EP0339034B1

EP0339034B1 - Rotationskolbenmaschine mit dichtleisten

Info

Publication number: EP0339034B1
Application number: EP88900348A
Authority: EP
Inventors: Dietrich Dipl.-Ing. Densch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-12-31
Filing date: 1987-12-31
Publication date: 1992-08-05
Anticipated expiration: 2007-12-31
Also published as: EP0339034A1; WO1988005119A1; DE3780968D1; JPH02501840A; US4968234A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Rotationskolbenmaschine mit Dichtleisten nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Bei der aus der US-A-3 809 026 vorbekannten Rotationskolbenmaschine mit Dichtleisten dieser Art sind die Rotoren im Querschnitt elliptisch und die Dichtleisten aus runden Dichtstangen aufgebaut, die über das Verbindungsteil miteinander verbunden sind. Aufgrund dieser Konstruktion liegt im allgemeinen nur eine der zwei Dichtstangen einer Dichtleiste an den Mantelflächen der Rotoren an, die andere Dichtstange steht frei und ohne Anlage vor, in Figur 8 der genannten Patentschrift ist dies dargestellt. Die Dichtleisten sind somit nicht geführt und müssen durch zusätzliche Hilfsmittel, wie beispielsweise den Innendruck, in die Dichtposition gebracht werden.
Hier setzt die Erfindung ein. Sie hat es sich zum Ziel gemacht, das Dichtsystem einer speziellen Rotationskolbenmaschine, die einen inneren, radial nur durch mindestens drei Drehkolben begrenzten Arbeitsraum aufweist, zu verbessern.
Hiervon ausgehend schlägt die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe vor, daß die Stirnflächen der Drehkolben durch mehrere Kreisbögen begrenzt sind, die zwei unterschiedliche Radien R, r haben, von denen die Kreisbogenstücke mit gleichem Radius R bzw. r untereinander jeweils gleiche Bogenlänge haben, die abwechselnd an Verbindungspunkten aneinandergesetzt sind und an diesen tangential ineinander übergehen, wobei der radiale Abstand der Achslinien der Wellen um das Maß des Spältes S zwischen den benachbarten Drehkolben größer ist als die Summe (R + r) aus den beiden unterschiedlichen Radien R, r und die Dichtstangen jeweils das Profil eines gleichschenkligen, abgestumpften Dreiecks haben, anbei die Spitzen der Dreiecke aufeinanderweisen, die Basen parallel zueinander verlaufen und für den Winkel phi zwischen der Verbindungslinie der gegenüberliegenden, abgestumpften Spitzen der gleichschenkligen Dreiecke und ihren Schenkeln die Beziehung gilt $cos phi = \frac{r + R}{r + R + S′ - K}$
wobei K der auf eine Parallele zu den Basen projizierte Abstand der jeweils parallelen Schenkel ist und K positiv, negativ und Null sein kann.
Derartige Dichtleisten sind einfach ausgebildete und damit auch einfach herzustellende Teile, sie lassen sich axial in den Spalt zwischen zwei benachbarten Drehkolben einschieben und somit einfach montieren. Sie können dadurch auch einfach ausgetauscht werden, indem eine Stirnwand des Gehäuses entfernt wird.
Die Dichtleisten sind mit den Drehkolben, die sie gegeneinander abdichten, nicht fest verbunden, vielmehr werden sie dadurch an ihrem Platz gehalten, daß sich die eine Dichtstange auf der einen Seite des Spaltes, die andere auf der anderen Seite des Spaltes befindet, beide identisch ausgebildete Dichtstangen aber so große Querschnittsabmessungen haben, daß sie nicht durch den Spalt hindurchbewegt werden können. Auf Grund des sie verbindenden Verbindungsteils können sie sich auch nicht voneinander entfernen. Sie werden daher im allgemeinen axial zwischen zwei benachbarte Drehkolben eingeschoben oder entfernt. In einer bevorzugten Ausbildung wird vorgeschlagen, das Verbindungsteil an mindestens einer Seite lösbar mit der dort befindlichen Dichtstange auszubilden. Hierbei kann die eine Dichtstange mit dem Verbindungsteil beispielsweise über eine Schraubverbindung, über Haken, eine Klippsverbidung oder dergleichen verbunden sein. Derartige demontierbare Dichtleisten sind für spezielle Montage- und Demontagezwecke günstig.
Der Spalt zwischen zwei benachbarten Drehkolben wird durch die Kreisbögen mit unterschiedlichen Radien begrenzt, aus denen die Drehkolben erzeugt sind. Je nach Relativposition zweier benachbarter Drehkolben zueinander wird der Spalt begrenzt durch einen Kreisbogen mit großen Radius R auf der einen Seite und einem Kreisbogen mit kleinerem Radius r auf der anderen Seite, einer Mischform beider Kreisbögen im Bereich der Verbindungspunkte, oder einem Kreisbogen mit kleiner Radius r auf der einen Seite und einem Kreisbogen mit dem großen Radius R auf der anderen Seite. Beim praktischen Betrieb verändert sich also die Form des Spaltes ständig. Zwar bleibt seine Spaltbreite an der engsten Stelle stets konstant, es ändert sich aber der Abstand der gekrümmten Flächen der benachbarten Drehkolben in einem gewissen Abstand von diesem Spalt. Anders ausgedrückt wird der Zugang zum Spalt periodisch enger und weiter, wobei die eigentliche Spaltbreite aber ungeändert bleibt.
Diesen Veränderungen des Spaltes muß durch die Gestaltung der Dichtleisten Rechnung getragen werden. Hierzu ist der durch das Verbindungsteil bestimmte Abstand der beiden Dichtstangen quer zu ihrer Längsrichtung so gewählt, daß die Dichtleisten stets und in allen Positionen der Drehkolben zueinander etwas Spiel quer zum Spalt aufweisen. Dies bedeutet aber, daß sich die Dichtleisten beim praktischen Betrieb stets etwas hin- und herbewegen. Dabei spielen sich folgende Vorgänge ab: Wird der von dem Drehkolben eingeschlossene innere Arbeitsraum mit Druck beaufschlagt, so wird die in ihm befindliche Dichtstange jeder Dichtleiste nach außen gedrückt und bewirkt eine Abdichtung. Bei umlaufendem Motor kommen zudem Massenträgheitskräfte hinzu, die eine Anlage der einen oder der anderen Dichtstange der Dichtleiste bewirken - je nachdem, ob sich der Spalt auf Grund der Drehung der benachbarten Drehkolben vom Mittelpunkt des inneren Verbrennungsraumes entfernt oder sich diesem nähert.
Alternativ wird vorgeschlagen, die beiden Dichtstangen jeder Dichtleiste durch Federn gegeneinander zu ziehen, durch die sichergestellt wird, daß beide Dichtstangen sich zwar entsprechend der Verformung des Spaltes jeweils voneinander entfernen und aufeinander zubewegen können, aber dennoch beide stets dichtend anliegen. Hierdurch wird zugleich bei einer Abnutzung der Dichtstangen und gegebenenfalls der Umfangsflächen der Drehkolben erreicht, daß trotz verringerter Abmessungen auf Grund Abnutzung stets eine dichtende Anlage erzielt wird.
Weitere Vorteile und Nerkmale der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen sowie der nun folgenden Beschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen, die unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert werden. In dieser zeigen:

Fig. 1 ein Schnittbild durch eine Rotationskolbenmaschine nach der Erfindung mit eingelegten Dichtleisten,
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Dichtleiste,
Fig. 3 eine Darstellung entsprechend Figur 2,
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung einer Dichtleiste mit elastischem Verbindungsteil,
Fig. 5 eine Stirnansicht eines Drehkolbens
Fig. 6 ein Schnittbild durch zwei Drehkolben einer Rotationskolbenmaschine mit Dichtleiste, die durch Geraden begrenzt ist.

In Figur 1 ist schnittbildlich eine Kolbenanordnung 20 einer Rotationskolbenmachine gezeigt, die sich in einem gasdichten Innenraum 22 eines Gehäuses 24 befindet. Sie ist durch drei untereinander gleich ausgebildete Drehkolben 26 ausgebildet, die als gerade Prismen ausgeführt sind. In der Figur 1 sieht man ihre Querschnittsflächen, die Stirnflächen sind identisch. Die Stirnflächen sind durch insgesamt sechs Kreisbogenstücke 28, 30, (bzw. vier Kreisbogenstücke 28, 30 in Figur 5) begrenzt, die unterschiedliche Radien, nämlich einen größeren Radius R und einen kleineren Radius r, haben. Die Kreisbogenstücke mit gleichem Radius R bzw. r haben untereinander jeweils gleiche Bogenlänge. Die Kreisbogenstücke 28, 30 sind abwechselnd an Verbindungspunkten aneinandergesetzt, in diesen gehen sie tangential ineinander über.
Jeder Drehkolben 26 hat eine ihm zugeordnete, mit ihm drehfest verbundene, im Gehäuse 24 drehgelagerte Welle, die durch seine geometrische Mittelachse verläuft. Die einzelnen Wellen sind durch ein Getriebe miteinander drehsynchronisiert, so daß die relative Winkelstellung der einzelnen Drehkolben 26 zueinander erhalten bleibt. Die Drehkolben 26 sind im Sinne eines Pfeils 36 in gleichem Drehsinn drehbar. Die Stirnflächen der Drehkolben 26 sind miteinander fluchtend angeordnet, befinden sich also in jeweils gleichen Ebenen.
Die drei Drehkolben 26 begrenzen seitlich durch ihre gekrümmten Umfangsflächen einen inneren Arbeitsraum 38, der an seinen Endbereichen durch Flächen des Gehäuses 24 begrenzt ist.
Der radiale Abstand von Achslinien 40 der Wellen 34 benachbarter Drehkolben 26 ist um das Maß eines Splates S größer als die Summe aus den beiden unterschiedlichen Radien, also R + r. Dadurch bleibt der genannte Spalt S zwischen benachbarten Drehkolben 26 frei. Seine Spaltbreite S′ an der engsten Stelle ist auf Grund der Formgebung der Drehkolben 26 und ihrer geometrischen Anordnung auf den Wellen 34 konstant.
Die Abdichtung zwischen benachbarten Drehkolben 26 wird durch Dichtleisten 42 erreicht, insgesamt sind ebenso viele Dichtleisten 42 vorgesehen wie Spalten S zwischen den Drehkolben 26. Die Dichtleisten sind aus zwei zueinander parallelen Dichtstangen 44, 46 und einem diese verbindenden Verbindungsteil 48 zusammengesetzt. Die Dichtstangen 44, 46 sind vorzugsweise identisch ausgebildet und haben die Länge der Drehkolben 26. Sie weisen eine Querschnittsbreite Q auf, die größer ist als die Breite des Spaltes S, wodurch verhindert wird, daß sie durch den Spalt S rutschen können. Die beiden Dichtstangen 44, 46 einer Dichtleiste befinden sich beidseits des Spaltes S. Den Spalt selbst durchquert das Verbindungsteil 48, das schmaler ist als die Breite des Spaltes S.
Im Ausführungsbeispeil nach den Figuren 1 und 2 haben die Dichtstangen 44, 46 ein abgestumpftes Dreiecksprofil, das Verbindungsteil wird durch einen schmalen Steg gebildet, der zum Zwecke der Gewichtsersparnis Ausnehmungen 50 hat. In einem praktischen Beispiel beträgt der große Radius R gleich 60 Millimeter, der kleine Radius r gleich 15 Millimeter.
Im Ausführungsbeispeil nach Figur 3 sind die beiden Dichtstangen 44, 46 Rohre, die zugleich für die Zufuhr eines Schmiermittels verwendet werden. Die Verbindungsteile 48 sind querlaufende Rohre, die Öffnungen für den Austritt von Schmiermittel haben. Insgesamt hat diese Dichtleiste 42 die Form einer Leiter mit Holmen, die ein abgestumpftes Dreiecksprofil haben, und runden Stegen.
Im Ausführungsbeispeil nach Figur 4 ist schließlich eine Dichtleiste 42 gezeigt, bei der die beiden Dichtstangen 44, 46 abgestumpften Dreiecksquerschnitt haben. Die abgestumpften Spitzen weisen zueinander. Das Verbindungsteil 48 ist wiederum in Form von runden Sprossen ausgeführt, diese sind an ihrem einen Endbereich starr mit der unteren Dichtstange 44 verbunden, ragen aber mit ihrem anderen Endbereich durch Öffnungen in der oberen Dichtstange 46 hindurch. Sie enden oben in Tellern 52. Zwischen diesen und der ebenen Oberfläche der oberen Dichtstange 46 sind Schraubendruckfedern 54 angeordnet, die die beiden Dichtstangen 44, 46 gegeneinenader pressen. Dadurch wird - wie oben beschrieben - bewirkt, daß die beiden Dichtstangen 44, 46 jeweils in Anlage an den Mantelflächen der Drehkolben 26 sind und kein Spiel auftritt, wie es im Ausführungsbeispiel nach den Figuren 2 und 3 zwangsläufig vorhanden ist.
Die Drehkolben 26 im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 haben eine 120 Grad-Drehsymmetrie. Es können auch Drehkolben 26 mit anderen Drehsymmetrien verwendet werden, beispielsweise mit 180 Grad-Drehsymmetrie, hierzu wird auf Figur 5 und zugleich auf die Anmeldung vom gleichen Tag desselben Anmelders "Stirlingmaschine ..." verwiesen, deren Inhalt voll umfänglich zur Offenbarung der vorliegenden Anmeldung gehört, DE-A-3644833.8, 31. Dez. 86.
Die Konstruktion der Stirnseiten bzw. Querschittsflächen der Drehkolben 26 ist aus Figur 5 für den Fall einer 180 Grad-Drehsymmetrie ersichtlich. Die dort gezeigten Drehkolbenquerschnitte sind im wesentlichen ellipsenförmig. Die Ellipse Spalt zwei Hauptbalbachsen und zwei Hauptnebenachsen, die jeweils von dem Mittelpunkt ausgehen, dieser ist der Schnittpunkt der Achslinie 40 der zugehörigen Welle 34 mit der Papierebene. Die beiden Haupthalbachsen stehen 180 Grad zueinander, sie verlaufen in der Abbildung von oben nach unten. Die beiden Nebenhalbachsen stehen ebenfalls im Winkel von 180 Grad zueinander, sie verlaufen von links nach rechts und im Winkel von 90 Grad zu den beiden Haupthalbachsen.
Für die Konstruktion wird um die Achslinie 40 ein Kreis mit dem Radius r_T geschlagen, der die beiden 90 Grad zueinander stehenden Haupt- und Nebenachslinien in insgesamt vier Punkten 56 bis 62 schneidet. Um die Schnittpunkte 56, 58 mit den Nebenachslinien wird ein Kreisbogen mit dem groben Radius R geschlagen. Um die beiden Punkte 60, 62, die die Schnittpunkt des Kreises mit dem Radius r_T mit den beiden Hauptachslinien sind, werden Kreise mit dem kleineren Radius r geschlagen. Die Radien hängen über die folgende Formel miteinander zusammen: ${R - r = 2r}_{T} x cos \frac{90}{n}$
Im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ist n gleich drei, im Ausführungsbeispiel nach Figur 5 ist n gleich zwei.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 haben die Dichtstangen 44, 46 der Dichtleiste 42 jeweils das Profil eines gleichschenkligen Dreiecks bzw. abgestumpften Dreiecks. Die Spitzen beider Dreiecke weisen aufeinander, die Basen 64 verlaufen parallel zueinander und rechtwinklig zu einer Verbindungslinie 65 der ihnen gegenüberliegenden Spitzen. Beide Dreiecke sind deckungsgleich. Mit K ist der auf eine Parallele zu den Basen 64 projizierte Abstand der jeweils parallenen Schenkel 66, 67 bezeichnet, phi ist der Winkel zwischen der Verbindungslinie 65 und den Schenkeln 66, 67. Es gilt $cos φ = \frac{r + R}{r + R + S′ - K}$
K kann positiv, negativ und null sein, der positive Fall ist in Fig. 6 gezeigt. Der Vorteil der Anordnung gem. Fig. 6 liegt in der exakten Passung. Der Verbindungsteil 48 kann beliebig, z. B. wie in den zuvor besprochenen Ausführungsbeispielen, ausgeführt sein.

