DE3740419A1 - Fluegelzellenpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Flügelzellenpumpe mit einem exzen­ trisch innerhalb einer Ringkammer eines Gehäuses angeordneten Rotor und plattenförmigen Flügeln, die innerhalb von Flügelnuten aus dem Rotor heraustreten und in denselben zurücktreten können, wodurch wie­ derholte Volumenänderungen des Arbeitsraumes zwischen den Flügeln entsprechend der Drehung des Rotors und der Flügel ausgenutzt werden, um ein Strömungsmittel an einer Seite anzusaugen und auf der anderen Seite abzugeben.

Anwendungsgebiet der Erfindung sind Flügelzellenpumpen für Aufla­ der, Kompressoren und dergleichen.

Eine Flügelzellenpumpe nach Fig. 6 ist in weitem Umfang bekannt. Innerhalb eines Gehäuses 31 ist in einer Ringkammer ein Rotor 32 ex­ zentrisch angeordnet und sitzt drehbar auf einer Welle 33. Plattenför­ mige Flügel 35 a, 35 b, 35 c sitzen in radialer Richtung einziehbar in Flügelnuten 34 a, 34 b, 34 c. Die Flügel 35 a, 35 b und 35 c haben gleichen Winkelabstand voneinander, so daß sie den Außenraum des Rotors 32 in drei Abschnitte teilen. Wenn sich die Welle 33 mit dem Rotor 32 in Pfeilrichtung X dreht, werden die Flügel 35 a, 35 b, 35 c durch die Zen­ trifugalkraft gegen den Außendurchmesser hin bewegt. Die Endkanten gleiten bei der Drehung auf der inneren Umfangsfläche des Gehäuses 31. Da der Rotor 32 exzentrisch gegenüber dem Gehäuse 31 ausgerichtet ist, ändert sich bei dieser Drehung das Volumen der Arbeitskammern 36 a, 36 b, 36 c, die durch das Gehäuse 31, den Rotor 32 und die Flügel 35 a, 35 b, 35 c gegeben sind. Dieses Volumen vergrößert sich und ver­ kleinert sich wiederholt, so daß Strömungsmittel an der Eintrittsöff­ nung 37 angesaugt und an der Austrittsöffnung 38 abgegeben wird.

Diese herkömmliche Flügelzellenpumpe ist insofern nachteilig, als sich die Flügel mit hoher Geschwindigkeit gleitend über die inne­ re Umfangsfläche des Gehäuses bewegen. Hierdurch wird eine große Rei­ bungswärme erzeugt. Eine beträchtliche Verringerung des Volumenwir­ kungsgrades läßt sich nicht vermeiden. Der Verschleiß steigt steil an. Die Flügel dehnen sich infolge der Reibungswärme aus und führen zu einem Fressen an den inneren Seitenflächen beider Stirnwände des Gehäuses.

Aufgabe der Erfindung ist die Ausschaltung der Reibung und der Reibungswärme, der Abnutzung und die Erhöhung des Volumenwirkungsgra­ des und der Lebensdauer.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß ko­ axial zu der inneren Umfangsfläche Begrenzer oder Anschläge drehbar innerhalb der Stirnwände des Gehäuses angeordnet sind, daß die Begren­ zer oder Anschläge mit den Flügeln in Eingriff sind, um das Heraustre­ ten der Flügel aus den Flügelnuten festzulegen, und daß die innere Umfangsfläche des Gehäuses entsprechend der Ortslinie der Bewegung der Endkanten der Flügel geformt ist, damit die Flügel immer berüh­ rungsfrei zu der inneren Umfangsfläche des Gehäuses umlaufen.

Die Erfindung unterscheidet sich insofern vom Stand der Technik, als das Heraustreten der Flügel aus den Flügelnuten nicht durch die Berührung mit der inneren Umfangsfläche des Gehäuses, sondern dadurch festgelegt ist, daß die Endkante jedes Flügels eine durch den Ein­ griff mit dem in das Gehäuse und in jeden Flügel eingepaßten Begren­ zer gegebene Ortskurve beschreibt. Außerdem bleibt ein gleichförmiger Spalt zwischen den Endkanten der Flügel, die immer berührungsfrei zu der inneren Umfangsfläche des Gehäuses gehalten werden, und der inne­ ren Umfangsfläche des Gehäuses. Dieser Spalt wird so schmal wie mög­ lich gehalten, um Leckverluste des Strömungsmittels zu begrenzen.

