DE69130480T2

DE69130480T2 - Mehrkammerige rotierende lappenmaschine für fluide mit zwangsläufig gleitenden dichtungen

Info

Publication number: DE69130480T2
Application number: DE69130480T
Authority: DE
Inventors: Alexander Newport Beach Calif. Pipaloff
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-04-09
Filing date: 1991-06-06
Publication date: 1999-04-15
Anticipated expiration: 2011-06-07
Also published as: CA2088662A1; EP0542759A4; AU657652B2; AU8109991A; EP0542759A1; CA2088662C; BG97491A; WO1992021856A1; DK0542759T3; DE69130480D1; EP0542759B1; US5073097A; ES2124227T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fluid-Drehmaschine und im besonderen eine Fluid-Drehpumpe und Fluid-Drehmotoren.
Aus dem Stand der Technik sind Fluid-Drehpumpen und Fluid-Drehmotoren bekannt. Derartige Pumpen und Motoren verwenden einen Rotor, der sich innerhalb einer in dem Stator ausgebildeten Kammer dreht und der mit radial geführten Blättern ausgestattet ist, die sich mit dem Rotor drehen und bewegen sich entlang einer Bahn zwischen gegenüberliegend gekrümmten Flächen des Stators, wobei die Rotorblätter in einem zwangsschlüssigem Eingriff mit dem Profil des Stators gehalten werden. Jede Kammer des Stators ist mit Einlaß- und Auslaßöffnungen versehen.
Derartige Fluidmotoren oder Pumpen weisen jedoch bestimmte Nachteile auf. Im besonderen sind sie hinsichtlich des Verschleißaspektes ineffizient und darüber hinaus sind sie hinsichtlich ihrer Geschwindigkeit und des Drehmoments beschränkt. Der hauptsächliche Grund der Ineffizienz ist die Tatsache, daß in den bekannten Fluid-Drehpumpen und -motoren die Rotorblätter mit dem Rotor rotieren und die drehende Masse eine Zentrifugalkraft und eine Umfangsspannung verursacht. Das führt dazu, daß die Rotorblätter und die gekrümmten Flächen des Stators ungleichmäßig verschleißen, da ihre äußeren Seiten mehr verschleißen als ihre inneren Seiten, d. h. sie können nicht ihre ursprüngliche Funktion, gleichmäßig abzudichten, erfüllen. Weiterhin wird deutlich, daß die herkömmlichen Drehmaschinen in ihrem Durchmesser, d. h. Drehleistungseffizienz, beschränkt sind, wenn man bedenkt, daß die Zentrifugalkraft und die Umfangsspannung nicht nur proportional zum Quadrat der Umdrehungsgeschwindigkeit, sondern auch zum Schwerpunktsradius ist. Darüber hinaus streichen an den herkömmlichen Drehmaschinen die Rotorblätter an den Öffnungen vorbei, und dies kann einen Bruch oder eine Schädigung der Dichtfläche der Rotorblätter verursachen.
Ein weiterer Nachteil der bisher bekannten Drehmaschinen ist die Tatsache, daß keine mit verschleißkompensierenden Blättern versehen ist, die proportional zu dem aufgebrachten Druck des Arbeitsfluids kompensieren. Daraus ergibt sich, daß jede Veränderung des Drucks des Fluids die Dichteffektivität beeinflussen wird, d. h. die Gesamteffizienz der Drehmaschine. Darüber hinaus sind die herkömmlichen Drehmaschinen aufgrund der Gleitdichtung zwischen den Blättern und der Statoroberfläche sehr empfindlich gegenüber Fluidverunreinigungen.
Repräsentative Beispiele derartiger herkömmlicher Drehmaschinen sind in US-A- 315.318, 1.249.881, 2.099.193, 2.280,272 und 2.382.259 gezeigt.
GB-A-2183732 offenbart eine(n) einwellige(n) Pumpe/Motor, die/ der einen kompletten 100%-igen Arbeitsbereich von aller Rotorblätter bei jeder Umdrehung verwendet und einen Aufbau erlaubt, bei dem so viele Rotorblätter in der gleichen Ebene angeordnet werden können, wie gewünscht.
