das Zentrum des Rotors versetzt angeordnet sind;

Fig. 3a bis 3c Profile bekannter Hubringe mit einem, zwei bzw. drei Bogen;

Fig. 4 eine Grafik, die die Beziehung zwischen der Versetzung eines Schiebers und dem Rotationswinkel des Rotors der Maschine nach Fig. 2 zeigt;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Hubrings, wobei der Punkt des größten Schieberhubes gezeigt ist;

Fig. 6 das Prinzip der Bestimmung des Hubringprofils für ein Ausführungsbeispiel der Rotationskolbenmaschine nach der Erfindung;

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines praktischen Ausführungsbeispiels der Rotationskolbenmaschine nach Fig. 6;

Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel;

Fig. 9 ein anderes Ausführungsbeispiel und

Fig. 10 eine Grafik, die die Beziehung zwischen dem Rotationswinkel des Rotors und dem Winkel zeigt, der zwischen dem Schieber und der Innenumfangsfläche des Hubrings gebildet ist.

Gemäß Fig. 4 ergibt sich der größte Schieberhub nicht in der Mitte des Rotationswinkels des Rotors, sondern an einem Punkt, der - in Drehrichtung des Rotors gesehen - an der Hinterseite des Mittelpunkts liegt, wenn die Schiebernuten versetzt sind, wie aus der Strichlinienkurve von Fig. 4a hervorgeht. Dies scheint der Grund dafür zu sein, daß die Strichlinienkurven in den Fig. 4b-d von Sinuskurven abweichen.

Es ist möglich, den Punkt des größten Schieberhubes in Drehrichtung des Rotors dadurch zu verschieben, daß der Punkt, an dem die Entfernung zwischen dem Hubring und dem Rotationsmittelpunkt des Rotors den Höchstwert r _max annimmt, in dieselbe Richtung verschoben wird. Dadurch wird der Scheitel der Strichlinienkurve von Fig. 4a ebenfalls in Drehrichtung des Rotors, d. h. nach rechts in Fig. 4a, verschoben und der Vollinien-Sinuskurve angenähert. Das gleiche gilt für die Strichlinienkurven der Fig. 4b, 4c und 4d. In diesen Figuren werden die Strichlinienkurven verformt, so daß sie den Vollinien- Sinuskurven angenähert werden. Das bedeutet, daß eine Bewegungsunregelmäßigkeit der Schieber vermieden wird und damit die auf die Versetzung der Schieber zurückgehenden Probleme beseitigt werden.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine mit verbessertem Hubring. Der Hubring 10 dieser Rotationskolbenmaschine wird gemäß dem folgenden Verfahren konstruiert.

Ein gedachter Kreis hat einen Radius C und einen Mittelpunkt P₀ (x₀, y₀), der auf einer Linie L liegt, die vom Mittelpunkt 0 des Rotors 3 einen Abstand D aufweist. Eine zu der Linie L senkrechte Linie, die den Mittelpunkt 0 des Rotors 3 durchsetzt, schneidet die Linie L an einem Punkt H. Der Abstand zwischen dem Punkt H und dem Mittelpunkt P₀ des Kreises mit dem Radius C macht eine einzelne Schwingung als Funktion des Rotationswinkels R des Rotors 3 gemäß der folgenden Gleichung:

= A - B cos (n R ) (1)

mit A und B = Konstanten und
n = eine natürliche ganze Zahl, die die Anzahl der Bogen angibt.

In einem solchen Fall wird der Kontaktpunkt P (x, y) zwischen dem Kreis mit dem Radius C und der äußeren Hüllkurve der Kreise mit einem Radius C mit den Mittelpunkten P₀ entsprechend den jeweiligen Winkeln R als eine Funktion des Rotationswinkels R des Rotors gemäß der folgenden Gleichung bestimmt:

Andererseits drückt die Gleichung (2) die Form der Kurve aus, die die Hüllkurve der vorgenannten Kreise ist, die durch Verwendung des Winkels R als Parameter gezeichnet werden. Der Schieber 4 kann sich auf einer Sinuskurve korrekt bewegen, wenn das Innenumfangsprofil des Hubrings nach Maßgabe der wie vorstehend definierten Koordinatenwerte x und y ausgebildet ist.