Somit drehen sich der Flügel in einem Zustand ohne Berührung mit der inneren Umfangsfläche des Gehäuses. Die Herabsetzung des Volumen­ wirkungsgrades infolge einer ansteigenden Erwärmung durch die Reibung läßt sich ausschalten. Die Gestaltung der inneren Umfangsfläche ent­ sprechend der Ortskurve der Bewegung der Endkanten der Flügel gewähr­ leistet einen gleichförmigen schmalen Spalt über die gesamte Umfangs­ fläche. Man stellt so eine Flügelzellenpumpe mit hohem Wirkungsgrad und geringer Leckage auch bei niedriger Drehzahl und hohem Druck bereit.

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden unter Bezug­ nahme auf die Zeichnungen erläutert, in denen darstellt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Flügelzellenpumpe einer er­ sten Ausführungsform,

Fig. 2 einen Radialschnitt zur Erläuterung der Arbeitsweise,

Fig. 3 einen Axialschnitt einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 4 einen Axialschnitt einer dritten Ausführungsform,

Fig. 5 einen Axialschnitt einer vierten Ausführungsform und

Fig. 6 einen Radialschnitt zur Erläuterung einer herkömmlichen Flügelzellenpumpe.

Eine erste Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 umfaßt ein Ge­ häuse 1 und einen Gehäusedeckel 2, jeweils aus einem Nichteisenmetall wie Aluminium, das ein geringes spezifisches Gewicht und einen klei­ nen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat. Der Gehäusedeckel 2 ist auf dem Gehäuse 1 mit Hilfe von Schrauben 3 befestigt. Ein Rotor 4 aus Stahl ist exzentrisch in einer Ringkammer 5 des Gehäuses angeordnet und in den Stirnwänden des Gehäuses 1 und des Gehäusedeckels 2 mit­ tels eines Kugellagers 7 a bzw. 7 b gelagert. Das Kugellager 7 a ist durch einen Sprengring 6 verschiebungssicher an einer axialen Schul­ ter des Gehäuses 1 festgelegt. Das Kugellager 7 b ist durch einen La­ gerdeckel 8 verschiebungssicher an einer axialen Schulter des Gehäuse­ deckels 2 festgelegt. Außerdem sitzen die Kugellager auf einer Welle 10, die über eine Riemenscheibe 9 angetrieben wird. Plattenförmige Flügel 11 a, 11 b, 11 c, im wesentlichen aus einem Kohlenstoffwerkstoff mit einer sehr guten Gleitfähigkeit, sind in radialer Richtung ver­ schiebbar und zurückziehbar in Flügelnuten 12 a, 12 b, 12 c angeordnet, die als Ausnehmungen in gleichen Umfangsabständen in dem Rotor 4 ange­ orndet sind, so daß sie den Außenraum des Rotors 4 in drei Abschnitte teilen. An gegenüberliegenden Endflächen jedes Flügels 11 a, 11 b, 11 c, die den axialen Stirnflächen des Rotors 4 zugeordnet sind, stehen Stahlzapfen 13 heraus, auf die jeweils eine Lagerbuchse aus Kunstharz mit guten Gleiteigenschaften und einem hohen Abriebwiderstand aufge­ schoben ist. In Ringausnehmungen 14 a, 14 b der inneren Stirnflächen des Gehäuses 1 und des Gehäusedeckels 2 sind koaxial zu der inneren Umfangsfläche des Gehäuses auf Kugellagern 17 a, 17 b Begrenzerplatten 15 a, 15 b aus Nichteisenmetall wie Aluminium und mit jeweils einer Ringbahn 16 angeordnet. Die Stahlzapfen 13 der jeweiligen Flügel 11 a, 11 b, 11 c sind jeweils in Umfangsrichtung gleitend mit den Ringbahnen 16 der Begrenzerplatten 15 a, 15 b in Eingriff. Dieser Eingriff legt die radiale Verschiebung der Flügel 11 a, 11 b, 11 c bei der Drehung fest, so daß dieselben einen Zustand einhalten, bei dem ein schmaler Spalt zwischen den Endkanten der Flügel und der inneren Umfangsfläche 1′ des Gehäuses 1 freibleibt.