US-A-2730076 offenbart einen hydraulischen Umformer, der einen Stator umfaßt, der einen zylindrischen Körper mit radial, in gleichmäßigen Abständen angebrachten Schlitzen, reziproke Blätter in den Schlitzen und einen Rotor umfaßt, der mit dem Stator kooperiert und der einen Ring beinhaltet, der eine konturierte Aussparung hat, um sinus- oder cosinusförmige Oberflächen zu bilden, die Kammern zur Aufnahme der Blätter bilden.
Dementsprechend ist es ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Fluiddrehmaschine bereitzustellen, die effizienter ist als die bisher bekannten.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fluid-Drehmaschine bereitzustellen, die in ihrer Geschwindigkeit und Drehleistung nicht beschränkt ist.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fluid- Drehmaschine bereitzustellen, bei der Bruch oder Schaden an den Dichtblättern vermieden wird.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fluid- Drehmaschine bereitzustellen, bei der die Dichtblätter verschleißkompensierend sind.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fluid-Drehmaschine bereitzustellen, die einfach herzustellen und zusammenzubauen ist.
Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung eine Mehrkammer-Fluid- Drehmaschine nach Anspruch 1 bereit.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun im folgenden anhand von Beispielen entsprechend der beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in welcher:
Fig. 1 eine Draufsicht mit einem aufgeschnittenen Teil der Fluid- Drehmaschine in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie II-II von Fig. 1 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie III-III aus Fig. 2 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine Querschnittsansicht des Ineinandergreifens eines dreiflügeligen Rotors und eines vierblättrigen Stators in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 5 eine Querschnittsansicht eines dreiflügeligen Rotors in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 eine Querschnittsansicht eines vierblättrigen Stators in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 eine Querschnittsansicht des Ineinandergreifens eines vierflügeligen Rotors und eines vierblättrigen Stators in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 eine Querschnittsansicht des Ineinandergreifens eines vierflügeligen Rotors und eines dreiblättrigen Stators in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 eine Frontansicht eines einfach verschleißkompensierenden Dichtungsblattes in Überstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 10 eine Vorderansicht eines doppeltverschleißkompensierenden Dichtungsblattes in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt und
Fig. 11 ein isometrischer Ausschnitt des Stators, der einen Blattschlitz und die entsprechenden Ein- und Auslaßöffnungen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt.
Bei besonderer Berücksichtigung der Zeichnungen ist in den Fig. 1-6 und 11 eine Fluid-Drehmaschine in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Fluid-Drehmaschine umfaßt im allgemeinen einen Stator 1, der vorzugsweise aus einer Platte mit einem ringförmigen Körper besteht, und der mit radialen Führungsschlitzen 17 zur Führung verschleißkompensierender Blätter 3 aufweist, die in einem vorteilhaften zwangsschlüssigen Eingriff mit dem Profil des Rotors 2 stehen, der einen inneren und einen äußeren Rotor umfaßt, die sich nach innen und außen verschieben, wenn der Rotor 2 rotiert. Der Stator 1 umhüllt den Rotor 