EP4062066A1 - Fluidmaschine, insbesondere hydromaschine - Google Patents

Fluidmaschine, insbesondere hydromaschine

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EP4062066A1
EP4062066A1 EP20807447.6A EP20807447A EP4062066A1 EP 4062066 A1 EP4062066 A1 EP 4062066A1 EP 20807447 A EP20807447 A EP 20807447A EP 4062066 A1 EP4062066 A1 EP 4062066A1
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EP
European Patent Office
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valve
rotor
fluid
fluid machine
machine according
Prior art date
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EP20807447.6A
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English (en)
French (fr)
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EP4062066C0 (de
EP4062066B1 (de
Inventor
Rainer Nase
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NASE, RAINER
Original Assignee
Nano Scale Machining GmbH
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Publication date
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Priority claimed from LU101491A external-priority patent/LU101491B1/de
Application filed by Nano Scale Machining GmbH filed Critical Nano Scale Machining GmbH
Publication of EP4062066A1 publication Critical patent/EP4062066A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP4062066C0 publication Critical patent/EP4062066C0/de
Publication of EP4062066B1 publication Critical patent/EP4062066B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2/00—Rotary-piston machines or pumps
    • F04C2/08—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C2/082—Details specially related to intermeshing engagement type machines or pumps
    • F04C2/084—Toothed wheels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03C—POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINES DRIVEN BY LIQUIDS
    • F03C2/00—Rotary-piston engines
    • F03C2/08—Rotary-piston engines of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2/00—Rotary-piston machines or pumps
    • F04C2/08—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C2/10—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member
    • F04C2/103—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member one member having simultaneously a rotational movement about its own axis and an orbital movement
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2/00—Rotary-piston machines or pumps
    • F04C2/08—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C2/10—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member
    • F04C2/103—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member one member having simultaneously a rotational movement about its own axis and an orbital movement
    • F04C2/105—Details concerning timing or distribution valves

Definitions

  • the invention relates to a fluid machine, in particular a hydraulic machine, which comprises at least one working chamber, a rotor being driven by a torque or by a fluid that enters the at least one working chamber on an inlet side and out of the at least one working chamber on an outlet side for operating the machine flows out, is rotatable.
  • WO 86/04683 A1 describes a fluid machine in which a plurality of valve disks form an inlet and an outlet valve on an inlet and an outlet side.
  • Each of the valves comprises a first valve plate with several inlet and outlet openings through which the fluid can flow in and out of working chambers, and two further concentric valve plates, of which a first valve plate is fixed in place and a second valve plate is fixed against rotation with a shaft of the fluid machine connected is.
  • the working chambers are formed between a “stationary ring gear” and a “rotor ring gear” and between the “rotor ring gear” and a “ring gear” and are located between the inlet and outlet valves in the direction of flow.
  • a fluid machine designed as a motor or pump is known from WO 2015/076716 A1, in which a shaft is rotated by a linear movement of “pistons” against external teeth (“cam profile”) of a rotor shaft attachment.
  • No. 4,697,997 A discloses a fluid machine in which a shaft can rotate about central axes A, B by means of “spline connectors” when a fluid is introduced.
  • Fluid machines are also known from the prior art, which are designed either as a drive or as a pump. Such fluid machines can be operated with a pressurized gas or a pressurized liquid such as water or oil.
  • Hydraulic machines operated with hydraulic oil are used, for example, as drives in construction vehicles and are characterized by a particularly high drive torque. moment off.
  • the hydraulic oil flows into a usually cylindrical machine housing in which a rotor is arranged, from an inlet side, which is often referred to as the high-pressure side, through a working chamber to an outlet side, which is often referred to as the low-pressure side, causing the rotor to rotate for generation the drive torque.
  • inlet valve on the inlet side and an outlet valve on the outlet side, which must open and close synchronously in order to operate the fluid machine.
  • regulated valve control by a separate control unit is required in order to prevent a pressure loss or an undesired flow of the fluid past the working chamber. This creates a structurally complex system that is also very maintenance-intensive.
  • the present invention is based on the object of developing a fluid machine of the type mentioned at the beginning, which is simple in construction and particularly easy to maintain.
  • the object is achieved in that a rotation of the rotor causes control of at least one valve.
  • the valve is controlled directly and synchronously with a movement of the rotor.
  • An additional control unit for controlling the at least one valve is advantageously not required.
  • the at least one valve expediently comprises at least one eccentric valve disk.
  • the valve disc is preferably circular.
  • the preferably circular valve disk is arranged eccentrically, there is a gap between the disk and an inner wall of a cylindrical machine housing of the fluid machine, which forms a passage channel for the fluid, through which the fluid can flow into the at least one working chamber for the operation of the machine, while the valve disk forms a sealing surface with the machine housing on a side opposite the gap.
  • the fluid can flow through the gap into the at least one working chamber and cause the rotor to rotate.
  • a fluid pressure acts on at least one rotor outer tooth of the rotor or at least one rotor shaft attachment tooth.
  • a rotor shaft attachment is preferably attached eccentrically to a rotor shaft of the rotor by a tooth connection.
  • Adjacent rotor outer teeth or rotor shaft attachment teeth, a machine housing and the at least one valve delimit the at least one working chamber. If two eccentric valves are provided, one can control an inlet into the at least one working chamber and another can control an outlet out of the at least one working chamber.
  • both the inlet valve and the outlet valve can have at least one valve disk, the at least one valve disk of the inlet valve being arranged offset by 90 degrees in the circumferential direction relative to the at least one valve disk of the outlet valve.
  • the at least one working chamber is delimited by a machine housing, rotor external teeth or rotor shaft attachment teeth and the two valves, a force acting on the rotor external teeth or rotor shaft attachment teeth through fluid pressure can cause the rotor to rotate in such a way that an inlet opening of the at least one working chamber is reduced, while an exhaust port is enlarged. It is advantageously ensured that the fluid can flow into the at least one working chamber on the inlet side and can flow out of the working chamber on the outlet side.