Wenn die Welle 10 und der Rotor 4 über die Riemenscheibe 9 ange­ trieben werden, laufen die Flügel 11 a, 11 b, 11 c entsprechend um, und die Stahlbolzen 13 a an beiden Stirnseiten der Flügel bewegen sich in­ nerhalb der Ringbahnen 16. Nach Fig. 2 liegen die innere Umfangsflä­ che 1′ des Gehäuses und die Ringbahn 16 koaxial zueinander, dagegen die Ringbahn 16 und der Rotor 4 exzentrisch zueinander. Wenn also eine Drehung auftritt, werden die Flügel 11 a, 11 b, 11 c innerhalb der Flügelnuten 12 a, 12 b, 12 c des Rotors in radialer Richtung verschoben und wiederholt vorgeschoben bzw. zurückgezogen, so daß entsprechend wiederholt das Volumen der Arbeitskammern 5 a, 5 b, 5 c zwischen dem Ge­ häuse 1, dem Gehäusedeckel 2, dem Rotor 4 und den Flügeln 11 a, 11 b, 11 c vergrößert und verkleinert wird. Fig. 2 zeigt den Arbeitsab­ schnitt, in dem das Volumen der Arbeitskammer 5 a bei der Drehung zu­ nimmt, so daß ein Strömungsmittel durch die nicht dargestellte Ein­ trittsöffnung angesaugt wird. Die Arbeitskammer 5 c verringert ihr Volumen bei der Drehung, so daß ein Strömungsmittel durch die nicht dargestellte Austrittsöffnung ausgegeben wird. Die Arbeitskammer 5 b überträgt das angesaugte Strömungsmittel zur Austrittsöffnung. Da die Endkanten der Flügel 11 a, 11 b, 11 c keinen Gleitkontakt mit der inne­ ren Umfangsfläche 1′ des Gehäuses haben, tritt kein Abrieb und keine Wärmeentwicklung auf. Die Stahlbolzen 13 gleiten innerhalb der Ring­ bahnen 16 der Begrenzerplatten 15 a, 15 b und werden durch die Zentrifu­ galkraft gegen die äußere Umfangsseite gedrückt. Die Begrenzerplatten 15 a, 15 b drehen sich infolge einer dynamischen Drucklagerung gleichmä­ ßig mit den Stahlbolzen 13. Die Gleitgeschwindigkeit zwischen den Stahlbolzen 13 und der Ringnut 16 ist sehr klein, so daß die Abnut­ zung der Ringbahn 16 und der Stahlbolzen 13 sowie der übrigen zusam­ menwirkenden Teile klein gehalten werden kann.