2 und ein Lager 4. Die Blätter 3 sind weiterhin so ausgelegt, daß die Länge der Linie, die durch zwei gegenüberliegende Dichtpunkte von ein- und demselben Blatt gleich der radialen Entfernung zwischen der äußeren Oberfläche des inneren Rotors und der inneren Oberfläche des äußeren Rotors ist. Eine gegenläufig gekrümmte Fläche des Rotors 2 ist durch äußere Flügel 6 ausgebildet, die entsprechende äußere Kammern 8 festlegen. Die äußeren Flügel 6 und die inneren Flügel 7 sind mit dem Stator 1 dicht verbunden. Die Einlaßöffnungen 18 und Auslaßöffnungen 19 (oder umgekehrt) sind im Stator 1 vorgesehen und stehen entweder alternativ oder gleichzeitig mit den äußeren Kammern 8 und mit den inneren Kammern 9 in Verbindung. Die Öffnungen 18 und 19 sind durch innere Kanäle 15 mit den Öffnungen 16 verbunden, wobei eine davon in Fig. 2 zu sehen ist. Die Öffnungen 18 und 19 sind an gegenüberliegenden Seiten und sehr nahe zu jedem der Blätter 3 vorgesehen. Der Rotor 2, die Ablichtungsblätter 3 und das Lager 4 sind im Stator 1 durch eine Seitenplatte 5, die an den Stator 1 angeschraubt ist, eingeschlossen. Die Platte 5 und der Rotor 2 werden durch einen O-Ring 14 und eine Drehdichtung 13 in üblicher, bekannter Weise abgedichtet.
Entsprechend den Fig. 9 und 10 umfaßt das verschleißkompensierende Dichtblatt 3 ein äußeres Gleitblatt 10 und ein inneres Gleitblatt 11, die mit vorteilhaften rollenden Kontaktdichtungen 22 und 23 versehen sind. Die Gleitblätter 10 und 11 werden durch eine Federkrafteinrichtung 25 in einem vorteilhaften Eingriff mit dem Profil des Rotors gehalten, wobei die Federkraft durch kleine Druckkammern 12 und 20, die zwischen den Gleitblättern 10 und 11 ausgebildet sind, aufgebracht wird. Die Druckkammern 12 und 20 sind durch eine Gleitfläche 21 getrennt. Wenn die verschleißkompensierenden Dichtblätter 3 in die radialen Führungsschlitze 17 des Stators 1 befestigt werden, werden die Druckkammern 12 und 20 in Verbindung mit den Zuführöffnungen 18 und 19 gehalten. Auf diese Weise wird jede Änderung des Fluiddrucks die radiale Dichtkraft proportional beeinflussen. Das Dichtblatt 3 wird ebenso jede Veränderung hinsichtlich der radialen Abmessungen des Rotors 2 aufgrund von Unregelmäßigkeiten der Bearbeitung oder der thermischen Ausdehnung ausgleichen. Das Dichtblatt 3 kann nur aus einem Einzelglied wie in Fig. 9 gezeigt oder aus einem Satz von zwei oder mehreren Gliedern wie in Fig. 10 gezeigt bestehen. Es ist jedoch vorteilhaft, daß der Umhüllungswinkel Y&sub1; der inneren Dichtung 22 gleich dem Umhüllungswinkel Y&sub2; der äußeren Dichtung 23 ist. Weiterhin sind die kleinen Druckkammern 12 und 20, die zwischen den Gleitblättern 10 und 11 ausgebildet sind, über innere Kanäle jeweils miteinander verbunden.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden bestimmte Ausdrücke eingeführt. Gemäß den Fig. 4, 5, 6 bestimmen die Punkte A, B, C, D die äußere Rotorkammer 8; die Punkte E, F, G, H bestimmen die innere Rotorkammer 9; die Punkte C, D, A', B' bestimmen den äußeren Rotorflügel 6; die Punkte G, H, E', F' bestimmen den inneren Rotorflügel 7; die Punkte A, O, B bestimmen den linken Steigungswinkel der äußeren Kammer 8 ...
d; die Punkte B, O, C bestimmen den Profilwinkel der äußeren Kammer 8 ...
f; die Punkte C, O, D bestimmen den rechten Steigungswinkel der äußeren Kammer 8 ...
e; die Punkte D, O, A' bestimmen den Dichtungszonenwinkel des äußeren Flügels 6 ...
c; die Punkte A, O, A' bestimmen den Blattsteigungswinkel des Rotors 2 ...