  • valve disks are connected to the rotor shaft or the rotor shaft attachment, a movement of the valve disks synchronous with the rotation of the rotor is possible.
  • a separate control for example by a control unit, is not required.
  • the valve disks can be designed to be elastic, for example made of a plastic.
  • An adaptation to a pressure-related deformation of a machine housing during operation of the fluid machine is possible. It is advantageously prevented that further gaps are formed and a leakage flow, that is to say a fluid flow which does not make any contribution to the generation of a rotation of the rotor, increases.
  • the at least one valve comprises a plurality of eccentric valve disks which are attached one behind the other in a longitudinal direction of the rotor shaft, with adjacent valve disks being arranged offset from one another in particular in the circumferential direction.
  • the offset arrangement advantageously ensures particularly good tightness of a working chamber during machine operation. Gaps that can cause a flow through the at least one working chamber without generating a torque are advantageously not formed. A leakage flow is minimized. The efficiency of the machine increases. With an increasing number of valve disks, the leakage flow also decreases.
  • two valves, one on the inlet side and one on the outlet side are provided, each of which comprises a plurality of valve disks.
  • the at least one valve comprises a plurality of toothed and eccentric valve disks which are arranged one behind the other in a longitudinal direction of the rotor, with adjacent valve disks being arranged offset from one another in particular in the circumferential direction.
  • the at least one valve is advantageously formed from identical components. Production of the fluid machine is simplified as a result.
  • the offset arrangement also advantageously ensures particularly good tightness of the working chamber during machine operation.
  • valve disks of the at least one valve, the rotor and / or a rotor shaft attachment are toothed. External teeth can be integrally formed on a rotor shaft of the rotor or a rotor shaft attachment. Production of the fluid machine is advantageously simplified. Essentially identical components can be used both for the valves and for the rotor shaft attachment.
  • each of which is designed as a rotatable cylinder element whose axis of rotation is preferably parallel to a longitudinal axis of the rotor.
  • a working chamber is formed between adjacent rotor teeth or rotor shaft attachment teeth, adjacent internal teeth of the machine housing and the inlet and outlet valves. External teeth of the valve disks, of the rotor or of the rotor shaft attachment rest against the internal teeth, form a sealing surface and move relative to the internal teeth when the machine is in operation, as the rotor rotates and the valve disks are synchronized with it.
  • a rotatable mounting of the internal teeth advantageously minimizes friction losses. The efficiency increases, wear decreases.
  • a torque to be applied to start the fluid machine is significantly lower than without a rotatable mounting of the internal teeth.
  • valve disks of the at least one valve are provided with rotatable cylinder elements having external teeth, while internal teeth of a machine housing are rigid.
  • a gap is formed between the cylinder element and the machine housing or an inner part of the machine housing, which gap is provided for receiving fluid during operation of the fluid machine and is used as a lubricant bag works. Frictional losses are advantageously further reduced. Furthermore, wear is reduced.
  • the at least one valve and the rotor are expediently coupled directly to one another and can be rotated synchronously.
  • the at least one valve can be connected non-rotatably to a rotor shaft.
  • valve has internal teeth which are in engagement with external teeth of the rotor shaft.
  • a rotation of the rotor in relation to the rotor shaft attachment advantageously brings about a synchronous valve control.
  • a separate control unit to control the valves is not required.
  • a material and / or frictional connection or a combination of different types of connection is also conceivable.
  • two valves are provided, of which a first valve regulates a fluid inlet into the at least one working chamber and a second regulates a fluid outlet out of the at least one working chamber.
  • Both valves can be formed from at least one valve disc and connected to a rotor shaft in a rotationally fixed manner. It goes without saying that both valves are moved synchronously with a rotation of the rotor. Self-regulation of the valve control is advantageously effected.
  • the at least one valve disk of each valve rotates synchronously with a rotor shaft attachment of the rotor.
  • the rotor shaft attachment preferably encloses a rotor shaft and is connected to this by a tooth connection acting as a gear.
  • a gear ratio can be set by suitable selection of a toothing.
  • a rotational speed of the rotor can advantageously be set during operation of the fluid machine.
  • the at least one valve has a valve body which extends through an inlet channel and an outlet channel. Because the valve body extends through the two channels, an inlet and an outlet channel can be at least partially opened or closed at the same time by moving a single valve. A particularly simply constructed fluid machine is advantageously created, which can be made very compact. Although it is conceivable that an inlet channel and an outlet channel are of different sizes, in one embodiment of the invention an inlet channel and an outlet channel are of the same size and, in particular, have the same cross-sections. A particularly simple production is advantageously possible.
  • the at least one valve is expediently designed as a rotary slide, which has an eccentrically arranged means for rotating the rotary slide, which preferably comprises an actuating pin. By operating the eccentric pin, the valves can be opened and closed particularly easily with little effort.
  • a means for controlling and rotating the at least one valve designed as a rotary slide which preferably comprises a control disk.
  • the preferably circular control disk can be connected to a rotor or a rotor shaft attachment. Because the control disk opens or closes the at least one rotary slide valve, valve control is advantageously synchronous with the rotation of the rotor. Continuous, trouble-free operation of the fluid machine is ensured. A separate control unit for valve control is not required.
  • a means for controlling and rotating at least one valve designed as a rotary slide valve has a control disk with recesses which are provided for receiving an eccentric means for rotating the valve designed as a rotary slide valve.
  • the eccentric means for rotating the rotary slide which can comprise actuating pins, engages in the recesses, which can be designed as through bores or blind holes. A particularly stable and precisely fitting reception of the eccentric means is advantageously possible.
  • control disk has an annular groove.
  • a web of a rotor shaft or a rotor shaft attachment which extends at least partially in a circumferential direction engages in the annular groove.
  • the control disk is held concentrically on the rotor shaft or the rotor shaft attachment and can be rotated eccentrically with the valve control synchronously with its rotation.
  • a direction of rotation of the fluid machine can be reversed by interchanging a high-pressure side and a low-pressure side.
  • the high pressure side is an inlet side
  • the low-pressure side an outlet side.