Der Punkt, an dem die Stelle des größten Schieberhubes gebildet wird, kann wie folgt als Rotationswinkel des Rotors 3 und Anzahl Bogen ausgedrückt werden:

Der Punkt, an dem der Rotor 3 und der Hubring 10 einander berühren, ist mit P _c (x _c , y _c ) bezeichnet, und der Punkt, an dem die Stelle des größten Schieberhubes gebildet wird, d. h., der Punkt auf dem Hubring, der vom Rotormittelpunkt 0 am weitesten entfernt ist, ist mit P _m (x _m , y _m ) bezeichnet. In Fig. 6 liegt der Punkt P an der Stelle des Punkts P _m . Unter Substitution von 0 (Null) für R in Gleichung (2) ergeben sich die Koordinatenpositionen x _c und y _c des Punkts P _c wie folgt:

Daher wird der Einheitsvektor P _c in der Richtung von P _c durch die folgende Gleichung (4) ausgedrückt:

Wenn man in der Gleichung (2) π /n für R substituiert, werden die Koordinatenwerte x _m , y _m des Punkts zur Bildung der Position des maximalen Schieberhubes wie folgt bestimmt:

Der Einheitsvektor P _m in der Richtung von P _m ergibt sich wie folgt:

Wenn der Zentrierwinkel mit ϕ bezeichnet wird, wird die folgende Gleichung (7) abgeleitet:

Der Zentriwinkel ϕ wird durch die folgende Gleichung (8) bestimmt, die durch Transformation der Gleichung (7) erhalten wird:

Gemäß der Erfindung wird das Innenumfangsprofil des Hubrings 10, das durch eine Epitrochoide mit n Bogen gegeben ist, nach der vorstehenden Gleichung (2) bestimmt, d. h. derart, daß der zwischen dem Punkt, an dem der Schieberhub Null ist, und dem Punkt P _m an der Stelle des maximalen Schieberhubes gebildete Zentriwinkel ϕ nach Maßgabe der Gleichung (8) bestimmt wird.

Wenn dieser Hubring 10 verwendet wird, wird die Versetzung D durch die folgende Gleichung (9) gegeben unter der Annahme, daß das Ende des Schiebers die Form eines Bogens mit einem Radius C hat, wobei die Versetzung des Mittelpunkts des vorgenannten Bogens zur Halbierenden des Schiebers 4 in Dickenrichtung mit Δ D und der Abstand der Nullachse der Schiebernut 2 vom Mittelpunkt des Rotors 3 mit D₁ bezeichnet sind.

D = D₁ - Δ D (9)

Aus der Gleichung (1) ist ersichtlich, daß unter der Voraussetzung, daß die Versetzung in der vorstehend erläuterten Weise bestimmt wird, der mit seinen Enden längs der Innenumfangsfläche des Hubrings 10 gleitende Schieber 4 eine einzelne Schwingung korrekt entsprechend einer Sinuskurve in der Schiebernut 2 ausführt.

Fig. 7 zeigt praktische Beispiele für die Konfiguration des Innenumfangsprofils des Hubrings 10 für verschiedene Werte der Versetzung D. Dabei ist das Innenumfangsprofil des Hubrings 10 bei einer Versetzung D = 0 mm, 10 mm bzw. 20 mm unter der Bedingung gezeigt, daß für n = 3, B = 5 mm, d (Rotordurchmesser) = 70 mm und C = 5,5 mm gewählt werden.

Die in den obigen Gleichungen auftretende Konstante A wird wie folgt ausgedrückt:

Aus Fig. 7 geht hervor, daß die Position des maximalen Schieberhubes r _max in Umlaufrichtung des Rotors 3 verschoben wird, wenn der Betrag D der Versetzung des Schiebers 4 vergrößert wird. Der Zentriwinkel, der entsprechend der Vergrößerung des Versetzungsbetrags D einen steigenden Wert ϕ₀, ϕ₁₀ und ϕ₂₀ annimmt, ist leicht mittels der Gleichung (8) zu bestimmen.

Bei der Rotationskolbenmaschine mit dem wie vorstehend angegeben aufgebauten Hubring 10 beendet der Schieber 4 einen Hin- und Herbewegungszyklus, während der Rotor 3 zwischen zwei benachbarten Kontaktpunkten mit dem Hubring 10 umläuft. Der Schieberhub ist am größten, wenn der Rotor 3 um einen Winkel π /n aus der Position, in der er die Innenumfangsfläche des Hubrings 10 berührt, gedreht ist. Der Punkt zur Bildung der Stelle des maximalen Schieberhubs ist so bestimmt, daß der Zentriwinkel ϕ dieses Punkts π /n übersteigt. Infolgedessen wird der Betrag des Schieberhubes r _v entsprechend der Strichlinienkurve von Fig. 4a der Sinuskurve angenähert, und dementsprechend werden die übrigen Strichlinienkurven der Fig. 4b, 4c und 4d den Sinuskurven angenähert. Das bedeutet, daß der Schieber sich korrekt auf einer Sinuskurve bewegt, und somit wird jede Unregelmäßigkeit der Schieberbewegung beseitigt.

Die Fig. 8 und 9 zeigen weitere Ausführungsbeispiele, und zwar zeigen sie die Innenumfangsprofile eines Hubrings 10 A mit einem einzigen Bogen (n = 1) bzw. eines Hubrings mit zwei Bogen (n = 2), wobei diese Profile unter den gleichen Bedingungen wie das erste Ausführungsbeispiel erhalten wurden, nämlich mit B = 5 mm, d (Rotoraußendurchmesser) = 70 mm und C = 5,5 mm, und zwar jeweils für den Fall von D = 0 mm und D = 20 mm. Aus diesen Ausführungsbeispielen ist ersichtlich, daß die Stelle des maximalen Schieberhubes r _max von der Position π /n in Umlaufrichtung des Rotors verschoben ist, und zwar unabhängig von der Anzahl n der Bogen, unter der Bedingung D < 0.