a; die Punkte E, O, F bestimmen den rechten Steigungswinkel der inneren Kammer 9 ...
d'; die Punkte F, O, G bestimmen den Profilwinkel der inneren Kammer 9 ...
f; die Punkte G, O, H bestimmen den linken Steigungswinkel der inneren Kammer 9 ...
e'; die Punkte H, O, E' bestimmen den Dichtungszonenwinkel d es inneren Flügels 7 ...
c'; die Punkte E, O, E' bestimmen den Blattsteigungswinkel des Rotors 2 ...
a' =
a; die Punkte I, O, J bestimmen den Winkel der äußeren Öffnung des Durchlasses 18 ...
f; die Punkte I', O, J' bestimmen den Winkel der inneren Öffnung des Durchlasses 18 ...
j'; die Punkte J, O, K bestimmen den Winkel der äußeren Öffnung des Führungsschlitzes 17 ...
i; die Punkte J', O, K' bestimmen den Winkel der inneren Öffnung des Führungsschlitzes 17 ...
i'; die Punkte K, O, L bestimmen den Winkel der äußeren Öffnung des Durchlasses 19 ...
K; die Punkte K', O, L' bestimmen den Winkel der inneren Öffnung des Durchlasses 19 ...
k';
die Punkte L, O, P bestimmen den Winkel der äußeren Dichtungszone des Stators 1
1; die Punkte L', O, P' bestimmen den Winkel der inneren Dichtungszone des Stators 1 ...
1'; die Punkte I, O, P bestimmen den Blattanstiegswinkel des Stators 1 ...
h; die Punkte E', O, P' bestimmen den Blattanstiegswinkel des Stators 1 ...
h' =
h.
Es ist nicht Gegenstand dieser Anmeldung, alle Gleichungen, die die vorliegende Erfindung beschreiben, zu erklären. Die folgenden Gleichungen müssen jedoch bei der Konstruktion einer Fluiddrehmaschine in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung beachtet werden.
Im besonderen muß der äußere Dichtungszonenwinkel des Stators 1
1 immer gleich oder größer der Summe des linken Anstiegswinkels
d, des äußeren Kammerprofilwinkels f und des rechten Anstiegswinkels
e der äußeren Kammer 8 sein, d. h.;
1 ≥
d +
f +
e
1 ≥
b.......(1)
Das gleiche Gesetz gilt ebenso für die innere Kammer 9, d. h.;
1' ≥
d' +
f' +
e'
1' ≥
b'..........(2)
Die Zahl der äußeren Rotorflügel 6 muß immer gleich der Zahl der äußeren Rotorflügel 7 sein; die Zahl der Rotorflügel Z ist durch die nachfolgende Gleichung bestimmt:
Z lob = 360/ a.....(3)
Die Zahl der Dichtblätter Z von ist bestimmt wie folgt:
Z van = 360/ a........... (4)
Die Zahl der Flügel Z lob kann größer, gleich oder geringer der Zahl der Dichtblätter Z von sein.
Z lob > =
Z van...........(5)
Im Betrieb wird der Stator 1 festgehalten und das komprimierte Fluid wird in die Einlaßöffnungen 18 eingespritzt. Der Rotor 2 würde dann zu rotieren beginnen. Weiterhin könnte der Fluiddrehmotor in seiner Arbeitsrichtung umgedreht oder gebremst werden, indem die Einlaß- und Auslaßöffnungen 18 und 19, an denen das unter Druck gesetzte Fluid angelegt wird, vertauscht werden. Darüber hinaus wird das Fluid in alle Kammern zur gleichen Zeit eingespritzt und entnommen.
In Fig. 7 ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der die Zahl der Flügel gleich der Zahl der Dichtblätter ist.
In Fig. 8 ist noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der die Zahl der Flügel größer als die Zahl der Dichtblätter ist.
Für einen Fachmann sollte es offensichtlich sein, daß alle Ausführungsformen grundsätzlich in der gleichen Art und Weise funktionieren, wie sie gemäß der ersten Ausführungsform diskutiert wurden.
Weiterhin sollte für einen Fachmann klar sein, daß die oben beschriebenen Ausführungsformen nur einige wenige der vielen möglichen spezifischen Ausführungsformen darstellen, die die Anwendungen und Prinzipien der vorliegenden Erfindung repräsentieren.