  • Four-quadrant operation is advantageously possible.
  • a direction of inflow of the fluid into the fluid machine is expediently parallel, perpendicular or oblique to a longitudinal direction of the rotor.
  • the rotor is designed as a hollow shaft.
  • the fluid machine can advantageously be designed as a ring which encloses a component to be rotated or is connected non-rotatably to a component or an assembly.
  • a component or such an assembly can be members of an industrial robot that can be moved relative to one another and have to apply particularly large forces.
  • the fluid machine is designed as a pump or as a drive.
  • a fluid By rotating the rotor by an applied torque, a fluid can be conveyed from an inlet side to an outlet side. If, on the other hand, a fluid flows under pressure from an inlet side to an outlet side, the rotation of the rotor generates a torque that can be used, for example, to operate a drive train.
  • the fluid machine can advantageously be used flexibly for various uses.
  • a through channel through which the fluid can flow through an inlet valve into the at least one working chamber is delimited by eccentric valve disks and an inner wall of a machine housing or an inner machine housing. It is advantageously ensured that the fluid can flow into the at least one working chamber on an inlet side and a leakage flow, that is to say a fluid flow which does not contribute to the generation of a rotation of the rotor, is minimized.
  • a fluid machine with a simple structure is also advantageously created; special sealing means known from the prior art are not required.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of a fluid machine according to the invention in several views
  • a hydraulic machine (1) which can be operated with water and is shown in FIG. 1 a in a partially sectioned isometric view, in FIG. 1 b in a partially sectioned side view and in FIG. 1 c along a section BB comprises a cylindrical machine housing (2) in which a cylindrical rotor (3) is rotatably supported by ball bearings (4).
  • the machine housing (2) is formed by a rotor shaft (5), on the outer surface of which is spaced apart from one another in the circumferential direction, two supporting disks (7, 8) and two valves (9, 10), each with a valve disk (11, 12), divided into an inlet chamber (13), several working chambers (14) arranged in the circumferential direction and an outlet chamber (15).
  • Each working chamber (14) is delimited by the valve disks (11, 12) as well as adjacent outer rotor teeth (6) and the machine housing (2).
  • the two valve disks (11, 12) are arranged eccentrically on the rotor shaft (5) offset from one another by 180 ° in the circumferential direction.
  • a first through channel (16) is formed between the valve disc (11) and the machine housing (2), through which water can flow from the inlet chamber (13) into several working chambers (14).
  • a second through-channel (17) is formed between the valve disc (12) and the machine housing (2), through which water can flow out of the working chambers (14) into the outlet chamber (15).
  • the first (16) and the second through channel (17) are located on opposite sides of the machine housing (2) and each extend over half its circumference.
  • the two support disks (7, 8) have a smaller diameter than the machine housing (2), so that an annular gap (18, 19) is formed between the support disks (7, 8) and the machine housing (2).
  • the support disks (7, 8), the rotor external teeth (6) and the valve disks (11, 12) form sealing surfaces on contact surfaces where they rest against one another. A tightness becomes achieved in that these components are pressed against one another by clamping a pressure disk (21) shown in detail in FIG. 1b and a plate spring (22) on the inlet side of the machine housing (2) between the support disk (7) and a locking ring (20) are. On one outlet side, the support disc (8) rests against a further locking ring (23).
  • water can flow from a high-pressure side, which is an inlet side, through an inlet opening (24) into the inlet chamber (13) and through the annular gap (18) and the first passage channel (16) further into the at least partially open Flow into working chambers (14). From the working chambers (14), the water can be discharged on the outlet side, if the valve disc (12) is in the appropriate position, through the second through-channel (17) and the annular gap (19) into the outlet chamber (15) to the low-pressure side and out of this through an outlet opening (25) flow out of the machine housing (2).
  • valve disks (11, 12) are offset from one another by 180 degrees in the circumferential direction, the water flows into the working chambers (14) on the inlet side depending on the position of the valve disk (11), but cannot or only in small quantities outflow on the outlet side , since the second through-channel (17) is blocked by the valve disc (12) on the outlet side.
  • Water pressure is applied to the outer rotor teeth (6) delimiting the working chambers (14), causing the rotor shaft (3) to rotate in the direction of an arrow (26).
  • the valve disks (11, 12) attached to the rotor shaft (5) are rotated synchronously in such a way that when the rotor rotates, the working chambers (14) are gradually closed on the inlet side and gradually opened on the outlet side. As a result, water that has flowed into the working chambers and causing the rotor to rotate is expelled on the outlet side.
  • FIG. 2 In a machine housing (2) shown in FIG. 1c, the rotor shaft attachment (6) is shown hatched. Water can flow directly from the inlet chamber (14) into the outlet chamber (15) through a section (27) of the through channel (17).
  • FIG. 2 A hydraulic machine (la) shown in Fig. 2a in a partially sectioned, sectioned isometric view, in Fig. 2b in a partially sectioned side view and in Fig. 2c along a section BB differs from that shown in Fig. 1 in that each valve (9a, 10a) each has three eccentric valve disks (28-30, 31-33) arranged one behind the other, which are arranged offset from one another by 45 degrees in the circumferential direction.
  • a second through-channel (17a) shown in FIG. 2c does not have a section, denoted by (27) in FIG. 1, with a gap between the valve disks (31-33) and a machine housing (2a) through which water runs during operation of the hydraulic machine (la) can flow directly from an inlet chamber (13a) into an outlet chamber (15a).
  • FIG. 3 where parts that are the same or function in the same way are denoted by the same reference numbers as in FIGS. 1 and 2 and the letter b is added to the relevant reference number.
  • a further embodiment of a hydraulic machine (lb) shown in FIG. 3a in a partial longitudinal section and in FIG. 3b in a partial cross section along BB comprises a two-part, cylindrical machine housing (2b), which has an outer machine housing (34) and an inner machine housing ( 35), the inner housing (35) being provided with 18 inner teeth (36) which are designed to engage with 17 outer teeth (37) of seven identical valve disks (38) of an inlet valve (9b) and an outlet valve (10b) and rotor shaft attachment teeth ( 6b) of a rotor shaft attachment (39) are provided.