Für den Betrieb der Flügelzellenpumpe wird jetzt die Ortslinie der Endkanten der Flügel 11 a, 11 b, 11 c in Einzelheiten beschrieben. Die Ortslinie ist offensichtlich in der Schnittebene der Fig. 2 nicht exakt kreisförmig. Denn die Flügel 11 a, 11 b, 11 c werden in radialer Richtung aus dem Rotor 4 vorgeschoben und in denselben zurückgezogen, doch das Vorstehen der Flügel 11 a, 11 b, 11 c wird durch die Ringbahn 16 festgelegt, die exzentrisch zum Rotor 4 ausgerichtet ist und ver­ schränkt zu demselben verläuft, mit Ausnahme der oberen und der unte­ ren Stellung in Fig. 2, in de ein Meridian des Rotors 4 und ein Meri­ dian der Ringnut 16 aufeinanderfallen. Es wird jetzt eine nicht einge­ zeichnete Kreislinie koaxial zu der Ringbahn 16 angenommen, deren Durchmesser eine Linie ist, die die Enden der Flügel in der oberen Stellung, wo die Flügel 11 a, 11 b, 11 c am tiefsten in die Flügelnuten 12 a, 12 b, 12 c eingezogen sind, und der unteren Stellung, in der die Flügel 11 a, 11 b, 11 c am weitesten aus den Flügelnuten 12 a, 12 b, 12 c herausgeschoben sind, miteinander verbindet. Infolge einer Neigung un­ ter einem Winkel R der Flügel 11 a, 11 b, 11 c gegenüber dem verschränk­ ten Meridian bildet die tatsächliche Ortslinie der Endkanten der Flü­ gel keinen Kreis, sondern näherungsweise eine Ellipse, ausgenommen die obere und die untere Stellung. Andererseits muß die innere Um­ fangswandung 1′ des Gehäuses größer als der Kreis gehalten werden, auch in der oberen Stellung und in der unteren Stellung, damit keine Berührung mit den Endkanten der Flügel eintritt. Wenn die innere Um­ fangsfläche 1′ des Gehäuses eine Kreisform hat, deren Durchmesser die genannte Abmessung einschließt, wird ein vergleichsweise breiter Spalt entstehen, der in Umfangsrichtung in bezug auf die Endkanten der Flügel ungleichmäßig ist, da die Flügel auf einer Ellipsenbahn umlaufen. Infolgedessen wird eine große Menge des Strömungsmittels auslecken, insbesondere wenn die Flügelzellenpumpe mit geringer Dreh­ zahl und hohem Betriebsdruck umläuft. Dieses ist Anlaß zu erheblichen Störungen. Infolgedessen hat im Rahmen der Erfindung die innere Um­ fangsfläche des Gehäuses keine Kreisform in der Schnittebene der Fig. 2, sondern eine Ellipsenform etwas größer als die Ortslinie der End­ kanten der Flügel, die die zuerst genannte Ellipse ist. Dadurch kann man einen gleichmäßigen und außerordentlich schmalen Spalt über die gesamte Umfangsfläche erhalten.

Eine zweite Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 3 hat Begren­ zerringe 18 a, 18 b mit einem Rechteckquerschnitt an Stelle der Begren­ zerplatten 15 a, 15 b mit Ringbahnen 16. Die Begrenzerringe sind in Ringausnehmungen 14 a, 14 b eingepaßt, um die Beeinträchtigung und die erforderlichen Herstellungskosten für die Begrenzerringe 18 a, 18 b her­ abzusetzen. Die an beiden Stirnenden der Flügel 11 a, 11 b, 11 c vorste­ henden Stahlbolzen 13 greifen in die innere Umfangsfläche der Begren­ zerringe 18 a, 18 b ein und legen das Heraustreten der Flügel aus den Flügelnuten 12 a, 12 b, 12 c fest, so daß die Flügel berührungslos mit der inneren Umfangsfläche 1′ des Gehäuses gehalten werden. Die innere Umfangsfläche 1′ des Gehäuses hat näherungsweise Ellipsenform entspre­ chend der ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Begrenzerringe 18 a, 18 b sind mit ihren Oberflächen in Kontakt mit dem Gehäuse 1 und dem Gehäusedeckel 2, wobei die äußere Umfangsfläche oder die Stirnflä­ chen die gleichen dynamischen Drucklager, wie Spiralnuten, Rayleighnu­ ten, Fischgrätennunten aufweisen, damit eine gleichmäßige Drehung der Begrenzerringe 18 a, 18 b möglich ist. Die Begrenzerringe 18 a, 18 b kön­ nen durch nicht dargestellte Kugellagerringe ersetzt werden. Mit die­ sem Aufbau sind die Flügel 11 a, 11 b, 11 c in Eintrittsrichtung in die Flügelnuten 12 a, 12 b, 12 c frei beweglich. Wenn die Flügelzellenpumpe anhält oder mit geringer Drehzahl umläuft, können sich die Flügel 11 a, 11 b, 11 c frei zurückbewegen. Dieses kann zu einer Stoßbelastung und zu ernsthaften Schäden führen. Deshalb sind Schultern 19 a, 19 b als Anschläge an der Innenseite der Flügel 11 a, 11 b, 11 c vorgesehen, um die freie Beweglichkeit der Flügel 11 a, 11 b, 11 c festzulegen. Die Schultern 19 a, 19 b in Form von Ringschultern sind koaxial mit dem inneren Umfangsraum 5 des Gehäuses 1 und integral in die Stirnwände des Gehäuses 1 und des Gehäusedeckels 2 eingeformt.

