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Drehkolbenmaschine mit mehreren, mit wechselnder Winkelgeschwindigkeit
dicht schließend in einem ringförmigen Arbeitsraum umlaufenden Kolben Es sind als
Arbeitsmaschine, z.-B. Pumpe, oder als Kraftmaschine dienende Drehkolbenmaschinen
mit ringförmigem Arbeitsraum bekannt, in dem mehrere Kolben abwechselnd stillstehen
und von dem den inneren Abschluß des Arbeitsraumes bildenden Läufer mitgenommen
werden. Hierbei wird jeder Kolben mittels einer Verklinkung zeitweise mit dem Läufer
gekuppelt und nach Durchlaufen des als Förderraum in Betracht kommenden Teiles des
ringförriiigen Arbeitsraumes von dem Läufer entkuppelt und durch die Verklinkung
von der stillstehenden Gehäusewand festgehalten. Die Kolben führen eine unterbrochene
Bewegung durch und ergeben bei Verwendung dieser Maschine als Pumpe eine absatzweise
Förderung. Das abwechselnd in den Läufer und in eine Rast des Gehäuses eingreifende
Klinkwerk ist starken Beanspruchungen ausgesetzt und kann leicht beschädigt werden,
so daß diese bekannte Bauart der Drehkolbenmaschine nur eine geringe Betriebssicherheit
hat.
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Bei einer anderen bekannten mit Druckflüssigkeit oder Dampf betriebenen
Drehkolbenmaschine laufen vier Kolben in einem ringförmigen Arbeitsraum um, der
am Außenumfang und an den beiden Seiten durch feste Gehäusewände begrenzt ist, während
die innere Auflagefläche für die Kolben durch einen umlaufenden Ring gebildet wird.
Dieser Innenring ist mit zwei diametral gegenüberliegenden Ausnehmungen versehen,
durch die ein exzentrisch umlaufender Mitnehmer in eine radiale
Vertiefung
der einzelnen Kolben eingreift, die am Außenumfang mit einer weiteren Vertiefung
versehen sind, in die ein unter Federdruck stehender Sperrstift eingreift. Die Kolben
werden bei ihrem Umlauf eine Zeitlang durch diesen Sperrstift festgehalten und führen-
daher eine unterbrochene, ungleichförmige Bewegung durch, die durch ein zusätzliches
Schwungrad ausgeglichen werden muß.
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Auch andere bekannte Bauarten von Drehkolbenmaschinen mit in einem
Ringraum mit wechselnder Winkelgeschwindigkeit umlaufenden, mit einer Verzahnung
versehenen Kolben ergeben keinen gleichförmigen Fluß des Antriebs- oder Fördermittels
von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung des Arbeitsraumes.
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Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer insbesondere für flüssige
Arbeitsmittel bestimmten Drehkolbenmaschine, in der mehrere, vorzugsweise vier Kolben
mit periodisch wechselnder Winkelgeschwindigkeit in einem mit einer Ein- und Austrittsöffnung
versehenen ringförmigen Arbeitsraum dicht schließend umlaufen und bei der die Kolben
durch ein kinematisches System mit einer im festen Verhältnis, vorzugsweise 1::2,
zueinander stehenden, ihren Umlauf bewirkenden Bewegung zwangläufig. gekuppelt sind,
einen gleichförmigen Fluß des Arbeitsmittels zu erreichen. Diese Aufgabe wird durch
die Erfindung dadurch gelöst, daß mindestens einer der Kolben auf seiner abgeschlossenen
Bahn in dem ringförmigen Arbeitsraum zwischen Eintrittsöffnung und Austrittsöffnung
mit dem mit hoher Drehzahl umlaufenden kinematischen System und zwischen Austrittsöffnung
und Eintrittsöffnung mit dem mit der proportional abhängigen niedrigen, vorzugsweise
halben Drehzahl umlaufenden kinematischen System gekuppelt wird, wobei ohne Einfluß
auf den stetig erfolgenden Strömungsvorgang der Geschwindigkeitswechsel der einzelnen
Kolben im Bereich der verlängerten Eintritts- und Austrittsöffnung des Arbeitsraumes
vorgesehen ist.