  • Each inner tooth is designed as a pin-like cylinder element (40) which is arranged in a bore (41) in the inner housing (35) which is partially open in the circumferential direction.
  • Each cylinder element (40) is rotatable about an axis which is parallel to a longitudinal axis of the rotor (3b).
  • a gap is formed between the cylinder elements (40) and the machine inner housing, which gap is provided to be filled with water during operation of the hydraulic machine (1b) and thus to act as a lubrication pocket.
  • Each of the seven valve disks (38) of each valve (9b, 10b) is arranged eccentrically to a cylinder axis of the machine housing (2b), with internal teeth (42) of the eccentric valve disks engaging in external teeth (43) of a rotor (3b) and adjacent valve disks ( 38) as shown in Fig. 3c and d in a partially sectioned isometric view are arranged offset from one another in the circumferential direction.
  • valve disks (38) and the rotor shaft attachment (39) have essentially the same cross-sections, which means in particular that each valve disk (38) and the rotor shaft attachment (39) are provided with the same number of external teeth (37, 6b).
  • Working chambers (14b) are delimited by the valves (9b, 10b), adjacent cylinder elements (40), adjacent rotor shaft attachment teeth (6b) and the machine inner housing (35).
  • the fluid which can be water, oil or a gas
  • valve disks (38) are offset from one another in the circumferential direction and are arranged eccentrically, it is ensured during operation of the fluid machine (lb) that fluid can flow into the working chambers on the inlet side and can flow out on the outlet side after the rotor (3b) continues to rotate. A leakage flow is completely prevented. Continuous operation is advantageously possible due to the synchronous movement of the valve disks (38).
  • FIG. 4 where parts that are the same or function in the same way are denoted by the same reference numbers as in FIGS. 1 to 3 and the letter c is added to the relevant reference number.
  • FIG. 4a A detail of a particular embodiment of a hydraulic machine (lc) shown schematically in FIG. 4a in an isometric rear view and in FIG. 4b in a top view comprises a rotor shaft attachment (39c) with seventeen rotor shaft attachment teeth (6c) and a machine housing inner part (45), which is in a 4 is arranged hollow cylindrical machine housing, in the outer surface of which bores are made through which a fluid, which can be water, oil or a gas, can flow into inlet channels (46) and can flow out through outlet channels (47).
  • a fluid which can be water, oil or a gas
  • Each inlet (46) and outlet (47) channel which are of the same size, extends perpendicular to a rotor shaft (not shown in FIG. 4).
  • Both channels (46, 47) can be at least partially opened or closed at the same time by a single rotatable valve (48), since a semi-cylindrical valve body (49) of the valve (48) extends over both channels (46,
  • each of the valve bodies (49) has an eccentric actuating pin (50), which can be actuated to rotate into different valve positions shown in FIG. 4a.
  • Each actuating pin (50) engages in bores (51) designed as blind holes and shown schematically in FIG. 4c.
  • an annular groove (52) of a control disk (53) engages a web (not shown in FIG. 4c) which extends in the circumferential direction and which is integrally formed on a rotor shaft attachment (39c).
  • the control disk (52) and a rotor (3c) move synchronously during machine operation, which controls the valves (48).
  • a working chamber (14c) is delimited by adjacent rotor shaft attachment teeth (6c), adjacent cylinder elements (40c), the associated semi-cylindrical valve body (49) and the control disk (53). On a side opposite the control disk, a cover (not shown in FIG. 4) is provided to delimit the working chambers (14c).
  • each valve (48) comprises a two-part valve body, the first valve body part of which can be rotated by a first control disk (53) and the second valve body part of which is rotatable by a valve body not shown in FIG. identical second control disc.
  • the second control disk can be attached to a side opposite the first control disks and can preferably be formed in one piece.
  • each toothed valve disc (38) is provided with external teeth (37), each of which is designed as a rotatable cylinder element (40; 40c), while internal teeth of a machine housing (2b) or an inner part of the machine housing (45) are fixed.
  • a fluid machine (1-lc) is designed as a pump and / or is operated with oil or a gas such as nitrogen.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fluidmaschine (1; 1a; 1b; 1c), insbesondere Hydromaschine, die mindestens eine Arbeitskammer (14; 14a; 14b; 14c) umfasst, wobei ein Rotor (3; 3a; 3b) durch ein Drehmoment oder durch ein Fluid, das zum Betrieb der Maschine auf einer Einlassseite in die mindestens eine Arbeitskammer (14; 14a; 14b; 14c) hinein- und auf einer Auslassseite aus der mindestens einen Arbeitskammer herausströmt, drehbar ist. Zweckmäßigerweise bewirkt eine Drehung des Rotors (3; 3a; 3b) eine Steuerung mindestens eines Ventils (9, 10; 9a, 10a; 9b, 10b; 48). Die Ventilsteuerung erfolgt unmittelbar durch eine Bewegung des Rotors und synchron dazu. Eine zusätzliche Steuereinheit zur Ansteuerung des mindestens einen Ventils ist vorteilhaft nicht erforderlich.

Description

Beschreibung:
„Fluidmaschine, insbesondere Hydromaschine“
Die Erfindung betrifft eine Fluidmaschine, insbesondere Hydromaschine, die mindestens eine Arbeitskammer umfasst, wobei ein Rotor durch ein Drehmoment oder durch ein Fluid, das zum Betrieb der Maschine auf einer Einlassseite in die mindestens eine Arbeitskammer hinein- und auf einer Auslassseite aus der mindestens einen Arbeitskammer herausströmt, drehbar ist.
WO 86/04683 Al beschreibt eine Fluidmaschine, bei der auf einer Einlass- und einer Auslassseite mehrere Ventilscheiben ein Einlass- sowie Auslassventil bilden. Jedes der Ventile umfasst eine erste Ventilplatte mit mehreren Einlass- sowie Auslassöffnungen, durch die das Fluid in Arbeitskammern ein- und ausströmen kann, und zwei weitere konzentrische Ventilplatten, von denen eine erste Ventilplatte ortsfest angeordnet ist und eine zweite Ventilplatte drehfest mit einer Welle der Fluidmaschine verbunden ist. Die Arbeitskammern werden zwischen einem „stationary ring gear“ und einem „rotor ring gear“ sowie zwischen dem „rotor ring gear“ und einem „ring gear“ gebildet und befinden sich in Strömungsrichtung zwischen dem Einlass- und dem Auslassventil.
Aus WO 2015/076716 Al ist eine als Motor oder Pumpe ausgebildete Fluidmaschine bekannt, bei der eine Rotation einer Welle durch eine lineare Bewegung von „pistons“ gegen Außenzähne („cam profile“) eines Rotorschaftaufsatzes erfolgt.
US 4,697,997 A offenbart eine Fluidmaschine, bei der eine Welle durch „spline connectors“ um Zentralachsen A, B rotieren kann, wenn ein Fluid eingebracht wird.
Aus dem Stand der Technik sind ferner Fluidmaschinen bekannt, die entweder als Antrieb oder als Pumpe ausgebildet sind. Derartige Fluidmaschinen können mit einem druckbeauf schlagten Gas oder einer druckbeaufschlagten Flüssigkeit wie Wasser oder Öl betrieben werden.
Mit einem Hydrauliköl betriebene Hydromaschinen werden beispielsweise als Antriebe in Baufahrzeugen eingesetzt und zeichnen sich durch ein besonders hohes Antriebsdreh- moment aus. Das Hydrauliköl strömt in ein üblicherweise zylindrisches Maschinengehäuse, in dem ein Rotor angeordnet ist, von einer Einlassseite, die häufig als Hochdruckseite bezeichnet wird, durch eine Arbeitskammer auf eine Auslassseite, die häufig als Niederdruckseite bezeichnet wird, und bewirkt dabei eine Drehung des Rotors zur Erzeugung des Antriebsdrehmoments.
Auf der Einlassseite befindet sich ein Einlassventil und auf der Auslassseite ein Auslassventil, die zum Betrieb der Fluidmaschine synchron öffnen und schließen müssen. Hierzu ist bei bekannten Fluidmaschinen eine geregelte Ventilsteuerung durch eine separate Steuereinheit erforderlich, um einen Druckverlust oder eine unerwünschte Strömung des Fluids an der Arbeitskammer vorbei zu verhindern. Dadurch entsteht ein konstruktiv komplexes System, das außerdem sehr wartungsintensiv ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fluidmaschine der eingangs genannten Art weiterzubilden, die einfach aufgebaut und besonders wartungsfreundlich ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Drehung des Rotors eine Steuerung mindestens eines Ventils bewirkt.
Die Ventilsteuerung erfolgt unmittelbar durch eine Bewegung des Rotors und synchron dazu. Eine zusätzliche Steuereinheit zur Ansteuerung des mindestens einen Ventils ist vorteilhaft nicht erforderlich.
Zweckmäßigerweise umfasst das mindestens eine Ventil mindestens eine exzentrische Ventilscheibe. Vorzugsweise ist die Ventilscheibe kreisrund.
Dadurch, dass die vorzugsweise kreisrunde Ventilscheibe exzentrisch angeordnet ist, ist zwischen der Scheibe und einer Innenwand eines zylindrischen Maschinengehäuses der Fluidmaschine ein einen Durchgangskanal für das Fluid bildender Spalt vorhanden, durch den hindurch das Fluid zum Betrieb der Maschine in die mindestens eine Arbeitskammer einströmen kann, während die Ventilscheibe mit dem Maschinengehäuse auf einer dem Spalt gegenüberliegenden Seite eine Dichtfläche bildet. Durch den Spalt kann das Fluid in die mindestens eine Arbeitskammer hineinströmen und eine Drehung des Rotors bewirken. Dazu wirkt ein Fluiddruck auf mindestens einen Rotoraußenzahn des Rotors oder mindestens einen Rotorschaftaufsatzzahn. Ein Rotorschaftaufsatz ist vorzugsweise exzentrisch durch eine Zahnverbindung an einen Rotorschaft des Rotors angebracht. Benachbarte Rotoraußenzähne oder Rotorschaftaufsatzzähne, ein Maschinengehäuse sowie das mindestens eine Ventil begrenzen die mindestens eine Arbeitskammer. Sind zwei exzentrische Ventile vorgesehen, kann eines einen Einlass in die mindestens eine Arbeitskammer hinein und ein weiteres einen Auslass aus der mindestens einen Arbeitskammer heraus steuern. Dazu kann sowohl das Einlass- als auch das Auslassventil mindestens eine Ventilscheibe aufweisen, wobei die mindestens eine Ventilscheibe des Einlassventils beispielsweise in Umfangsrichtung um 90 Grad versetzt zur mindestens einen Ventilscheibe des Auslassventils angeordnet ist.
Dadurch, dass die mindestens eine Arbeitskammer durch ein Maschinengehäuse, Rotoraußenzähne oder Rotoschaftaufsatzzähne sowie die beiden Ventile begrenzt ist, kann ein durch einen Fluiddruck auf die Rotoraußenzähne oder Rotorschaftaufsatzzähne wirkende Kraft eine Drehung des Rotors derart bewirken, dass eine Einlassöffnung der mindestens einen Arbeitskammer verkleinert wird, während eine Auslassöffnung vergrößert wird. Vorteilhaft wird sichergestellt, dass das Fluid auf der Einlassseite in die mindestens eine Arbeitskammer einströmen kann und auf der Auslassseite aus der Arbeitskammer herausströmen kann.
Sind die Ventilscheiben mit dem Rotorschaft oder dem Rotorschaftaufsatz verbunden, ist eine mit der Drehung des Rotors synchrone Bewegung der Ventilscheiben möglich. Eine separate Ansteuerung, beispielsweise durch eine Steuereinheit, ist nicht erforderlich.
Die Ventilscheiben können elastisch ausgebildet sein, beispielsweise aus einem Kunststoff. Eine Anpassung an eine druckbedingte Verformung eines Maschinengehäuses beim Betrieb der Fluidmaschine ist möglich. Vorteilhaft wird verhindert, dass weitere Spalte ausgebildet werden und eine Verlustströmung, das heißt eine Fluidströmung, die keinen Beitrag zur Erzeugung einer Drehung des Rotors leistet, zunimmt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das mindestens eine Ventil mehrere exzentrische Ventilscheiben, die in einer Längsrichtung des Rotorschafts hintereinander angebracht sind, wobei benachbarte Ventilscheiben insbesondere in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind. Durch die versetzte Anordnung wird vorteilhaft im Maschinenbetrieb eine besonders gute Dichtheit einer Arbeitskammer sichergestellt. Spalte, die ein Durchströmen der mindestens einen Arbeitskammer ohne Erzeugung eines Drehmomentes bewirken können, werden vorteilhaft nicht ausgebildet. Eine Verlustströmung wird minimiert. Der Wirkungsgrad der Maschine nimmt zu. Mit zunehmender Ventilscheibenanzahl nimmt die Verlustströmung ferner ab. Vorzugsweise sind zwei Ventile, eines auf der Einlass- und eins auf der Auslassseite, vorgesehen, von denen jedes mehrere Ventilscheiben umfasst.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst das mindestens eine Ventil mehrere gezahnte und exzentrische Ventilscheiben, die in einer Längsrichtung des Rotors hinter einander angeordnet sind, wobei benachbarte Ventilscheiben insbesondere in Umfangs richtung zueinander versetzt angeordnet sind. Vorteilhaft ist das mindestens eine Ventil aus identischen Bauteilen gebildet. Eine Herstellung der Fluidmaschine wird dadurch vereinfacht. Durch die versetzte Anordnung wird im Maschinenbetrieb weiter vorteilhaft eine besonders gute Dichtheit der Arbeitskammer sichergestellt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung sind Ventilscheiben des mindestens einen Ventils, der Rotor und/oder ein Rotorschaftaufsatz gezahnt. Außenzähne können einstückig an einen Rotorschaft des Rotors oder einen Rotorschaftaufsatz angeformt sein. Vorteilhaft wird eine Herstellung der Fluidmaschine vereinfacht. Sowohl für die Ventile als auch für den Rotorschaftaufsatz sind im Wesentlichen identische Bauteile nutzbar.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere Innenzähne vorgesehen, von denen jeder als drehbares Zylinderelement ausgebildet ist, dessen Drehachse vorzugsweise parallel zu einer Längsachse des Rotors ist. Zwischen benachbarten Rotorzähnen oder Rotorschaftaufsatzzähnen, benachbarten Innenzähnen des Maschinengehäuses sowie dem Einlass- und dem Auslassventil wird jeweils eine Arbeitskammer gebildet. Außenzähne der Ventilscheiben, des Rotors oder des Rotorschaftaufsatzes liegen gegen die Innenzähne an, bilden eine Dichtfläche und bewegen sich beim Betrieb der Maschine relativ zu den Innenzähnen, indem der Rotor dreht und die Ventilscheiben synchron mitnimmt. Vorteilhaft werden durch eine drehbare Lagerung der Innenzähne Reibungsverluste minimiert. Der Wirkungsgrad steigt, Verschleiß sinkt.
Ferner ist ein aufzubringendes Drehmoment zum Start der Fluidmaschine wesentlich geringer als ohne drehbare Lagerung der Innenzähne.
Denkbar ist außerdem, dass Ventilscheiben des mindestens einen Ventils mit drehbaren Zylinderelemente aufweisenden Außenzähnen versehen sind, während Innenzähne eines Maschinengehäuses starr ausgebildet sind.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem Zylinderelement und dem Maschinengehäuse oder einem Maschinengehäuseinnenteil ein Spalt ausgebildet ist, der beim Betrieb der Fluidmaschine zur Aufnahme von Fluid vorgesehen ist und als Schmier- tasche wirkt. Vorteilhaft werden Reibungsverluste weiter verringert. Ferner wird Verschleiß reduziert.
Dadurch, dass ein Fluid auf einer Hochdruckseite (= Einlassseite) druckbeaufschlagt eingebracht wird, kann eine Selbstschmierung beim Betrieb der Fluidmaschine erfolgen. Ein Fluiddruck zum Betrieb wird zum Füllen des Spalts genutzt.
Zweckmäßigerweise sind das mindestens eine Ventil und der Rotor unmittelbar miteinander gekoppelt und synchron drehbar. Beispielsweise kann das mindestens eine Ventil drehfest mit einem Rotorschaft verbunden sein.
Denkbar ist eine formschlüssige Verbindung, bei der das Ventil Innenzähne aufweist, die mit Außenzähnen des Rotorschafts in Eingriff stehen. Vorteilhaft bewirkt eine Drehung des Rotors zum Rotorschaftaufsatz eine synchrone Ventilsteuerung. Eine separate Steuereinheit zu Steuerung der Ventile ist nicht erforderlich.
Denkbar ist außerdem eine Stoff- und/oder reibschlüssige Verbindung oder eine Kombination verschiedener Verbindungsarten.
In einer Ausgestaltung der Erfindung sind zwei Ventile vorgesehen, von denen ein erstes Ventil einen Fluideinlass in die mindestens eine Arbeitskammer hinein regelt und ein zweites einen Fluidauslass aus der mindestens einen Arbeitskammer heraus. Beide Ventile können aus mindestens einer Ventilscheibe gebildet und drehfest mit einem Rotorschaft verbunden sein. Es versteht sich, dass beide Ventile synchron mit einer Rotordrehung bewegt werden. Vorteilhaft wird eine Selbstregelung der Ventilsteuerung bewirkt.
Denkbar ist, dass die mindestens eine Ventilscheibe eines jeden Ventils synchron mit einem Rotorschaftaufsatz des Rotors dreht. Der Rotorschaftaufsatz umschließt vorzugsweise einen Rotorschaft und ist mit diesem durch eine als Getriebe wirkende Zahnverbindung verbunden. Durch geeignete Wahl einer Zahnung ist eine Getriebeübersetzung einstellbar. Vorteilhaft ist eine Drehzahl des Rotors bei Betrieb der Fluidmaschine einstellbar.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das mindestens eine Ventil einen Ventilkörper auf, der sich durch einen Einlass- und einen Auslasskanal erstreckt. Dadurch, dass sich der Ventilkörper durch die beiden Kanäle erstreckt, können durch Bewegung eines einzigen Ventils gleichzeitig ein Einlass- und einen Auslasskanal wenigstens teilweise geöffnet oder geschlossen werden. Vorteilhaft wird eine besonders einfach konstruierte Fluidmaschine geschaffen, die sehr kompakt ausgebildet sein kann. Obwohl denkbar ist, dass ein Einlass- und ein Auslasskanals verschieden groß sind, sind in einer Ausgestaltung der Erfindung ein Einlass- und ein Auslasskanal gleich groß und weisen insbesondere gleiche Querschnitte auf. Ein besonders einfache Fertigung ist vorteilhaft möglich.
Zweckmäßigerweise ist das mindestens eine Ventil als Drehschieber ausgebildet, der ein exzentrisch angeordnetes Mittel zur Drehung des Drehschiebers aufweist, das vorzugsweise einen Betätigungsstift umfasst. Durch Betätigung des exzentrischen Stiftes ist ein besonders einfaches Öffnen und Schließen der Ventile bei geringem Kraftaufwand möglich.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Mittel zur Ansteuerung und Drehung des mindestens einen als Drehschieber ausgebildeten Ventils vorgesehen, das vorzugsweise eine Steuerscheibe umfasst. Die vorzugsweise kreisrunde Steuerscheibe kann mit einem Rotor oder einem Rotorschaftaufsatz verbunden sein. Dadurch, dass die Steuerscheibe das mindestens eine Drehschieberventil öffnet oder schließt, ist eine Ventilsteuerung vorteilhaft synchron zur Rotation des Rotors. Ein kontinuierlicher, störungsfreier Betrieb der Fluidmaschine ist sichergestellt. Eine separate Steuereinheit zur Ventilsteuerung nicht erforderlich.
Zweckmäßigerweise weist ein Mittel zur Ansteuerung und Drehung mindestens eines als Drehschieber ausgebildeten Ventils eine Steuerscheibe mit Ausnehmungen auf, die zur Aufnahme eines exzentrischen Mittels zur Drehung des als Drehschieber ausgebildeten Ventils vorgesehen sind. In die Ausnehmungen, die als durchgehende Bohrungen oder Sacklöcher ausgebildet sein können, greift das exzentrisches Mittel zur Drehung des Drehschiebers, das Betätigungsstifte umfassen kann, ein. Vorteilhaft ist eine besonders stabile und passgenaue Aufnahme des exzentrischen Mittels möglich.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Steuerscheibe eine Ringnut auf. In die Ringnut greift ein sich wenigstens teilweise in einer Umfangsrichtung erstreckender Steg eines Rotorschafts oder eines Rotorschaftaufsatzes ein. Die Steuerscheibe wird konzen trisch an dem Rotorschaft oder dem Rotorschaftaufsatz gehalten und kann synchron zu dessen Drehung zur Ventilsteuerung exzentrisch mitgedreht werden. Vorteilhaft wird eine besonders einfache und ausfallsichere Ventilsteuerung erreicht.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Drehrichtung der Fluidmaschine umkehrbar, indem eine Hochdruck- und eine Niederdruckseite vertauscht werden. Die Hochdruckseite ist eine Einlassseite, die Niederdruckseite eine Auslassseite. Vorteilhaft ist ein Vierquadrantenbetrieb möglich.
Zweckmäßigerweise ist eine Einströmrichtung des Fluids in die Fluidmaschine parallel, senkrecht oder schräg zu einer Längsrichtung des Rotors. Vorteilhaft besteht eine große Gestaltungsfreiheit. Bauliche Einschränkungen liegen nicht vor. Ein flexibler Einsatz beispielsweise in Fahrzeugen unterschiedlicher Größe und für unterschiedliche Anwendungen ist möglich.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist der Rotor als Hohlwelle ausgebildet. Vorteilhaft kann die Fluidmaschine als Ring ausgebildet sein, der ein zu drehendes Bauteil umschließt oder drehfest mit einem Bauteil oder einer Baugruppe verbunden ist. Ein solches Bauteil oder eine solche Baugruppe können Glieder eines Industrieroboters sein, die relativ zueinander bewegbar sind und besonders große Kräfte aufbringen müssen.
Eine Verwendung in Windkraftanlagen ist ferner denkbar.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Fluidmaschine als Pumpe oder als Antrieb ausgebildet. Durch Drehung des Rotors durch ein aufgebrachtes Drehmoment kann ein Fluid von einer Einlassseite zu einer Auslassseite befördert werden. Strömt hingegen ein Fluid unter Druckbeaufschlagung von einer Einlass- zu einer Auslassseite, wird durch Drehung des Rotors ein Drehmoment erzeugt, das beispielsweise zum Betrieb eines Antriebsstrangs nutzbar ist. Vorteilhaft ist die Fluidmaschine für verschiedene Verwendungen flexibel einsetzbar.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Durchgangskanal, durch den das Fluid durch ein Einlassventil in die mindestens eine Arbeitskammer einströmen kann, von exzentrischen Ventilscheiben und einer Innenwand eines Maschinengehäuses oder eines Maschinenin- nengehäuses begrenzt. Vorteilhaft wird sichergestellt, dass das Fluid auf einer Einlassseite in die mindestens eine Arbeitskammer einströmen kann und eine Verlustströmung, das heißt eine Fluidströmung, die keinen Beitrag zur Erzeugung einer Drehung des Rotors leistet, minimiert wird. Weiter vorteilhaft wird eine Fluidmaschine mit einfachem Aufbau geschaffen, besondere aus dem Stand der Technik bekannte Dichtungsmittel sind nicht erforderlich.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beigefügten, sich auf die Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen, näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fluidmaschine in mehreren Ansichten,
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fluidmaschine in mehreren Ansichten,
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Fluidmaschine in mehreren Ansichten,
Fig. 4 Details einer besonderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Fluidmaschine.