Fig. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung. Dabei ragen Anschläge 20 a, 20 b achsparallel an den äußeren Umfangsenden der Begrenzerplatten 15 a, 15 b vor, um das Heraustreten der Flügel 11 a, 11 b, 11 c festzulegen. Die innere Umfangsfläche 1′ des Gehäuses ist nä­ herungsweise in Ellipsenform geformt, um eine Anpassung an die Ortsli­ nie der Endkanten der Flügel zu erzielen. Bei dieser Ausführungsform erfolgt der Eingriff zwischen den Flügeln 11 a, 11 b, 11 c und den An­ schlägen 20 a, 20 b in der Nähe der inneren Umfangsfläche 1′ des Gehäu­ ses im Vergleich zu dem Fall, wo die Stahlbolzen 13 in die Ringbahnen 16 bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen eingreifen. Infolge­ dessen wird man in diesem Fall als Ortslinie nahezu eine Kreislinie erhalten. In Fig. 4 sind Koppelanordnungen 21 und 22 zur Kopplung des Rotors 4 und der Begrenzerplatten 15 a, 15 b zwischen einander gegen­ überliegenden Endflächen vorgesehen. Man kann in einer Fläche des Ro­ tors 4 jeweils in gleichen Umfangsabständen drei solcher Koppelanord­ nungen vorsehen. Die Koppelanordnungen 21 und 22 sind in gleichen Ab­ ständen in Ausnehmungen in einer Endfläche des Rotors 4 eingepaßt. Je­ weils ein erster Zapfen 23 und 24 im Zentrum der jeweils inneren Ober­ fläche einer Kreisscheibe ist in Eingriff mit dem Rotor und in Kugel­ lagern 29 und 30 drehbar. Die Koppelanordnungen 21 und 22 haben wei­ terhin zwei Zapfen 25 und 26 in Eingriff mit den Begrenzerplatten 15 a und 15 b, die in der Nähe der Randkante der anderen Oberfläche der Kreisscheibe vorstehen. Die zweiten Zapfen 25 und 26 sind in Kugella­ gern 33 und 34 innerhalb von Ausnehmungen 31 und 32 der Begrenzerplat­ ten 15 a und 15 b drehbar. Die ersten Zapfen 23, 24 und die zweiten Zap­ fen 25, 26 sind jeweils auf Kreislinien gleichen Durchmessers, jedoch exzentrisch zueinander um die Größe der Exzentrizität des Rotors 4 gegenüber der inneren Umfangsfläche 1′ des Gehäuses 1 angeordnet. Die Begrenzerplatten 15 a und 15 b drehen sich so unter Vermittlung der Kop­ pelanordnungen 21 und 22 synchron mit dem Rotor 4.

Die Flügelzellenpumpe kann auch vereinfacht werden, indem die Koppelanordnungen 21 und 22 nach Fig. 5 in Wegfall kommen. Zusätzlich kann man die Vorsprünge nach der zweiten Ausführungsform der Erfin­ dung vorsehen, um die Bewegung der Flügel 11 a, 11 b, 11 c festzulegen.

Claims (1)

1. Flügelzellenpumpe mit einem exzentrisch innerhalb einer Ringkam­ mer eines Gehäuses angeordneten Rotor und plattenförmigen Flügeln, die innerhalb von Flügelnuten aus dem Rotor heraustreten und in den­ selben zurücktreten können, wodurch wiederholte Volumenänderungen des Arbeitsraumes zwischen den Flügeln entsprechend der Drehung des Ro­ tors und der Flügel ausgenutzt werden, um ein Strömungsmittel an einer Seite anzusaugen und auf der anderen Seite abzugeben, dadurch gekennzeichnet, daß koaxial zu der inneren Umfangsfläche Begrenzer oder Anschläge drehbar innerhalb der Stirnwände des Gehäuses angeord­ net sind, daß die Begrenzer oder Anschläge mit den Flügeln in Ein­ griff sind, um das Heraustreten der Flügel aus den Flügelnuten festzu­ legen, und daß die innere Umfangsfläche des Gehäuses entsprechend der Ortslinie der Bewegung der Endkanten der Flügel geformt ist, damit die Flügel immer berührungsfrei zu der inneren Umfangsfläche des Ge­ häuses umlaufen.