Claims

1. Rotationskolbenmaschine

A. mit einer in einem gasdichten Innenraum (22) eines Gehäuses (24) untergebrachten Kolbenanordnung (20), die aus mindestens drei einzelnen Drehkolben (26) aufgebaut ist,

- welche untereinander gleich ausgebildet sind,

- die als gerade Prismen ausgebildet sind, deren Stirnflächen von Bögen begrenzt sind,

- die mit ihnen jeweils zugeordneten, im Gehäuse (24) drehgelagerten, durch ihre geometrische Mittelachse verlaufenden und über ein Getriebe miteinander drehsynchronisierten Wellen (34) drehfest verbunden sind, mit denen sie im gleichen Drehsinn (36) drehbar sind,

- die miteinander fluchtend angeordnete Stirnflächen haben, und

- die einen inneren Arbeitsraum (38) seitlich durch ihre gekrümmten Umfangsflächen begrenzen,

wobei zwischen benachbarten Drehkolben (26) in jeder Position ein Spalt S mit einer Breite S′ vorliegt,

B. und mit Dichtleisten (42), wobei jedem Spalt S eine Dichtleiste (42) zugeordnet ist, die jeweils zwei zueinander parallele Dichtstangen (44, 46) aufweist,

- die eine Querschnittsbreite haben, die größer ist als die Breite S′ des Spaltes S und

- die jeweils deckungsgleich sind, die durch ein Verbindungsteil (48) miteinander verbunden sind, das schmaler ist als die Breite S′ des Spaltes S und

- die eine Länge aufweisen, die im wesentlichen der Länge der Drehkolben (26) entspricht,

dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen der Drehkolben (26) durch mehrere Kreisbögen (28) begrenzt sind, die zwei unterschiedliche Radien R, r haben, von denen die Kreisbogenstücke mit gleichem Radius R bzw. r untereinander jeweils gleiche Bogenlänge haben, die abwechselnd an Verbindungspunkten (32) aneinandergesetzt sind und an diesen tangential ineinander übergehen, wobei der radiale Abstand der Achslinien (40) der Wellen (34) um das Maß des Spaltes S zwischen den benachbarten Drehkolben (26) größer ist als die Summe (R + r) aus den beiden unterschiedlichen Radien R, r und die Dichtstangen (44, 46) jeweils das Profil eines gleichschenkligen, abgestumpften Dreiecks haben, wobei die Spitzen der Dreiecke aufeinanderweisen, die Basen (64) parallel zueinander verlaufen und für den Winkel phi zwischen der Verbindungslinie (65) der gegenüberliegenden, abgestumpften Spitzen der gleichschenkligen Dreiecke und ihren Schenkeln (66, 67) die Beziehung gilt

cos phi = \frac{r + R}{r + R + S′ - K}

wobei K der auf eine Parallele zu den Basen (64) projizierte Abstand der jeweils parallelen Schenkel (66, 67) ist und K positiv, negativ und Null sein kann.

2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsteil (48) elastisch ist und eine die beiden Dichtstangen (44, 46) gegeneinander ziehende Vorspannung hat.

3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 oder, 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Verbindungsteils (48) fünf Prozent bis fünfzig Prozent kleiner ist als die Breite S′ des Spaltes S.

4. Rotationskolbenmaschinenach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtstangen (44, 46) eine Ölbohrung für die Zufuhr von Schmieröl in den Dichtbereich zwischen den Drehkolben (26) aufweisen.

5. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Dichtstange (44 oder 46) der Dichtleiste (42) mit dem Verbindungsteil (48) lösbar verbunden ist.

6. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ebenso viele Dichtleisten (42) wie Drehkolben (26) vorgesehen sind.

7. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehkolben (26) eine 180 Grad- oder 120 Grad-Drehsymmetrie haben.

8. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtstangen (44, 46) mittels Druckfedern (54) an die Drehkolben angedrückt werden.

9. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtstangen in Längsrichtung ebene Dichtflächen aufweisen und mit diesen an den Drehkolben anliegen.

10. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Radien R und r der Kreisbögen (28, 30) über die Formel

{R - r = 2r}_{T} x cos \frac{90}{n}

miteinander zusammenhängen, wobei die Mittelpunkte der Kreisbögen (28, 30) auf Haupt- und Nebenachslinien des ellipsenähnlichen Drehkolbenquerschnittes liegen und von Schnittpunkten (56, 58, 60, 62) dieser Haupt- und Nebenachslinien einen Abstand r_T haben und wobei n ganzzahlig ist.