Claims

1. Mehrkammer Fluid-Drehmaschine mit einem inneren Element, welches mit einer Anzahl von Flügeln (7) versehen ist, einer Platte mit einem vorstehenden Ring, wobei das Element mit den Flügeln (7) eine Anzahl von ersten Fluidkammern (9) definiert, ein Gehäuse, welches mit dem inneren Element gekoppelt ist und den Ring umgibt, wobei das Gehäuse mit einer Anzahl von mit der Anzahl der Flügeln (7) entsprechenden Vertiefungen versehen ist, die zusammen mit dem Ring eine Anzahl von zweiten Fluidkammern (8) definieren, einer Anzahl von Dichtblättern (3), die sich durch den Ring erstrecken und mit einer äußeren Fläche des inneren Elementes und einer inneren Fläche des Gehäuses zusammenwirken, wobei die Dichtblätter (3) in einer Anzahl vorgesehen sind, die gleich, größer oder geringer als die Anzahl der Flügel (7) des inneren Elementes ist, und eine Anzahl von Fluidkommunikationseinrichtungen (18, 19), die in dem Ring angrenzend an die Dichtblätter (3) vorgesehen sind; dadurch gekennzeichnet, daß alternierende Einrichtungen der Anzahl von Fluidkommunikationseinrichtungen (18, 19) in der Platte aneinander gekoppelt sind und daß jede der Anzahl der Fluidkommunikationseinrichtungen (18, 19) mit den ersten und zweiten Fluidkammern (9, 8) in Verbindung gebracht werden können, so daß im Betrieb Fluide in alle ersten und zweiten Fluidkammern (9, 8) eingespritzt und zugleich aus diesen herausgenommen wird.

2. Mehrkammer Fluid-Drehmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtblätter (3) so konstruiert sind, daß die Länge der Linien, die durch zwei beliebige gegenüberliegende Dichtpunkte auf ein und demselben Blatt definiert werden, gleich einer radialen Distanz zwischen einer äußeren Fläche des inneren Elementes und einer inneren Fläche des Gehäuses sind.

3. Mehrkammer Fluid-Drehmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Element und das Gehäuse stationär sind und der Ring rotiert.

4. Mehrkammer Fluid-Drehmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring fixiert ist und das innere Element und das Gehäuse rotieren.

5. Mehrkammer Fluid-Drehmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Dichtblätter (3) geringer ist, als die Anzahl der Lappen (7) des inneren Elementes.

6. Mehrkammer Fluid-Drehmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtblätter (3) die Abnutzung kompensierende Blätter umfassen.

7. Mehrkammer Fluid-Drehmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Anzahl der Dichtblätter (3) zwei die Abnutzung kompensierende Blattbereiche (10,11) umfaßt, die aneinander gekoppelt sind und sich in radialer Richtung im gegenüberliegenden Sinne erstrecken.

8. Mehrkammer Fluid-Drehmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß kleine Druckkammern (12, 20) vorgesehen sind, die zwischen aneinanderstoßenden Enden von zwei die Abnutzung kompensierenden Blattbereichen (10,11) ausgebildet sind.

9. Mehrkammer Fluid-Drehmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge einer Linie, die sich zwischen zwei gegenüberliegenden Dichtpunkten auf ein und demselben Blatt der Anzahl der Dichtblät ter (3) erstreckt, gleich einer radialen Distanz zwischen der äußeren Fläche des inneren Elementes und der inneren Fläche des Gehäuses ist.

10. Mehrkammer Fluid-Drehmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegenden Enden eines jeden der Anzahl der Dichtblätter (3) mit rollenden Kontaktdichtungen (22, 23) versehen sind.

11. Mehrkammer Fluid-Drehmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ringdichtzonenwinkel ( i,

i'), eingeschlossen zwischen zwei alternierenden Fluidkommunikationseinrichtungen (18, 19) gleich ist oder größer als der Winkel ( b,

b'), welcher die ersten und zweiten Fluidkammern (8, 9) definiert.

12. Mehrkammer Fluid-Drehmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Flügel (7) gleich 360º ist, geteilt durch den Steigungswinkel der Flügel ( a,

a') und daß die Anzahl der Blätter (3) gleich 360º ist, geteilt durch einen Steigungswinkel der Blätter ( h,

h').