Wenn sämtliche Schieber 4 entsprechend Sinuskurven schwingen, kann jegliche Schwankung des Gesamtvolumens der Zellen hinter den Schiebern 4 vollständig ausgeschlossen werden, so daß jeglicher Energieverlust infolge der Verdichtung oder Expansion des Gases in diesen Zellen vollständig dadurch vermieden werden kann, daß die Kombination der Anzahl Schieber 4 und der Bogenzahl n in geeigneter Weise gewählt wird.

Wie vorstehend angegeben, wird die Lage des Punktes auf dem Hubring, der vom Rotormittelpunkt am weitesten entfernt ist, in Umlaufrichtung des Rotors um einen Betrag entsprechend dem Versetzungsbetrag der Schieber verschoben. Dadurch wird jegliche Unregelmäßigkeit in der Schieberbewegung infolge der versetzten Anordnung vollständig ausgeschlossen, und die Schieber können eine sinusförmige Schwingung oder eine ähnliche gleichmäßige Bewegung ausführen. Infolgedessen kann eine Rotationskolbenmaschine erhalten werden, die mit verringerten Reibungsverlusten und vermindertem Störgeräuschpegel arbeitet und eine längere Standzeit hat.

Fig. 10 zeigt die Kennlinien der Drehschieber-Rotationsmaschine in bezug auf den vorgenannten Winkel α (vgl. Fig. 1 und 2), der einer der Faktoren für die Erhöhung der Reibungsverluste während der Gleitbewegung der Schieber ist. Die Kennlinien sind in Verbindung mit einem Hubring mit zwei Bogen aufgetragen. Die Abszisse bezeichnet den Rotationswinkel des Rotors, und die Ordinate bezeichnet den Winkel α, der zwischen dem Schieber und der zum Hubring am Kontaktpunkt zwischen dem Schieberende und dem Hubring senkrechten Ebene gebildet wird. Die Vollinienkurve zeigt, wie sich der Winkel α in bezug auf den Rotationswinkel R des Rotors bei einer Rotationsmaschine ändert, die keine Versetzung der Schieber und keine Verschiebung des Hubrings aufweist. Dagegen zeigt die gestrichelte Kurve den Winkel α bei einer Rotationskolbenmaschine, deren Schieber versetzt angeordnet sind, bei der jedoch keine Verschiebung des Innenumfangsprofils des Hubrings vorgesehen ist. Die strichpunktierte Kurve zeigt den Winkel a bei der Rotationskolbenmaschine nach der Erfindung, wobei die Schieber versetzt angeordnet sind und das Innenumfangsprofil des Hubrings in Umlaufrichtung des Rotors verschoben ist. Es ist ersichtlich, daß diese Kurve der gestrichelten Kurve gut angenähert ist. Somit nimmt der Winkel α bei der Rotationskolbenmaschine nach der Erfindung keine so großen Werte an wie bei der konventionellen Rotationskolbenmaschine, deren Schieber nicht versetzt sind. Das bedeutet, daß die Reibungsverluste während des Gleitens der Schieber bei der angegebenen Rotationskolbenmaschine ausreichend verringert werden.

Claims (1)

1. Rotationskolbenmaschine
   mit einem Hubring, dessen Innenumfangsfläche ähnlich einer Epitrochoide mit n Bogen (n = natürliche Zahl) ist,
   mit einem zylindrischen Rotor mit dem Durchmesser d, der mehrere gegenüber dessen Mittelpunkt um einen senkrechten Abstand D₁ bezüglich des Drehsinns des Rotors rückversetzt angeordnete Schiebernuten aufweist,
   mit in den Schiebernuten gleitbar gelagerten Schiebern, die bei umlaufendem Rotor entlang der Innenumfangsfläche des Hubrings gleiten, wobei der Rotor die Innenumfangsfläche des Hubrings an n Stellen berührt und die Schieber mit Abrundungen an den an der Innenumfangsfläche gleitenden Enden versehen sind, die die Form eines Kreisbogens mit einem Radius C haben, wobei der Kreismittelpunkt (P₀) auf einer zur Längsmittelachse des Schiebers parallelen Geraden liegt, die zum Rotormittelpunkt einen Abstand D hat, der kleiner als D₁ ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenumfangsfläche des Hubrings (10) eine Form hat, die zu einer sinusförmigen Bewegung der Schieber (4) beim Entlanggleiten führt und durch folgende Koordinatenwerte X( R ), Y( R ) gegeben ist: wobei R den Drehwinkel um den Rotormittelpunkt und B etwa den halben Schieberhub bezeichnen, während sich A nach folgender Beziehung ergibt: