DE4332540A1 - Flügelzellenpumpe - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Flügelzellenpumpe nach der Gattung des Hauptanspruches. Bei herkömmlichen Flügelzellenpumpen unter­ liegen die Flügelelemente im Betrieb der Pumpe hohen Bean­ spruchungen, da die sich an gegenüberliegenden Flächen auswirkenden Drücke während des Betriebes in sehr starkem Maße unausgeglichen sind. Dieses Ungleichgewicht beruht auf der unterschiedlichen Größe der entsprechenden druckbeaufschlagten Flächen bzw. auf der unter­ schiedlichen Höhe des jeweils beaufschlagenden Druckes. So wird ins­ besondere die radiale Außenseite des Flügelelementes auf den beiden Seiten der Berührungslinie mit dem Hubelement mit dem vorlaufenden bzw. nachlaufenden Druck beaufschlagt, dem ein relativ hoher, auf eine gegenüberliegende Innenseite wirkender Druck entgegensteht. Das führt dazu, daß herkömmliche Flügelzellenpumpen nur für relativ ge­ ringe Drücke einsetzbar sind. Aus der US-PS 4 529 361 ist eine Flügelzellenpumpe bekannt, bei der die in radialer Richtung auf das Flügelelement einwirkenden Druckkräfte relativ ausgeglichen sind. Die darin beschriebene Flügelzellenpumpe hat Flügelelemente mit etwa U-förmigen Querschnitt, die auf radialen Fortsätzen des Rotors ge­ führt sind. Die in Rotationsrichtung vorlaufende Führungsbahn liegt dabei auf einer Linie durch den Mittelpunkt des Rotors. Die radiale Außenfläche des U-förmigen Flügelelementes ist in Lauf­ richtung des Rotors gekrümmt, wobei der Mittelpunkt dieser Krümmung auf der durch die Verlängerung der Führungsbahn durch den Mittel­ punkt des Rotors gebildeten Linie liegt. Damit wird der Scheitel­ punkt bzw. die Scheitellinie des Flügelelementes in Richtung auf die vorlaufende Führungsbahn des Rotors verschoben. Gleichzeitig wird das U-förmige Flügelelement an seiner Innenseite mit dem Druck aus der nachlaufenden Druckkammer beaufschlagt. Durch diese Gestaltung des Flügelelements bzw. des Rotors werden am Flügelelement vier in radialer Richtung druckbeaufschlagte Flächen ausgebildet, wobei die jeweils mit gleichem Druck beaufschlagten Flächen nahezu gleichgroß sind. Eine derartige Flügelzellenpumpe hat jedoch den Nachteil des sehr aufwendigen Aufbaus und ist daher teuer. Darüber hinaus werden durch den eingeschlossenen Druckraum im Inneren des Flügelelementes sehr hohe Spannungen in diesem erzeugt. Das führt dazu, daß die Flügelelemente entweder sehr groß dimensioniert werden müssen oder die erreichbaren Förderdrücke begrenzt werden müssen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe mit den kennzeichnenden Merk­ malen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, daß auf ein­ fache und kostengünstige Weise eine Flügelzellenpumpe für hohe Drücke ausgebildet ist, bei der die in radialer Richtung auf das Flügelelement wirkenden Druckkräfte nahezu ausgeglichen sind. Da­ durch sind zum einen gegenüber herkömmlichen Flügelzellenpumpen höhere Förderdrücke möglich, andererseits wird der Verschleiß der Flügelelemente reduziert, da die Anpreßkräfte während des Betriebes jeweils nur geringfügig oberhalb des erforderlichen Maßes liegen. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Flügelelemente können diese durch einfache Maßnahmen an das erforderliche Druckniveau angepaßt werden, ohne daß die Abmessungen der Flügelelemente über­ mäßig ansteigen. Darüber hinaus ist neben der Ausbildung der eigent­ lichen Flügelelemente auch die Ausbildung des Rotors vereinfacht, und hohe, durch den Betrieb verursachte Spannungen im Rotor werden vermieden.

Besonders vorteilhaft für den Lauf des Flügelelementes, für den Druckausgleich und für die Fertigung ist es, wenn die Krümmung der radialen Außenfläche des Flügelelementes gleichmäßig ist und wenn der Mittelpunkt des so beschriebenen Kreisabschnittes auf der durch den Mittelpunkt des Rotors verlängerten Linie entlang der Führungs­ bahn des Rotors verläuft.

Die Druckbeaufschlagung des Flügelelementes an seiner radialen Innenseite kann auf fertigungstechnisch einfache Weise durch eine Nut in einer Außenwand des Flügelelementes ermöglicht werden, die zusammen mit dem Einschnitt im Rotor einen Druckmittelkanal bildet.

Besonders vorteilhaft für die Ausbildung der Flügelzellenpumpe und für einen verschleißarmen Lauf der Flügelelemente ist es, wenn das Hubelement ein kreisförmiger Hubring ist, der exzentrisch zum Rotor gelagert wird.

Die erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe ist auf einfache und vorteil­ hafte Weise als verstellbare Flügelzellenpumpe auszubilden, wenn das Hubelement lageveränderlich ist.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Be­ schreibung und Zeichnung näher erläutert. Letztere zeigt in Fig. 1 einen vereinfachten Schnitt durch eine Flügelzellenpumpe senkrecht zu ihrer Rotationsachse. Fig. 2 zeigt eine vereinfachte Ansicht eines Flügelelementes, die Fig. 3 und 4 zeigen schematisch den Verlauf der Berührungslinie zwischen Flügelelement und Hubring in unterschiedlichen Betriebspunkten.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist mit 10 das nur schematisch dargestellte Gehäuse einer Flügelzellenpumpe dargestellt, das durch nicht dargestellte Deckelelemente verschlossen ist. In diesen nicht dargestellten Deckelelementen sind auf an sich bekannte Weise die Zufluß- und Abflußkanäle für das Druckmittel angeordnet. Im Innenraum 11 des Gehäuses 10 ist ein Rotor 12 drehbeweglich gelagert. Dieser Rotor hat von seinem Außenumfang 13 ausgehende, etwa radial verlaufende Einschnitte 14, die sich über die gesamte Länge des Rotors erstrecken. In diesen Einschnitten 14 ist jeweils ein Flügelelement 15 radial beweglich angeordnet, dessen radiale Außenseite 16 an der Innenkontur 17 eines als kreisringförmiger Hubring ausgebildeten Hubelements 18 gleitet. Dieser Hubring 18 ist exzentrisch zum Rotor 12 gelagert und durch zwei einander gegenüberliegende Kolbenelemente 19 bzw. 20 im Gehäuse 10 verschieblich, so daß die Exzentrizität zwischen Rotor 12 und Hubring 18 auf an sich bekannte Weise veränderlich ist.

Durch den Hubring 18 und den Rotor 12 wird ein sichelförmiger Druck­ raum 21 ausgebildet, der in axialer Richtung durch die nicht darge­ stellten Deckelelemente abgeschlossen ist. Dieser Druckraum 21 wird durch die hier im Ausführungsbeispiel vier jeweils um 90° versetzt angeordneten Flügelelemente 15, die sich jeweils über die gesamte Länge des Rotors 12 erstrecken, in vier einzelne Druckräume unterteilt. Diese einzelnen Druckräume streichen bei der Drehung des Rotors jeweils - auf an sich bekannte Weise - an den in den Deckel­ elementen ausgebildeten Einlaß- bzw. Auslaßkanälen vorbei. Die Zahl der Flügelelemente und Druckräume ist hier nur exemplarisch, eine andere Anzahl ist ohne weiteres möglich.

Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel und in der in Fig. 1 ge­ wählten Darstellung ist die Rotation des Rotors 12 im Gegenuhr­ zeigersinn verlaufend. Die Einschnitte 14 sind jeweils so angeord­ net, daß ihre - in Rotationsrichtung betrachtet - nachlaufende Füh­ rungsbahn 23 auf einer Linie 24 durch den Mittelpunkt 25 des Rotors 12 liegt. In den Einschnitten 14 ist jeweils ein Flügelelement 15 radial beweglich geführt, das einen etwa J-förmigen Querschnitt mit einem hakenförmigen Fortsatz 26 hat (Fig. 2). Dieser hakenförmige Fortsatz 26 gleitet mit der radialen Außenseite 16 an der Innenkon­ tur 17 des Hubringes 18. Jeder Einschnitt 14 hat im Bereich des Außenumfanges 13 des Rotors 12 im Bereich der nachlaufenden Füh­ rungsbahn 23 eine Erweiterung 27 zur Aufnahme des hakenförmigen Fortsatzes 26 bei vollständig eingeschobenem Flügelelement 15. Der hakenförmige Fortsatz 26 ist im Bereich der radialen Außenseite 16 gekrümmt, wobei der Radius 28 gleichmäßig ist und der Mittelpunkt 29 der Krümmung bzw. des durch den Radius 28 beschriebenen Kreisab­ schnittes auf der Linie 24 der Führungsbahn 23 liegt. Dadurch be­ findet sich auch der Scheitelpunkt 30 der gekrümmten radialen Außen­ seite 16 auf der Linie 24. Das Flügelelement 15 hat in seiner in Rotationsrichtung vorlaufenden Außenseite 32 eine sich über die ge­ samte radiale Länge erstreckende Nut 33, die zusammen mit der vor­ laufenden Führungsbahn 34 einen Druckmittelkanal 35 bildet, durch den die zwischen Einschnitt 14 und Flügelelement 15 eingeschlossene Druckkammer 36 mit dem jeweils vor dem betreffenden Flügelelement 15 befindlichen Druckraum 21A verbunden ist.

Durch die beschriebene Ausbildung und Formgebung der Flügelelemente 15 werden an jedem der Flügelelemente vier in radialer Druckrichtung beaufschlagte Flächen A₁ bis A₄ ausgebildet (Fig. 3 und 4). Mit A₁ ist dabei die radiale Innenseite 37 eines Flügelelementes 15 bezeichnet, d. h., die Fläche A₁ ist die mit dem Druck in der Druckkammer 36 beaufschlagte Fläche des Flügelelementes 15. Die Flächen A₂ und A₃ sind an der radialen Außenseite 16 des Flügel­ elementes ausgebildet und werden durch die Berührungslinie 38 zwischen Flügelelement 15 und Hubring 18 in eine vorlaufende Fläche A₂ und eine nachlaufende Fläche A₃ unterteilt. Mit A₄ ist die in radialer Richtung druckbeaufschlagte Fläche an der Unterseite des hakenförmigen Fortsatzes 26 bezeichnet. Im Betrieb der Flügelzellen­ pumpe werden jeweils die Flächen A₁ und A₂ sowie die Flächen A₃ und A₄ von den gleichen Drücken beaufschlagt, wobei die Flächen A₁ und A₂ von dem Druck (p_P bzw. p_D) vor dem Flügel­ element 15 und die Flächen A₃ und A₄ vom Druck (p_I bzw. p_S) hinter dem Flügelelement 15 beaufschlagt werden.

Im Betrieb der Flügelzellenpumpe verschiebt sich die Berührungslinie 38 zwischen Flügelelement 15 und Hubring 18 innerhalb eines relativ eng begrenzten Bereiches um den Scheitelpunkt 30 bzw. die Linie 24. Diese Verschiebung der Berührungslinie 38 ergibt sich aufgrund der Exzentrizität zwischen Rotor 12 und Hubring 18. Während der Kom­ pressionsphase des vor dem Flügelelement 15 angeordneten Druckraumes 21A - bei sich verjüngendem Druckraum (Fig. 3) - liegt die Be­ rührungslinie 38 in Rotationsrichtung betrachtet vor dem Scheitel­ punkt 30. Dadurch verkleinert sich die vorlaufende Fläche A₂ an der radialen Außenseite 16 des Flügelelementes, so daß das Flügel­ element 15 aufgrund der größeren wirksameren Fläche A₁ und des sich im Druckraum 21A aufbauenden Druckes (p_P) an den Hubring 18 gepreßt wird. Die Flächendifferenz der Flächen A₃ und A₄ ist dabei aufgrund des nur sehr geringen Druckes P_I (wegen der Verbindung mit dem - nicht dargestellten - Saugkanal an der nachlaufenden Druckseite) zu vernachlässigen. Die Größe der Anpreßkraft des Flügelelementes 15 an den Hubring 18 wird durch die Flächendifferenz zwischen den Flächen A₁ und A₂ bestimmt und ist abhängig von den Radien des Rotors 12, des Hubringes 18 und der Krümmung der radialen Außenseite 16 des Flügelelementes 15. Für einen optimalen Betrieb der Flügelzellenpumpe sollte diese Flächendifferenz in der Kompressionsphase im Bereich von etwa 5% liegen, da damit eine für die Abdichtung ausreichende Anpressung erreicht wird und gleichzeitig die Belastungen und der Verschleiß geringgehalten werden.