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Es befindet sich daher immer ein Kolben in dem ringförmigen Arbeitsraum
zwischen der Eintrittsöffnung und Austrittsöffnung, während mindestens ein Kolben
den Arbeitsraum in der Drehrichtung zwischen der Austrittsöffnung und der Eintritts-
-öffnung sperrt. Hier wird die Geschwindigkeit eines an der Förderung beteiligten
Kolbens niemals Null, sondern der Kolben wandert mit- der halben Geschwindigkeit
von der Austrittsöffnung in die Nähe der Eintrittsöffnung, wo seine Geschwindigkeit
wieder verdoppelt wird. Es werden daher stetig neue Förderkolben bereitgestellt,
so daß eine ununterbrochene, gleichmäßige, stetige Strömung des Arbeitsmittels stattfindet.
Es bewegt sich also der Kolben auf dem Wege von der Eintrittsöffnung etwa unter
denselben Bedingungen wie ein einzelner Kolben in einem unendlich langen Zylinder.
Da die Kolben auf ihrer Bahn zwischen der Austrittsöffnung und der Eintrittsöffnung
mit der halben Geschwindigkeit vorrücken, wird die Förderung wohlauf die Hälfte
herabgesetzt, aber es steht immer ein neuer Kolben bereit, um seinen Platz in diesem
unendlich langen Zylinder einzunehmen. Bei dem Geschwindigkeitsverhältnis von 1:2
sind hierbei vier Kolben erforderlich.
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Nach einem weiteren Erfindungsgedanken haben die Eintritts- und Austrittsöffnungen
des Arbeitsraumes in der Umfangsrichtung eine größere Länge als die einzelnen Kolben.
Dies hat den Vorteil, daß -auf einen augenblicklichen Wechsel der Kolbengeschwindigkeit
verzichtet werden kann, indem man den Umsteuerungsvorgang in den Zeitpunkt verlegt,
in dem der Kolben sich im Bereich der Ein- bzw. Austrittsöffnung befindet. Dies
ist für größere Meßpumpen von besonderer Bedeutung, da ein schlagartiges Verändern
der Geschwindigkeit zu unzulässigen Beschleunigungskräften führen würde, die bei
der Drehkolbenmaschine gemäß der Erfindung auch bei größeren Abmessungen nicht auftreten.
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Die Ausbildung der Drehkolbenmaschine gemäß der Erfindung ergibt einen
gleichförmigen Fluß des Arbeitsmittels von der Eintrittsöffnung durch den ringförmigen-Arbeitsraum
zu der Austrittsöffnung, wobei dieser Fluß einer zentralen Bewegung gegenüber verhältnisgleich
ist. Wird beispielsweise mit der zentralen Bewegung ein Zeigerwerk gekuppelt, so
kann der Fluß des Fördermittels so genau angezeigt werden, daß eine eichförmige
Messung ermöglicht wird, wobei dieses Verhältnis nicht nur für ganze Umläufe der
Kolben, sondern auch für Bruchteile davon bestehenbleibt. Da die Kolben bei ihrem
Umlauf durch den ringförmigen Arbeitsraum auf ihrer Bahn zwischen der Eintrittsöffnung
und der Austrittsöffnung eine größere Geschwindigkeit haben als auf dem restlichen
Teil des ringförmigen Arbeitsraumes, wird an der Eintrittsseite der freie Ringraum
stets vergrößert, und das Förden-- oder Antriebsmittel kann ungehindert in den Arbeitsraum
eintreten. Der an der Eintrittsöffnung mit hoher Geschwindigkeit vorbeibewegte Kolben
schiebt das Mittel unter ständiger Abnahme des freien Ringraumes zwischen sich und
der übrigen Kolbengruppe, die sich zwangläufig mit geringerer Geschwindigkeit zwischen
der Austritts-und Eintrittsöffnung entlang bewegt, vor sich her zur Austrittsöffnung,
so daß das Mittel durch den ringförmigen Arbeitsraum im gleichmäßigen Strom fließt.
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In einer vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung wird als kinematisches
System ein Zahnrädergetriebe verwendet, das mit einer an der äußeren und inneren
Seite der Kolben vorgesehenen Verzahnung im Eingriff steht und dessen Zahnräder
über den Umfang des ringförmigen Arbeitsraumes verteilt sind. Hierbei -haben die
zwischen Eintrittsöffnung und Austrittsöffnung des Arbeitsraumes angeordneten Zahnräder
eine größere Umfangsgeschwindigkeit und erteilen den. Kolben eine größere Winkelgeschwindigkeit
als die zwischen Austritts- und Eintrittsöffnung angeordneten Zahnräder.
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Die Erfindung soll an Hand der Abb. r näher erläutert werden, in der
eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung sinnbildlich in vereinfachter
Form dargestellt ist, und zwar bei Ver-
Wendung von vier Kolben
i bis 4, die in einem ringförmigen Arbeitsraum 5 umlaufen. Dieser hat eine Eintrittsöffnung
6 und eine Austrittsöffnung 7. Jeder Kolben hat auf dem Wege a-b-c eine Geschwindigkeit
v1 und auf dem restlichen Weg des ringförmigen Arbeitsraumes c-a eine Geschwindigkeit
v2. In der in Abb. i gezeichneten Stellung wechseln die Kolben 2 und 4 gerade die
Geschwindigkeit. Es sei angenommen, daß die Geschwindigkeit v1 = 2 * v2 ist.
Ist der Querschnitt der Kolben f, so tritt von der Eintrittsöffnung 6 zur Austrittsöffnung
7 ein Fluß des Arbeitsmittels O = f - (v1 - v2) ein. Je nachdem, ob
die Druckdifferenz von der Eintrittsöffnung 6 zur Austrittsöffnung 7 negativ oder
positiv ist, wird von der Drehkolbenmaschine äußere Arbeit aufgenommen oder abgegeben,
d. h. sie wirkt entweder als Arbeitsmaschine oder als Kraftmaschine. Diese äußere
Arbeit kann vorzugsweise in dem Antrieb eines Anzeigewerkes bestehen, welches den
gleichbleibenden Fluß des Mittels angibt, so daß die Einrichtung als Meßeinrichtung
wirkt. Sie kann aber auch als Pumpe benutzt werden.
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Wird die Drehkolbenmaschine als Arbeitsmaschine, z. B. als Pumpe,
verwendet, so wird der mit der Geschwindigkeit v1 durch den eigentlichen Arbeitsraum
5 umlaufende Kolben von außen angetrieben. Sowie die Stirnseite des Kolbens 4 aus
der in Abb. i gezeichneten Stellung in den Arbeitsraum 5 eintritt, wird von dem
jetzt auf die Arbeitsgeschwindigkeit v, beschleunigten Kolben 4 auf die Eintrittsöffnung
6 .eine Saugwirkung ausgeübt, so daß das Arbeitsmittel in gleichmäßigem Strom in
den Arbeitsraum 5 eintritt, solange der Kolben mit der Geschwindigkeit v, durch
den Arbeitsraum 5 bewegt wird. Der Kolben schiebt dabei die in der Bewegungsrichtung
vor ihm befindliche Menge des Arbeitsmittels vor sich her und drückt sie in die
Austrittsöffnung 7, bis er am Ende seines Arbeitshubes die Stelle des Kolbens 2
erreicht hat. Inzwischen ist der mit der kleineren Geschwindigkeit v2 bewegte Kolben
aus der Stellung 4 nach Bestreichen der Eintrittsöffnung 6 in den Arbeitsraum 5
gelangt und wird hierbei von seiner Geschwindigkeit v2 auf die z. B. doppelte Geschwindigkeit
v1 beschleunigt, während der Kolben i an der Stelle 2 auf. die Geschwindigkeit v2
verzögert wird.
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Diese verschiedenen Geschwindigkeiten der Kolben können durch ein
Zahnradgetriebe erhalten werden, das die Kolben mit einer Antriebskraft, z. B. einem
Motor, kuppelt. Die Antriebsräder können mit den Kolben in einfacher Weise dadurch
gekuppelt werden, daß die Kolben an ihrer Innen- und Außenseite mit einer Verzahnung
versehen werden. Damit die Zahnräder, deren Umfangsgeschwindigkeiten den veränderlichen
Kolbengeschwindigkeiten v1 und v2 entsprechen, zwangläufig und genau in die Verzahnung
der Kolben eingreifen, ist jeweils an den Stellen, wo die Geschwindigkeit der Kolben
wechselt, ein besonderes Zahnrad vorgesehen, das bei gleichem Teilkreisdurchmesser
und kongruenter Zahnform wie die übrigen Zahnräder eine verringerte Zähnezahl und
dadurch bei vi = 2 - v2 jeweils die Hälfte und bei v1 = 3 - v2 jeweils ein
Drittel der Zähnezahlen der Antriebsräder aufweist. Auf diese Weise wird ein glätter
Geschwindigkeitswechsel der einzelnen Kolben erhalten.
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Eine Ausführungsform der Drehkolbenmaschine gemäß der Erfindung ist
in Abb. 2 im Längsschnitt und Abb. 3 im Querschnitt beispielsweise dargestellt.
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In dem Gehäuse 18 ist ein ringförmiger Arbeitsraum 15 eingearbeitet,
der außen und innen durch das Gehäuse i8 begrenzt ist. Der Arbeitsraum 15 hat eine
Eintrittsöffnung 16 und eine Austrittsöffnung 17. Beide Öffnungen 16, 17 sind schlitzförmig
ausgebildet und haben eine größere Breite als die Länge der vier Kolben i i bis
14, die in dem ringförmigen-Arbeitsraum 15 geführt sind. Dieser hat rechteckigen
Querschnitt. Den gleichen rechteckigen Querschnitt haben die Kolben i i bis 14,
die dadurch den Arbeitsraum 15 gut abdichten. Sie sind an ihrem äußeren und inneren
Umfang mit einer Verzahnung versehen. An dem inneren Umfang des Arbeitsraumes 15
sind unter der Voraussetzung, daß die Geschwindigkeit des jeweils den Arbeitsraum
15 durchlaufenden Kolbens v1 = 2 * v2 ist, sechs Zahnräder 21 bis 26 angeordnet,
von denen die Zahnräder 2i bis 25 jeweils in die Verzahnung des den Arbeitsraum
15 mit der Geschwindigkeit v1 durchlaufenden Kolbens i i eingreifen und mit der
doppelten Drehzahl umlaufen, wie das die gleiche Zähnezahl und den gleichen Durchmesser
aufweisende Zahnrad 26. In die äußere Verzahnung der Kolben i i bis 14 greifen die
Übergangszahnräder i9 und 2o ein, die bei kongruenter Zahnform die halbe Zähnezahl
und dementsprechend doppelt so große Zahnlücken aufweisen wie die inneren Zahnräder
21 bis 26. Sämtliche Antriebszahnräder der vier Kolben werden von der zentralen
Welle 27 angetrieben, die mit einem Antriebsmotor gekuppelt ist, wenn die Maschine
als Pumpe arbeitet. Zu diesem Zweck ist auf der einen Seite des Gehäuses 18 auf
der Welle 27 ein Zahnrad 28 angeordnet, das im dauernden Eingriff mit den auf den
Wellen der Antriebsräder 21 bis 25 sitzenden fünf Zahnrädern 29 steht und die aufeinander
abgestimmte zwangläufige Bewegung aller Zahnräder 21 bis 25 bewirkt. Das Übergangsrad
2o erhält seinen Antrieb von dem auf seiner Welle sitzenden Zahnrad 3o, das in das
untere der Zahnräder 29 eingreift und den gleichen Durchmesser und die gleiche Zähnezahl
wie dieses hat. Zum Antrieb der mit der halben Drehzahl umlaufenden Antriebsräder
26 und i9 dient das an der anderen Seite des Gehäuses 18 auf der Welle 27 angeordnete
Zahnrad 31, das. über das Getrieberad 32 das Antriebsrad 26 und über die Getrieberäder
33 und 34 das Übergangsrad i9 mit der halben Drehzahl der übrigen Antriebsräder
antreibt.
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Bei richtiger Abstimmung der Entfernung der Zahnräder 21 bis 26 voneinander
gelangt der erste Zahn des Kolbens 14 unter Ausnutzung der verbreiterten
Zahnlücken
des außenliegenden ' Zahnrades 2o so in die Eingriffsstellung, daß die Zähne 21
glatt und stoßfrei in die innere Verzahnung. des Kolbens 14 eingreifen. Da die einzelnen
Kolben i i bis 14 nur eine kleine bewegte Mässe haben, so ist die schlagartige Beschleunigung
der Kolben auf die doppelte Geschwindigkeit ohne Schwierigkeiten durchführbar. Der
Kolben 14 wird durch das Zahnrad 21 auf die doppelte seiner bisherigen Geschwindigkeit
beschleunigt und .nacheinander von den Zahnrädern 22, 23, 24, 25 erfaßt. Letzteres
schiebt den Kolben nach seinem Durchgang durch den Arbeitsraum 15 dem außenliegenden
Zahnrad i9 zu, das. ebenso wie das Zahnrad 2.o infolge der halben Zähnezahl dreifach
so breite Zahnlücken als die übrigen. Zahnräder aufweist, so daß hierdurch der Kolben
auf die halbe Geschwindigkeit abgebremst wird, mit welcher er glatt von dem Zahnrad
26 erfaßt wird, das die halbe Teilkreisgeschwindigkeit ihat wie die Zahnräder 21
bis 25.
