EP3055573B1

EP3055573B1 - Strömungsmaschine welche sowohl als hydraulischer motor als auch als pumpe betrieben werden kann.

Info

Publication number: EP3055573B1
Application number: EP14809757.9A
Authority: EP
Inventors: Reginald BAUM; Robert Röss
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-10-08
Filing date: 2014-10-08
Publication date: 2021-01-27
Anticipated expiration: 2034-10-08
Also published as: DK3055573T3; WO2015051784A2; US11174859B2; PL3055573T3; CN105814313B; ES2862130T3; DE102013111098B3; EP3055573A2; WO2015051784A3; CN105814313A; US20160252083A1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, welche sowohl als Motor als auch als Pumpe betrieben werden kann, mit axial fest gelagerter Welle, umfassend ein Leistungsteil sowie eine Steuerung, die zumindest ein Anschlussteil umfasst, an dem mindestens ein Verteilerteil mit Durchtrittsöffnungen sowie zumindest ein Zuleitungsteil angeordnet sind, das Verteilerteil mittels zumindest eines an der Welle angeordneten Antriebs angetrieben wird und axiale Kräfte auf einen an dem Verteilerteil axial angeordneten Kolben verteilt werden, wobei der mindestens eine an dem Maschinenteil vorgesehene Zu- und Ablauf rotierend ausgestaltet ist und von dem Verteilerteil und dem Kolben über das Zuleitungsteil mit mindestens zwei sich mitrotierenden Antriebsdrücken versorgt wird, wobei die Antriebsdrücke mit ihren zugehörig projizierten Ringflächen am Kolben Kräfte erzeugen. Nachfolgend soll unter einem Leistungsteil eine Maschine verstanden werden, welche zum Betrieb mit mindestens zwei mitrotierenden Speisedrücken versorgt wird und zu diesem Zweck einen Abtrieb besitzt, welcher das Verteilerteil der Strömungsmaschine antreibt. Dabei kann es sich sowohl um eine regelbare als auch um eine nichtregelbare Maschine handeln.

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik ist aus WO 2006/010471 A1 ein im Volumenstrom nicht änderbarer, hydrostatischer Kreiskolbenmotor bereits bekannt. In EP 0166995 B1 ist darüber hinaus eine stufenlos volumenänderbare hydrostatische Kreiskolbenmaschine beschrieben. Diese Maschinen können sowohl als Motor als auch als Pumpe betrieben werden und funktionieren sowohl im Rechts- als auch im Linkslauf, besitzen demnach jeweils zwei Betriebsmodi, Motor und Pumpe in beiden Drehrichtungen und mithin vier Quadranten (Motor im Rechtslauf, Motor im Linkslauf, Pumpe im Linkslauf, Pumpe im Rechtslauf).
Nachteilig hierbei ist, dass in diesen Maschinen sehr hohe druck- und drehrichtungsabhängige Axialkräfte entstehen. Diese Kräfte führen zu sehr hohen, druck- und drehrichtungsabhängigen Reibungsverlusten. Dadurch sind diese Maschinen nichtlinear, haben im Rechts- und Linkslauf unterschiedliche Eigenschaften und besitzen einen reduzierten Wirkungsgrad.
Weitere Nachteile der bereits bekannten Lösungen seien nachfolgend beschrieben. Das ungleiche und nichtlineare Verhalten der Maschinen im Rechts- und Linkslauf in beiden Modi machen sie für viele Anwendungen, wie bspw. für eine Verwendung als Radnabenmotor oder bspw. für eine Verwendung als Messsystem oder Servoantrieb gänzlich ungeeignet. Ein Radnabenmotor etwa muss im Rechts- und Linkslauf exakt gleiche Eigenschaften haben, damit linkes und rechtes Rad gleich angetrieben werden. Auch der reduzierte Wirkungsgrad macht die Maschinen für die diversen Anwendungen unattraktiv und erzeugt zudem viel Abwärme, was in manchen Anwendungen schon gar nicht zulässig ist. Das im Rechts- und Linkslauf ungleiche Verhalten ist bauartbedingt und kann somit nur in ganz engen Grenzen, durch Änderung geometrischer Parameter, während der Auslegung beeinflusst werden. Es kann unter bestimmten Druckverhältnissen sogar vorkommen, dass derartige Maschinen in einen Zustand geraten, in dem ein starker interner Kurzschlussstrom entsteht und die Funktion der Maschine in einer Drehrichtung und mindestens einem Betriebsmodus gar nicht mehr gegeben ist; damit ist die Gesamtfunktion nicht sicher gewährleistet. Um Anzulaufen benötigen die Maschinen sehr hohe Druckdifferenzen, was die Einsatzmöglichkeit eines solchen Antriebs oft verhindert. Maschinen dieser Bauart funktionieren überdies nur im Dreirohrprinzip mit Zulauf, Ablauf und separatem Leck- Ablauf. Weitere Nachteile dieser Maschinen sind darin zu sehen, dass sie keine Freilauffunktion, keine Bremsfunktion, keinen Sanftanlauf und ebenfalls keine Blockierfunktion besitzen. Die Charakteristik der Maschinen kann ferner während des Betriebes in allen vier Quadranten nicht an veränderte Bedingungen angepasst werden. Weiterhin eignen sich diese Maschinen aufgrund der großen Mindestdruckdifferenzen nur für den Betrieb mit Flüssigkeiten.
Aus DE 10 2008 025 054 B4 ist eine Hydraulikeinheit zur Bereitstellung einer unter Druck stehenden Hydraulikflüssigkeit zum Antrieb eines angekoppelten hydraulischen Aktuators bekannt, welche mit einem in einem unter Druck stehenden Motorgehäuse angeordneten Motor, einem in einem Speichergehäuse angeordneten Hydraulikspeicher sowie einer in einem Pumpengehäuse angeordneten Hydraulikpumpe und einem Hydraulikblock ausgestattet ist. Kennzeichnend hierfür ist, dass zumindest Motorgehäuse, Pumpengehäuse und der Hydraulikblock ein einheitliches handhabbares starres Modul bilden und die in dem Modul umströmende Hydraulikflüssigkeit alle Elemente des Moduls in Längsrichtung (Umlaufsystem) bereichsweise durchsetzt. Wesentliches Element dieser Hydraulikeinheit ist, dass die Hydraulikpumpe und der Hydraulikblock eine Funktionseinheit bilden, der Hydraulikblock mit einer Mehrzahl von Hydraulikanschlußelementen versehen ist und durch einen Flansch eine im Pumpengehäuse angeordnete Förderkammer durch den Hydraulikblock auf der dem Motorgehäuse gegenüberliegenden Seite abgedeckt wird.
Aus der US 3 853 435 A ist eine Hydraulikvorrichtung bekannt, umfassend ein Gehäuse mit einer Fluidzufuhröffnung und einer Fluidaustrittsöffnung, wobei ein Rotor in dem Gehäuse und ein Stator vorgesehen sind, ferner ein Rotor, der drehbar in Bezug auf den Stator ist und eine Niederdruck- und eine Hochdruckzone aufweist. Ein Kommutator-Ventil ist drehbar in dem Gehäuse aufgenommen, wobei in zwei Hohlräumen eine Hochdruck- und Niederdruckzone in Verbindung mit dem Fluidzufuhranschluss und der Fluidabgabeöffnung verbunden sind.
Aus den Druckschriften DE 30 15 551 A1 und DE 30 29 997 A1 sind Kreiskolbenmaschinen bekannt, welche einen wie eingangs beschriebenen strukturellen Aufbau besitzen, wobei darin aufgezeigte Verteilerteile jeweils an der Stirnseite mit Druck beaufschlagt sind.

Darstellung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Strömungsmaschine zu schaffen, bei der die axialen Kräfte bis auf eine Mindestkraft zum Dichten der Laufflächen sehr klein oder gar Null sind, und welche sowohl als Pumpe als auch als Antriebsmaschine eingesetzt und mit allen denkbaren strömbaren Medien betrieben werden kann, wobei sie sich im Rechts- und Linkslauf gleich verhalten und die Funktion unabhängig von den Druckkonstellationen der Antriebsdrücke sicher gewährleistet werden soll.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine sind in den Unteransprüchen angegeben.
Danach ist eine Strömungsmaschine der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, dass durch Zuleitungen und eine Steuervorrichtung mindestens einer der weiteren Druckbereiche oder Ersatzflächen mit einem Antrieb zur Steuervorrichtung verbunden ist und dadurch mit einem Steuerdruck beaufschlagt wird und dadurch die Gesamtkraft an der Stirnseite sowie der Wirkungsgrad über die gesamtresultierende Kraft, welche die Kontaktflächen zwischen Kolben und Verteilerteil, sowie zwischen Verteilerteil und Zuleitungsteil aufeinanderpresst, innerhalb eines Regelbereiches verändert wird.
Die Strömungsmaschine soll bevorzugt im Zweirohrprinzip ohne separaten Leck- Ablauf ausgeführt werden können und mit einer Steuervorrichtung und einem zugehörigen Antrieb ausgestattet werden können, so dass sie ihren hohen Wirkungsgrad auch noch bei hohen Drücken behält. Über die Steuervorrichtung soll eine Freilauffunktion, eine Bremsfunktion, eine Blockierfunktion, einen Sanftanlauf, eine Linearisierung der Kennlinien und innerhalb eines Regelbereiches eine Adaption der Kennlinien an bestimmte Lastanforderungen realisierbar sein.
Alle auf das Verteilerteil wirkenden Kräfte stehen zunächst in jedem der vier Betriebszustände der Strömungsmaschine sowohl in axialer als auch in radialer Richtung - bis auf eine Dichtkraft - in einem Gleichgewicht. Um die axialen Kräfte auch drehzahl- und drehrichtungsunabhängig im Gleichgewicht halten zu können, sind an dem Verteilerteil zusätzliche Druckbereiche in der Weise angeordnet, dass sich auf der Stirnseite des Verteilerteils eine regelmäßige und in sich symmetrische Druckverteilung ausbildet. Dieses Gleichgewicht kann nun durch eine zusätzliche, vorzugsweise vorgesehene Steuervorrichtung mit einem Antrieb gezielt verändert werden. Unter einer Steuervorrichtung soll nachfolgend ein Kraftübertragungsmittel verstanden werden, welches axiale Kräfte auf den Kolben überträgt. Diese Kraft wird von einem separaten Antrieb erzeugt und kann auch zum Bremsen oder Sanftanlaufen oder Blockieren oder Auskuppeln der Strömungsmaschine verwendet werden.
Es war für den Fachmann überaus erstaunlich, dass bei der erfundenen Strömungsmaschine alle oben genannten Nachteile nicht mehr auftraten. Der wesentliche und entscheidende Vorteil der vorgeschlagenen Strömungsmaschine besteht darin, dass sie in allen vier Quadranten sehr funktionssicher wird, gleiche Eigenschaften im Rechts- und Linkslauf besitzt und durch die Eliminierung von Reibverlusten einen wesentlich höheren Wirkungsgrad und sehr hohe Anlaufmomente erreicht.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von der Zusammenfassung in einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
In den Zeichnungen zeigen

Fig.1 eine isometrische Schnittansicht durch eine Strömungsmaschine;
Fig.2 einen Vergleich zwischen einer typischen Kennlinie eines bereits bekannten Antriebes und drei möglichen Kennlinien innerhalb eines Regelbereiches;
Fig.3 die auf den Kolben und das Verteilerteil wirkenden axialen Kräfte, welche sich zur Gesamtkraft addieren;
Fig.4 im ersten Schnitt X-X den modellhaften Druckverlauf mit nicht konstantem Gradienten zwischen dem Antriebsdruck und dem weiteren Druck, im zweiten Schnitt X-X ein Ersatzsystem mit konstanten Drücken sowie drei Wirkungsfälle der Gesamtkräfte an der Stirnseite des Verteilerteils; Modell und Ersatzsystem haben die gleiche Fläche A unter der Kurve;
Fig.5 die Strömungsmaschine in einem Betriebszustand als Pumpe oder als Motor;
Fig.6 die Strömungsmaschine in einem Freilauf-Betriebszustand;
Fig.7 eine Ausgestaltungsform der Steuerung;
Fig.8 eine weitere Ausgestaltungsform der Steuerung;
Fig.9 ein Blockschaltbild der Strömungsmaschine;
Fig.10 exemplarisch vier Ausführungsformen eines Leistungsteils mit rotierendem Zu- und Ablauf.

Ausführung der Erfindung

Wie aus Fig.1 ersichtlich, besteht die bevorzugte Strömungsmaschine 1 aus einem Leistungsteil 2 sowie einer Steuerung 3, wobei das Leistungsteil 2 über den Antrieb 12 das Verteilerteil 10 antreibt. Über das Zuleitungsteil 11 wird das Leistungsteil 2 mit rotierendem Zu- und Ablauf mit den beiden Antriebsdrücken p1,p2 versorgt. Axial zum Zuleitungsteil 11 ist das Verteilerteil 10 angeordnet. Der Kolben 9 ist axial an dem Verteilerteil 10 angeordnet und wird axial mit den beiden Antriebsdrücken p1,p2 über das Anschlussteil 4 versorgt. Kolben 9, Verteilerteil 10 und Zuleitungsteil 11 sind an dem Anschlussteil 4 angeordnet. In dem Anschlussteil 4 sind die beiden Anschlüsse 5,6.
Die Steuervorrichtung 13 wirkt in axialer Richtung auf den Kolben 9 und wird dabei vom Antrieb der Steuervorrichtung 14 angetrieben. Die beiden Checkventile 16,17 sind zwischen dem inneren Leckbereich 7 und den Anschlüssen 5,6 angeordnet.
Am äußeren Rand des Verteilerteils 10 befindet sich ein weiterer Druckbereich 8, welcher über mindestens eine Zuleitung 24 in dem Zuleitungsteil 11 mit dem inneren Druckbereich 7 verbunden ist.
Eine Feder 15 erzeugt eine Federkraft Ff, mit der der Kolben 9 und das Verteilerteil 10 auf das Zuleitungsteil 11 gedrückt wird, um diese gegeneinander abzudichten. Sie ist zwischen dem Anschlussteil 4 und dem Kolben 9 angeordnet.
Die axiale und fast geradlinige Versorgung des Leistungsteils 2 mit den Antriebsdrücken p1,p2 ist dabei besonders vorteilhaft für den Wirkungsgrad der Strömungsmaschine 1. Der Fluss des strömbaren Mediums wird hierbei kaum durch Umlenkungen gebremst.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung kann die Strömungsmaschine 1 auch ohne Steuervorrichtung 13 mit Antrieb der Steuervorrichtung 14 ausgeführt sein. Der Vorteil dieser Ausführung besteht darin, dass die Strömungsmaschine 1 dadurch wesentlich günstiger wird, wenn in der Applikation keine der Funktionen Freilauf, Sanftanlauf, Bremsen oder Blockieren benötigt wird, sondern lediglich eine günstige Maschine mit exzellentem Wirkungsgrad und gleichem funktionssicheren Verhalten im Rechts- und Linkslauf.
Wie aus Fig.2 ersichtlich, besitzen herkömmliche Strömungsmaschinen im Rechts- und Linkslauf unterschiedliche Kennlinien K0. Im Vergleich dazu werden drei mögliche Kennlinien K1,K2,K3 der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine 1 innerhalb eines Regelbereiches 19 gezeigt. Dargestellt ist der Wirkungsgrad η über der Drehzahl der Welle nw. Bei konstanten Antriebsdrücken p1,p2 ist dies in etwa proportional zum Moment Mw nw.
Die Kennlinie K1 zeigt exemplarisch das Verhalten einer Strömungsmaschine 1 ohne Steuervorrichtung 13. K1 ist in den vier Quadranten I-IV bereits nahezu symmetrisch oder sogar vollständig symmetrisch. Vorteilhaft ist hier das höhere Anlaufmoment an der Welle Mw in den ersten beiden Quadranten I,II beim Treiben, bzw. das hohe Anlaufmoment in den beiden Quadranten III,IV beim Pumpen. Das Anlaufen ist hier bereits bei sehr geringen Druckunterschieden zwischen den beiden Antriebsdrücken p1,p2 immer sicher gewährleistet. Ein geringes Anlaufmoment ist zum Beispiel bei Windmühlen wichtig, die dadurch nicht erst bei bspw. 3m/s Windgeschwindigkeit Energie erzeugen, sondern bereits bei bspw. 1m/s Windgeschwindigkeit.
Die Kennlinie K2 zeigt beispielhaft eine Kennlinie einer Strömungsmaschine 1 mit Steuervorrichtung 13 und den Antrieb der Steuervorrichtung 14, bei der der Wirkungsgrad abschnittweise linearisiert und innerhalb des Regelbereiches 19 für hohe Drücke optimiert wurde, indem die notwendigen Dichtkräfte in der Strömungsmaschine 1 an die jeweils anliegenden Druckverhältnisse der beiden Antriebsdrücke p1,p2 und an die Drehzahl der Strömungsmaschine 1 angepasst wurden.
Die Kennlinie K3 zeigt exemplarisch eine Strömungsmaschine 1, welche sich innerhalb des Regelbereiches 19 in den vier Quadranten I-IV unterschiedlich verhält. Das Blockieren der Maschine ist in Punkt 20 dargestellt. Dort ist bei nw=0 auch Mw=0. Das Bremsen 21 ist beispielhaft an der Kennlinie K3 im ersten Quadranten I dargestellt. Im zweiten Quadranten II ist die Adaption 22 der Kennlinie K3 exemplarisch dargestellt. Der Freilauf 23 ist im Rechts- und Linkslauf dargestellt. Dort ist Mw=0 und nw≠0.
Ein weiterer Vorteil liegt darin begründet, dass die erfindungsgemäße Strömungsmaschine 1 nun steuerbar ist. In Verbindung mit ihren verbesserten Eigenschaften, ihrer zuverlässigeren Funktion und den zusätzlichen Funktionen Freilauf, Sanftanlauf, Bremse und Blockierung ist sie für eine Vielzahl von Anwendungen wie bspw. als Fahrantriebe, Windmühlen, Messsysteme, Antriebe in sicherheitskritischen Applikationen oder Servoantriebe geeignet.
Wie aus Fig.3 ersichtlich, addieren sich die auf den Kolben 9 und die Steuerplatte 10 wirkenden axialen Kräfte zur Gesamtkraft Fg. Die Steuerplatte 10 weist dabei abwechselnd Durchtrittsöffnungen 26,27 auf, durch welche die Antriebsdrücke p1,p2 wirken können. Der Antriebsdruck p1 erzeugt dabei die Kraft aus p1 Fp1. Der Antriebsdruck p2 erzeugt dabei die Kraft aus p2 Fp2. Diese Kräfte Fp1,Fp2 errechnen sich aus den Antriebsdrücken p1,p2 und den zugehörigen projizierten Ringflächen am Kolben 9. Die Feder 15 erzeugt die Federkraft Ff. Der innere Leckdruck pli erzeugt mit der zugehörigen projizierten Fläche die Kraft Fl.
Ist die Strömungsmaschine 1 mit einer Steuervorrichtung 13 mit Antrieb 14 ausgestattet, so wirkt zusätzlich noch die Steuerkraft Fs. Auf der Stirnseite des Verteilerteils 10 wirken verschiedene Drücke, die zudem nicht konstant verteilt sind. Die Kraft Fgsx errechnet sich daher allgemein zu Fgsx = ∫pA, nv dA. Je nach Ausführung wird Fgsx zu FgsA, FgsB, oder FgsC. Die genauen Druckverhältnisse auf dieser Fläche sind nichtlinear, drehzahlabhängig und sehr komplex.
Ein Segment mit je einer Durchtrittsöffnung 26 des Antriebsdruckes p1 und einer Durchtrittsöffnung 27 des Antriebsdruckes p2 ist in Fig.3 vergrößert dargestellt, sowie je ein Druckbereich eines inneren Leckdruckes pl und eines weiteren Druckes pw1.
Um diese komplexen Druckverhältnisse anschaulicher darzustellen, wird im Folgenden ein nahezu konstanter Gradient zwischen zwei Drücken p1,p2,pli,pw1,pw2 ... angenommen. Daraus ergeben sich vereinfachte Ersatzflächen A1,A2,A3 ..., B1,B2,B3 ..., C1,C2,C3 ..., mit denen die Drücke dann multipliziert und zu FgsA, FgsB und FgsC multipliziert werden können.
Die Summe all dieser Kräfte Fp1,Fp2,Fs,Ff,FI,Fw,Fgsx ist die gesamtresultierende Kraft Fgx, die je nach Ausführung als FgA, FgB, FgC bezeichnet wird. Erst wenn diese gesamtresultierende Kraft Fgx die Kontaktflächen zwischen Kolben 9 und Verteilerteil 10 sowie zwischen Verteilerteil 10 und Zuleitungsteil 11 in einer ausreichenden, aber nicht zu starken Höhe aufeinanderpresst und somit abdichtet, ohne zu blockieren, kann die Strömungsmaschine 1 anlaufen. Ansonsten entsteht entweder der innere Kurzschlussstrom Vki und der äußere Kurzschlussstrom Vka, da Kolben 9, Verteilerteil 10 und Zuleitungsteil 11 gegeneinander nicht dicht sind oder die Strömungsmaschine 1 blockiert sogar, da der Anpressdruck, den Fgx zwischen den Kolben 9, Verteilerteil 10 und Zuleitungsteil 11 erzeugt, zu hoch ist. Deshalb ist es besonders vorteilhaft, die Kraft Fgx über die Steuervorrichtung 13 und den zugehörigen Antrieb 14 immer optimal auf den Betriebspunkt der Maschine einstellen zu können.
Ein weiterer Vorteil liegt darin begründet, dass bei Vorhandensein einer Steuervorrichtung 13 mit Antrieb 14 sogar auf die Feder 15 verzichtet werden kann, wenn diese Federkraft Ff von der angetriebenen Steuervorrichtung 13, 14 erzeugt wird.
Ein weiterer Vorteil liegt darüber hinaus darin begründet, dass gemäß dem Fall, dass der Kolben 9 und/oder das Verteilerteil 10 und/oder die Steuervorrichtung 13 magnetisch ausgeführt sind, hierüber ebenfalls axiale Kräfte erzeugt werden können. Als Antrieb für die Steuervorrichtung 13 kann dann bspw. ein einfacher Elektromagnet verwendet werden.
Wie aus Fig.4 ersichtlich, können die komplexen Druckverteilungen auf den Stirnseiten des Verteilerteils 10 an einem modellhaften Druckverlauf mit nicht konstantem Gradienten zwischen dem Antriebsdruck p2 und dem weiteren Druck pw1 vereinfacht dargestellt werden. Im zweiten Schnitt X-X wird ein Grenzpunkt 25 so bestimmt, dass die beiden Flächen A im Modellsystem und im Ersatzsystem gleich groß sind. Führt man diesen Vorgang mehrfach an verschiedenen Stellen einer Strömungsmaschine 1 aus, führt die Verbindung der Grenzpunkte 25 zu den Ersatzflächen A1,A2,A3,B1,B2,B3,B4,C1,C2,C3,C4,C5 ..., in denen der jeweilige Druck p1,pli,pw1,pw2 ... konstant ist.
Es ergibt sich für den Stand der Technik der Wirkungsfall A, mit A1>>A2. Im Wirkungsfall A ist die Gesamtkraft FgsA:

im Linkslauf: FgsA = p1^∗A1 + p2^∗A2 + pli^∗A3;
im Rechtslauf: FgsA = p2^∗A1 + p1^∗A2 + pli^∗A3.

Im Wirkungsfall B herrscht außen an dem Verteilerteil 10 ein weiterer Druck pw1. Die Flächen B1 und B2 sind idealerweise gleich groß. Im Wirkungsfall B ist die Gesamtkraft FgsB an der Stirnseite dem Verteilerteil 10:

im Linkslauf: FgsB = p1^∗B1 + p2^∗B2 + pw1^∗B3 + pli^∗B4;
im Rechtslauf: FgsB = p2^∗B1 + p1^∗B2 + pw1^∗B3 + pli^∗B4.

Vorteilhaft ist, dass die Strömungsmaschine 1 jetzt aufgrund der symmetrischen Verhältnisse im Rechts- und Linkslauf wieder gleiche oder zumindest fast gleiche Eigenschaften hat. Ein weiterer Vorteil liegt darin begründet, dass gemäß dem Fall, dass der weitere Druck pw1 gleich dem inneren Leckdruck pi ist, sich der Aufbau der Strömungsmaschine 1 erheblich vereinfacht, da die Druckbereiche B3 und B4 nur durch Zuleitungen 24 verbunden werden müssen.
Im Wirkungsfall C herrscht außen an dem Verteilerteil 10 ein weiterer Druck pw1 auf der Fläche C3. Die Flächen C1 und C2 sind idealerweise gleich groß. Die Fläche C4 wird über Zuleitungen 24 mit einem weiteren Druck pw2 versorgt. Hierbei kann es sich beispielsweise um den inneren Leckdruck pli oder aber, wie in der Darstellung den außen anliegenden weiteren Druck pw1 oder aber auch um einen Steuerdruck pw2 handeln.
Im Wirkungsfall C ist die Gesamtkraft FgsC an der Stirnseite des Verteilerteils 10 somit:

im Linkslauf : FgsC = p1^∗C1 + p2^∗C2 + pw1^∗C3 + pw2^∗C4 + pli^∗C5;
im Rechtslauf: FgsC = p2^∗C1 + pl^∗C2 + pwl^∗C3 + pw2^∗C4 + pli^∗C5.

Ein weiterer Vorteil liegt darin begründet, dass ein weiterer Druck pw1 auch durch mindestens eine Zuleitung zum weiteren Druckbereich 24 von außen über das Anschlussteil 4 als Steuerdruck zuführbar ist.
Wie aus Fig.5 ersichtlich, benötigt die Strömungsmaschine 1 in einem Betriebszustand als Pumpe oder als Motor eine gesamtresultierende Kraft Fg, die über den Kolben 9 und das Verteilerteil 10 auf das Zuleitungsteil 11 drückt und damit die Stirnflächen von Kolben 9, Verteilerteil 10 und Zuleitungsteil 11 gegeneinander abdichtet. Durch eine Druckdifferenz zwischen den beiden Antriebsdrücken p1,p2 kommt es zum Antriebsstrom Va welcher die Strömungsmaschine 1 antreibt. Durch Undichtigkeiten zwischen Kolben 9, Verteilerteil 10 und Zuleitungsteil 11 kommt es zu einem inneren Leckstrom Vli und einem äußeren Leckstrom Vla. Über bevorzugte Zuleitungen zum weiteren Druckbereich 24 sind beide Leckströme Vla, Vli miteinander verbunden. Diese Leckströme Vla,Vli sammeln sich und erzeugen den inneren Leckdruck pli. Sobald dieser innere Leckdruck pli groß genug ist, wird er über eines der beiden Checkventile 16,17 in den kleineren der beiden Antriebsdrücke p1,p2 abgeleitet.
Vorteilhaft ist, dass es erst in Verbindung mit den gleichen Eigenschaften im Rechts- und Linkslauf nun möglich wird, die Strömungsmaschine 1 mit nur zwei Zuleitungen in allen Betriebspunkten zu betreiben. Eine dritte Leckleitung, um die Leckströme Vla,Vli abzuleiten, entfällt.
Ein weiterer Vorteil liegt darin begründet, dass die Versorgung des Verteilerteils 10 fast ohne Umlenkung axial über den Kolben 9 und das Anschlussteil 4 erfolgt, und sich aufgrund der großen Querschnitte der Durchtrittsöffnungen 26,27 für die beiden Antriebsdrücke p1, p2 auch sehr große Strömungsquerschnitte ergeben. Beides trägt zu einem guten Gesamtwirkungsgrad η bei.
Ein weiterer Vorteil liegt auch darin begründet, dass die Strömungsmaschine 1 in allen ihren Teilen herstellungstechnisch optimiert ist, da bis auf eine Zuleitung zum weiteren Druckbereich 24 keine schrägen Bohrungen existieren.
Wie aus Fig.6 ersichtlich, wird die Strömungsmaschine 1 in einen Freilauf-Betriebszustand gebracht, wenn die gesamtresultierende Kraft Fg den Kolben 9 von dem Verteilerteil 10 wegdrückt. Dazu wird über eine Steuervorrichtung 13 mit einem Antrieb für die Steuervorrichtung 14 eine Kraft Fs auf den Kolben 9 ausgeübt. Zwischen dem Kolben 9, des Verteilerteils 10 und dem Zuleitungsteil 11 entstehen dadurch Spalte, über welche sich ein innerer Kurzschlussstrom Vki und ein äußerer Kurzschlussstrom Vka bilden. Über die Steuervorrichtung 13 kann vorteilhaft sehr feinfühlig vom Freilauf in das Anlaufen der Maschine übergegangen werden, so dass ein Sanftanlauf entsteht.
Da die Welle der Steuerung 2 über den Antrieb 12 des Verteilerteils 10 mit der Untersetzung und mit dem Verteilerteil 10 verbunden ist, kann vorteilhaft durch ein Umkehren der Steuerkraft Fs des Verteilerteils10 zwischen Kolben 9 und Zuleitungsteil 11 abgebremst und so das Moment an der Welle Mw direkt beeinflusst werden.
Ein weiterer Vorteil liegt darin begründet, dass das Bremsmoment, welches bei geöffnetem Freilauf entsteht, sehr gering ist, da keine inneren Bremsmomente mehr durch die gesamtresultierende Kraft Fg entstehen können.
Wie aus Fig.7 ersichtlich, können die Anschlüsse 5, 6 auch direkt an dem Kolben 9 angeordnet sein. Die Feder 15 drückt über den Kolben 9 das Verteilerteil 10 auf das Zuleitungsteil 11. Das Verteilerteil 10 wird in dieser bevorzugten Anordnung radial von innen mit den Antriebsdrücken p1,p2 versorgt. Dadurch werden die axialen Kräfte Fp1, Fp2, die aus den Versorgungsdrücken p1,p2 resultieren, zu null.
Vorteilhaft ist, dass Druckschwankungen der Antriebsdrücke p1,p2 in dieser Ausführung keinen Einfluss mehr auf die gesamtresultierende Kraft Fg haben. Die Steuervorrichtung 13 besteht in dieser bevorzugten Ausführung vorteilhaft aus einem strömbaren Medium, welches sich in einem Zylinder, der zwischen Kolben 9 und den beiden Anschlussteilen 4 angeordnet ist, befindet. Der Antrieb der Steuervorrichtung 14 beaufschlagt dieses strömbare Medium mit einem Steuerdruck und erzeugt so die Steuerkraft Fs. Das Verteilerteil 10 wird vom Antrieb 12 des Verteilerteils 10 mit der Drehzahl nv angetrieben. Zwischen dem inneren Leckbereich 7 und den Anschlüssen 5,6 sind dabei die beiden Checkventile 16,17 angeordnet.
Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform der Strömungsmaschine 1 liegt darin begründet, dass das gesamte System über strömbare Medien betrieben wird und so eine Einbindung in ein Gesamtsystem, in welchem die Steuerungsinformation bereits in Form eines Steuerdruckes vorliegt, erleichtert wird.
Wie aus Fig.8 ersichtlich ist, können in einer weiteren Ausgestaltungsform der Steuerung 3 die Anschlüsse 5,6 an dem Anschlussteil 4 angeordnet sein und das Verteilerteil 10 direkt und nicht über den Kolben 9 mit den Antriebsdrücken p1,pw versorgen. Vorteilhaft ist hier, dass dadurch die axialen Kräfte Fp1,Fp2, die aus den Versorgungsdrücken p1,p2 resultieren, radial wirken und so axial zu null werden. Druckschwankungen von p1, p2 haben so keinen Einfluss mehr auf die gesamtresultierende Kraft Fg. Die Feder 15 drückt über den Kolben 9 das Verteilerteil 10 auf das Zuleitungsteil 11. Das Verteilerteil 10 wird in dieser bevorzugten Anordnung radial von Außen mit den Antriebsdrücken p1,p2 versorgt. Der Antrieb der Steuervorrichtung 14 übt über die Steuervorrichtung 13 eine Steuerkraft Fs auf den Kolben aus. Das Verteilerteil 10 wird vom Antrieb 12 des Verteilerteils 10 mit der Drehzahl nv angetrieben. Der weitere Druckbereich ist außen an dem Verteilerteil 10 angeordnet. In dem Anschlussteil 4 ist ein separater Leckanschluss 18 angeordnet. Handelt es sich bei dem strömbaren Medium um ein gasförmiges Fluid, welches über den Anschluss 5 mit dem Antriebsdruck p1 in die Strömungsmaschine 1 gelangt und über den Anschluss 6 ins Freie strömt, so kann der Leckstrom Vli über den Leckanschluss 18 ebenfalls sofort ins Freie abströmen, ohne erst einen Druck zum Ansteuern von Checkventilen 15,16 aufbauen zu müssen. Dadurch sinkt der Anlaufdruck p1 der Strömungsmaschine 1 auf ein vorteilhaftes Minimum. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführung liegt darin begründet, dass sich die Strömungsmaschine 1 ohne Checkventile noch günstiger bauen lässt.
Wie aus Fig.9 ersichtlich, besteht eine Strömungsmaschine 1, die im Winkelbereich von 0 bis 360°/i i=1, 2, 3 ... aufgewickelt in einem Blockschaltbild dargestellt ist, aus einem Leistungsteil 2, an dem eine Steuerung 3 angeordnet ist. An dem Verteilerteil 10 ist der Kolben 9 angeordnet. Zwischen dem Anschlussteil 4 und dem Kolben 9 ist die Feder 15 angeordnet. Diese presst den Kolben 9 zunächst an das Verteilerteil 10. Am Kolben 9 kann optional eine Steuervorrichtung 13 angeordnet werden, an welcher ein Antrieb 14 angeordnet ist. Die Antriebsdrücke p1,p2 werden in den Kolben 9 eingeleitet und auf die einzelnen Durchtrittsöffnungen 26,27 in dem Verteilerteil 10 verteilt. Die Verteilung dieser beiden Antriebsdrücke p1,p2 auf je zwei Druckbereiche von 0° bis 180°/i und von 180°/i auf 360°/i erfolgt durch das Verteilerteil 10 mittels einer Differenz zwischen der Anzahl an Durchtrittsöffnungen 26,27 in dem Verteilerteil 10 und der Anzahl der Zuleitungen zum Leistungsteil 28 in dem Zuleitungsteil 11. Auf den Stirnseiten des Verteilerteils 10 wirken noch weitere Druckbereiche 8, die hier durch Zuleitungen 24 dargestellt sind.
An dem Zuleitungsteil 11 ist das Leistungsteil 2 mit rotierendem Zu- und Ablauf angeordnet. Zwischen dem Verteilerteil 10 und dem Leistungsteil 2 ist der Antrieb 12 des Verteilerteils 10 angeordnet. Das Leistungsteil 2 treibt über den Antrieb 12 das Verteilerteil 10 synchron an, so dass sich beide synchron mit der Drehzahl nv das Verteilerteil 10 drehen. Zwischen dem Verteilerteil 10 und dem Leistungsteil 2 besteht ein Verstellwinkel ξ, so dass die Druckbereiche p1, p2 des Leistungsteils 2 voreilend, genau synchron oder nacheilend zum Verteilerteil 10 sein können. Je nach Bauart des Leistungsteils 2 ist hierfür eine Untersetzung u zur Drehzahlanpassung erforderlich.
Vorteilhaft ist, dass der Antrieb 12 des Verteilerteils 10 dabei aber nicht mehr unbedingt koaxial zum Verteilerteil 10 sein muss. Ein weiterer Vorteil liegt darin begründet, dass die Untersetzung u je nach Art des Leistungsteils 2 auch gleich 1 sein kann und somit ein Direktantrieb möglich ist, der keine zusätzlichen Laufgeräusche verursacht. Vorteilhaft ist, dass durch das Voreilen bzw. Nacheilen des Verteilerteils 10 zum Leistungsteil 2 um den Verstellwinkels ξ der Wirkungsgrad η und auch die Symmetrie der Kennlinien K0, K1, K2, K3 verändern lassen.
Wie aus Fig.10 ersichtlich, sind mehrere Bauarten von Leistungsteilen 2 mit rotierendem Zu- und Ablauf denkbar, welche mit der Steuerung 3 zu einer Strömungsmaschine 1 kombiniert werden können.
In der ersten Ausführungsform A besteht das Leistungsteil 2 aus einer GEROTOR-Maschine mit konstantem Volumenstrom, wie sie in der Fig.1 im Schnitt zu sehen ist. Dargestellt ist ein Schnitt durch die GEROTOR-Maschine, welcher die beiden Druckbereiche mit den Antriebsdrücken p1,p2 zeigt. Die Untersetzung u ist ungleich 1. Die beiden Druckbereiche mit den Antriebsdrücken p1,p2 rotieren mit der Drehzahl nv. Der Vorteil ist hier die einfache und kompakte Bauweise einer solchen Strömungsmaschine 1.
In der zweiten Ausführungsform B besteht das Leistungsteil 2 aus einer im Volumenstrom regelbaren GEROTOR-Maschine. Diese ist im Schnitt dargestellt. Der wichtigste Vorteil ist hier die Regelbarkeit des Volumenstromes, was in vielen Applikationen zwingend notwendig ist.
In der dritten Ausführungsform C besteht das Leistungsteil 2 aus einer Axialkolbenmaschine mit einer Taumelscheibe. Die Welle dieser Maschine ist direkt mit dem Verteilerteil 10 der Steuerung 3 verbunden. Die Untersetzung u ist somit gleich 1. Hieraus ergibt sich eine besonders einfache Konstruktion, welche auch über die Neigung der Taumelscheibe im Volumenstrom regelbar sein kann und mit u=1 einen besonders einfachen und leisen Direktantrieb der Steuerung 3 ermöglicht.
In der vierten Ausführungsform D besteht das Leistungsteil 2 aus einer Radialkolbenmaschine mit Pleueln und Kurbelwelle. Die Welle dieser Maschine ist direkt mit dem Verteilerteil 10 der Steuerung 3 verbunden. Die Untersetzung u ist somit gleich 1.
Ein ganz zentraler Vorteil der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine 1 ist es, sie mit einer Vielzahl an denkbaren Leistungsteilen 2 zu kombinieren, um für die jeweilige Applikation der Strömungsmaschine 1 eine ideale Lösung zu schaffen.

Liste der Bezugsziffern

1: Strömungsmaschine
2: Leistungsteil mit rotierendem Zu- und Ablauf
3: Steuerung
4: Anschlussteil
5: erster Anschluss
6: zweiter Anschluss
7: Leckbereich innen
8: weiterer Druckbereich
9: Kolben
10: Verteilerteil
11: Zuleitungsteil
12: Antrieb des Verteilerteils
13: Steuervorrichtung
14: Antrieb Steuervorrichtung
15: Feder
16: erstes Checkventil
17: zweites Checkventil
18: Leckanschluss
19: Regelbereich
20: Blockierung
21: Bremsen
22: Adaption
23: Freilauf
24: Zuleitung
25: Grenzpunkt
26: Durchtrittsöffnung des Antriebsdrucks p1
27: Durchtrittsöffnung des Antriebsdrucks p2
28: Zuleitungen zum Leistungsteil
η: Wirkungsgrad
Mw: Moment Welle
Nw: Drehzahl Welle
Nv: Drehzahl Verteilerteil
Fp1: Kraft aus Antriebsdruck p1
Fp2: Kraft aus Antriebsdruck p2
Fs: Steuerkraft
Ff: Federkraft
Fl: Kraft Leckdruck
Fw: Kraft weiterer Druck
FgsA: Gesamtkraft Stirnseite Stand der Technik
FgsB: Gesamtkraft Stirnseite Ausführungsform B
FgsC: Gesamtkraft Stirnseite Ausführungsform C
Fgx: gesamtresultierende Kraft
p1: erster Antriebsdruck
p2: zweiter Antriebsdruck
ξ: Verstellwinkel
Va: Antriebsstrom
Vki: Innerer Kurzschlussstrom
Vka: Äußerer Kurzschlussstrom
p li: Leckdruck innen
ps: Steuerdruck
V li: Leckstrom innen
V la: Leckstrom außen
pw1, pw2,: ...weiterer Druck
V w: weiterer Strom
A: Flächen
A1, A2, A3: Ersatzflächen Stand der Technik
B1, B2, B3, B4: Ersatzflächen Ausführungsform B
C1, C2, C3, C4, C5, ...: Ersatzflächen Ausführungsform C
K0, K1, K2, K3: Kennlinien
u: Untersetzung

Claims

Strömungsmaschine (1), welche sowohl als Motor als auch als Pumpe betrieben werden kann, mit axial fest gelagerter Welle (Mw), umfassend ein Leistungsteil (2) mit mindestens einem Zu- und Ablauf, eine Steuerung (3), die zumindest ein Anschlussteil (4) umfasst, an dem mindestens ein Verteilerteil (10) mit Durchtrittsöffnungen (26,27) sowie zumindest ein Zuleitungsteil (11) angeordnet sind, wobei das Verteilerteil (10) mittels zumindest eines an der Welle (Mw) angeordneten Antriebs (12) angetrieben wird und axiale Kräfte auf einen an dem Verteilerteil (10) axial angeordneten Kolben (9) verteilt werden, wobei der mindestens eine an dem Leistungsteil (2) vorgesehene Zu- und Ablauf rotierend ausgestaltet ist und von dem Verteilerteil (10) und dem Kolben (9) über das Zuleitungsteil (11) mit mindestens zwei sich mitrotierenden Antriebsdrücken (p1, p2) versorgt wird, wobei die Antriebsdrücke (p1, p2) mit ihren zugehörig projizierten Ringflächen (A1, A2) am Kolben (9) die Kräfte Fp1 und Fp2 erzeugen, wobei mindestens eine Stirnseite des Verteilerteils (10) auf mindestens einer Ersatzfläche (B3,C3,C4, ...) mit mindestens einem weiteren Druck (pw1, pw2, ...) beaufschlagt ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass durch Zuleitungen (24) und eine Steuervorrichtung (13) mindestens einer der weiteren Druckbereiche oder Ersatzflächen (8, B3, C3,C4, ..) mit einem Antrieb (14) zur Steuervorrichtung (13) verbunden ist und dadurch mit einem Steuerdruck (ps) beaufschlagt wird und dadurch die Gesamtkraft an der Stirnseite (Fgsx) sowie der Wirkungsgrad (η) über die gesamtresultierende Kraft (Fgx), welche die Kontaktflächen zwischen Kolben (9) und Verteilerteil (10), sowie zwischen Verteilerteil (10) und Zuleitungsteil (11) aufeinanderpresst, innerhalb eines Regelbereiches (19) verändert wird.
Strömungsmaschine (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens ein weiterer Druck (pw1, pw2, ...), der in einem der weiteren Druckbereiche oder auf den Ersatzflächen (8, B3, C3, C4, ...) erzeugt wirkt, durch Zuleitungen (24) mit einem inneren Leckbereich (7) verbunden ist und so gleich dem inneren Leckdruck (pli) ist.
Strömungsmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass über eine Steuervorrichtung (13) und einen Antrieb der Steuervorrichtung (14) die Steuerkraft (Fs) auf den Kolben (9) erzeugt wirkt und so die gesamtresultierende Kraft (Fgx) verändert wird, wobei damit eine Adaption des Wirkungsgrades, ein Abbremsen, ein Blockieren, ein Sanftanlauf oder ein Freilauf mit einem inneren und/oder einem äußeren Kurzschlussstrom (Vka, Vki) der Strömungsmaschine (1) erzielt wird.
Strömungsmaschine (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zuleitung beider Antriebsdrücke (p1,p2)
a) in nahezu geradliniger axialer Richtung oder

b) in radialer Richtung von innen oder

c) in radialer Richtung von außen
erfolgt.
Strömungsmaschine (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der innere Leckbereich (7) über einen Leckanschluss (18) in das Anschlussteil (4) nach außen abgeleitet wird und/oder über je ein Checkventil (1,2,16,17) mit je einem Anschluss (5,6) verbunden ist.
Strömungsmaschine (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kolben (9) und/oder das Verteilerteil (10) und/oder das Zuleitungsteil (11) und/oder die Steuervorrichtung (13) magnetisch ausgeführt sind.
Strömungsmaschine (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuervorrichtung (14) ein Elektromagnet ist.
Strömungsmaschine (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Leistungsteil 2 und dem Verteilerteil 10 ein Verstellwinkel ξ besteht, mit dem die Symmetrie der Kennlinien K0, K1, K2, K3 verändert wird.