In der Dekompressionsphase der einzelnen Flügelelemente 15 (Fig. 4), d. h. bei sich erweiterndem Druckraum 21A, liegt der Be­ rührungspunkt bzw. die Berührungslinie 38 in Drehrichtung gesehen hinter dem Scheitelpunkt 30 bzw. der Linie 24. In der Dekom­ pressionsphase der durch ein Flügelelement 15 begrenzten Druckräume 21A, 21B ist der vorlaufende Druck p_D gegenüber dem nachlaufenden Druck p_S zu vernachlässigen, so daß das Flügelelement 15 aufgrund der Flächendifferenz zwischen den Flächen A₃ und A₄ an den Hub­ ring 18 gedrückt wird. Auch in diesem Fall sollten die Abmessungen bzw. Radien der einzelnen Elemente so gewählt werden, daß die Flächendifferenz im Betrieb etwa 5% beträgt.

Im Gegensatz zum hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, die Einschnitte 14 bzw. die Flügelelemente 15 so anzu­ ordnen, daß die vorlaufende Führungsbahn 34 auf der Linie 24 durch den Mittelpunkt des Rotors liegt. In diesem Fall muß die Druckbeauf­ schlagung der Druckkammer 36 jedoch so erfolgen, daß eine Verbindung mit dem jeweils nachlaufenden Druckraum des Flügelelementes 15 her­ gestellt wird.

Claims (7)

1. Flügelzellenpumpe mit einem Rotor (12) mit im wesentlichen radia­ len Führungselementen (14), von denen jeweils eine Führungsbahn (23) auf einer Linie (24) durch den Mittelpunkt (25) des Rotors (12) liegt, zur Führung radial beweglicher Flügelelemente (15), deren radialen Außenseiten (16) gekrümmt sind und an der Innenkontur (17) eines Hubelementes (18) etwa linienförmig anliegen, wobei der Scheitelpunkt (30) der Krümmung in Richtung auf die Linie (24) durch den Mittelpunkt (25) verschoben ist, und mit einer jedem Flügelele­ ment (15) zugeordneten Druckkammer (36) an seiner radialen Innen­ seite, durch dessen Druckbeaufschlagung das Flügelelement (15) an das Hubelement (18) gedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das radiale Führungselement ein Einschnitt (14) in den Rotor (12) ist, und daß jedes Flügelelement (15) einen J-förmigen Querschnitt hat und mit seiner hakenartigen Außenseite (26) am Hubelement (18) an­ liegt.

2. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung der radialen Außenseite (16) zumindest im Bereich des Scheitelpunktes (30) einen gleichbleibenden Radius (28) aufweist, und daß der Mittelpunkt (29) des so beschriebenen Kreisabschnittes auf der Linie (24) durch den Mittelpunkt (25) des Rotors (12) liegt.

3. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Druckkammer (36) über einen Druckmittelkanal (35) mit dem an das Flügelelement (15) angrenzenden Druckraum (21A bzw. 21B) ver­ bunden ist, der auf der der Führungsbahn (23 bzw. 34), deren Ver­ längerung durch den Mittelpunkt (25) des Rotors (12) reicht, abge­ wandten Seite des Flügelelementes liegt.

4. Flügelzellenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in der Außenfläche des Flügelelementes (15) eine Nut (33) ausgebildet ist, die zusammen mit der Wandung des Ein­ schnittes (14) im Rotor (12) den Druckmittelkanal (35) bildet.

5. Flügelzellenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Hubelement (18) ein Hubring ist, der exzen­ trisch zum Rotor (12) gelagert ist.

6. Flügelzellenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Fördervolumen durch eine Lageänderung des Hub­ elementes (18) veränderbar ist.

7. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzentrizität des Hubringes (18) durch eine Kolbeneinrichtung (19, 20) verstellbar ist.