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In` der Darstellung der Abb. 3 ist der Abstand der Zahnräder 21 und
26 größer als. z. B. der Abstand der Zahnräder 21 und 22. Dies ist unbedenklich,
da die aneinanderliegenden Kolben 12, 13, 14 auf dem Wege von dem Zahnrad 26 zum
,Zahnrad 21 zwangläufig mit der kleineren Geschwindigkeit v2 nachgeschoben werden.
Beim Zusammenbau der Zahnräder muß sichergestellt werden, daß diese von den Kolben
12, 13, 14 gebildete Kolbenkette in der Bewegungsrichtung hinter dem Zahnrad 25
bei dem Übergangszahnrad i9 festgeschlossen wird, damit die Kolben auf diesem TEil
des Umfangs zwangläufig nachgeschoben werden und die einmal eingestellte Bewegung
der Kolben aufrechterhalten bleibt.
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Die V°.rzahnung der Kolben kann außer am inneren- oder äußeren Umfang
auch an der Seite der. Koben angeordnet sein. Sie kann die ganze Kolbenbreite einnehmen
oder wie in dem dargestellten Ausführungsbeispiel schmäler als die Breite der Kolben
sein. Wesentlich ist, daß die Zähne der Kolben den äußeren oder inneren Durchmesser
des Gehäuses oder Arbeitsraumes voll erreichen. Der Abstand der Zahnräder, das.
Bogenmaß d-e, muß kleiner als eine. Kolbenlänge sein. Die Länge der Kolben ergibt
sich vor allem aus dem Verhältnis v1 : v2 und ihrer Anzahl.
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Die Bauartgemäß Abb. 2 und 3 arbeitet grundsätzlich nach beiden Umlaufrichtungen
in gleicher Weise, jedoch würden bei der Anordnung gemäß Abb. 2 und 3 bei der Änderung
der Drehrichtung Schwierigkeifenr bei der Fortleitung der Kolben entstehen. Soll
die Drehkolbenrriaschine in beiden Richtungen gleichmäßig arbeiten, so empfiehlt
es sich, die außenliegenden Übergabezahnräder ig,und 2o doppelt vorzusehen, wie
dies in Abb.4 dargestellt ist. Diese Ausführung entspricht grundsätzlich derjenigen
gemäß Abb.2 und 3, nur sind außer den Übergabezahnrädern i9 und 2o noch zwei weitere
am Außenumfang des Arbeitsraumes angeordnete Zahnräder 41 und 42 mit verringerter
Zä$nezahl vorgesehen. Außerdem ist neben dem mit der halben Teilkreisgeschwindigkeit
umlaufenden Zahnrad 26 noch ein weiteres gleichfalls mit der halben Teilkreisgesehwindigkeit
umlaufendes Zahnrad .43 vorgesehen. Die übrige Ausbildung der Drehkolbenmaschine
entspricht derjenigen gemäß Abb. 2 und 3.
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Bei den dargestellten Ausführungsformen sind sämtliche mit den gezahnten
Kolben im Eingriff stehenden Zahnräder durch außerhalb des Gehäuses 18 angeordnete
Zwischenzahnräder mit der Antriebswelle 27 gekuppelt. An Stelle dieser Zwischenräder
kann -zum Antrieb der in die Kolben eingreifenden Zahnräder ein Kettengetriebe,
z. B. eine Zahnkette oder eine Blockkette, verwendet werden.
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Von besonderer Bedeutung ist es, daß die Ansaugöffnung 16 und Drucköffnung
17 in der Umfangsrichtung länger sind als die einzelnen Kolben, da hierdurch Druckstauungen
in den Zuflußleitungen vermieden und die Vorteile der ununterbrochenen Förderung
während des Arbeitshubes voll ausgenutzt werden.
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Dient die Drehkolbenmaschine als Meßgerät, so wird zweckmäßig auf
der Welle 27 der Zeiger eines Zählwerks angebracht, das in der üblichen Weise ausgebildet
sein kann: Die so erhaltene Meßeinrichtung kann sowohl für flüssige als auch für
gasförmige Mittel Anwendung finden. Auch kann die Drehkolbenmaschine gemäß der Erfindung
ohne grundsätzliche Änderung ihres Aufbaues als beliebige Kraftmaschine, z. B. als
Druckluftmotor oder auch als Verbrennungskraftmaschine, ausgebildet werden.