Eine in Fig. la in einer teilweise geschnittenen isometrischen Ansicht, in Fig. lb in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht sowie in Fig. lc entlang eines Schnitts B-B gezeigte, mit Wasser betreibbare Hydromaschine (1) umfasst ein zylindrisches Maschinengehäuse (2), in dem ein zylindrischer Rotor (3) durch Kugellager (4) drehbar gelagert ist.
Das Maschinengehäuse (2) ist durch einen Rotorschaft (5), auf dessen Mantelfläche in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Rotoraußenzähne (6) angeformt sind, zwei Stützscheiben (7, 8) sowie Ventile zwei (9, 10), die jeweils eine Ventilscheibe (11, 12) umfassen, in eine Einlasskammer (13), mehrere in Umfangsrichtung angeordnete Arbeitskammern (14) sowie eine Auslasskammer (15) geteilt. Jede Arbeitskammer (14) wird von den Ventilscheiben (11, 12) sowie benachbarten Rotoraußenzähnen (6) und dem Maschinengehäuse (2) begrenzt.
Die beiden Ventilscheiben (11, 12) sind exzentrisch an dem Rotorschaft (5) in Umfangs richtung um 180° zueinander versetzt angeordnet. Zwischen der Ventilscheibe (11) und dem Maschinengehäuse (2) wird ein erster Durchgangskanal (16) gebildet, durch den Wasser aus der Einlasskammer (13) in mehrere Arbeitskammern (14) einströmen kann. Zwischen der Ventilscheibe (12) und dem Maschinengehäuse (2) wird ein zweiter Durchgangskanal (17) gebildet, durch den Wässer aus den Arbeitskammern (14) in die Auslasskammer (15) ausströmen kann. Der erste (16) und der zweite Durchgangskanal (17) befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten des Maschinengehäuses (2) und erstrecken sich jeweils über dessen halben Umfang.
Die beiden Stützscheiben (7, 8) weisen einen kleineren Durchmesser als das Maschinengehäuse (2) auf, so dass jeweils zwischen den Stützscheiben (7, 8) und dem Maschinengehäuse (2) ein Ringspalt (18, 19) ausgebildet ist.
Die Stützscheiben (7, 8), die Rotoraußenzähne (6) und die Ventilscheiben (11, 12) bilden an Kontaktflächen, an denen sie aneinander anliegen, Dichtflächen aus. Eine Dichtheit wird dadurch erreicht, dass diese Bauteile aneinander angepresst sind, indem auf der Einlassseite des Maschinengehäuses (2) zwischen der Stützscheibe (7) und einem Sicherungsring (20) eine in Fig. lb im Detail gezeigte Druckscheibe (21) sowie eine Tellerfeder (22) eingespannt sind. Auf einer Auslassseite liegt die Stützscheibe (8) gegen einen weiteren Sicherungsring (23) an.
Wasser kann beim Betrieb der Hydromaschine (1) von einer Hochdruckseite, die eine Einlassseite ist, durch eine Einlassöffnung (24) in die Einlasskammer (13) sowie durch den Ringspalt (18) und den ersten Durchgangskanal (16) weiter in die wenigstens teilweise geöffneten Arbeitskammern (14) einströmen. Aus den Arbeitskammern (14) kann das Wasser auslassseitig bei entsprechender Stellung der Ventilscheibe (12) durch den zweiten Durchgangskanal (17) sowie den Ringspalt (19) in die Auslasskammer (15) auf die Niederdruckseite und aus dieser heraus durch eine Auslassöffnung (25) aus dem Maschinengehäuse (2) herausströmen.
Dadurch, dass die Ventilscheiben (11, 12) in Umfangsrichtung 180 Grad zueinander versetzt angeordnet sind, strömt das Wässer einlassseitig abhängig von einer Stellung der Ventilscheibe (11) in die Arbeitskammern (14) ein, kann jedoch auslassseitig nicht oder nur in geringen Mengen ausströmen, da der zweite Durchgangskanal (17) durch die auslassseitigen Ventilscheibe (12) gesperrt ist. Ein Wasserdruck steht an den die Arbeitskammern (14) begrenzenden Rotoraußenzähnen (6) an, wodurch eine Drehung des Rotorschafts (3) in Richtung eines Pfeils (26) bewirkt wird. Die an dem Rotorschaft (5) befestigten Ventilscheiben (11, 12) werden derart synchron mitgedreht, dass bei der Rotordrehung die Arbeitskammern (14) auf der Einlassseite schrittweise verschlossen und auf der Auslassseite schrittweise geöffnet werden. Dadurch wird in die Arbeitskammern eingeströmtes, die Rotordrehung bewirkendes Wässer auf der Auslassseite ausgestoßen.
Bei einem folgenden Einström- und Ausströmzyklus kann in einer entsprechenden Stellung der Ventilscheiben (11,12) erneut Wasser einlassseitig in die Arbeitskammer einströmen, eine synchrone Drehung des Rotors sowie der Ventile (9, 10) bewirken und auslassseitig ausströmen. Ein kontinuierlicher Betrieb der Hydromaschine (1) ist möglich.
In einem in Fig. lc gezeigten Maschinengehäuse (2) ist der Rotorschaftaufsatz (6) schraffiert dargestellt. Durch einen Abschnitt (27) des Durchgangskanals (17) kann Wässer unmittelbar aus der Einlass- (14) in die Auslasskammer (15) strömen. Es wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen, wo gleiche oder gleichwirkende Teile mit derselben Bezugszahl wie in Fig. 1 bezeichnet sind und der betreffenden Bezugszahl jeweils der Buchstabe a beigefügt ist. Eine in Fig. 2a in einer teilweise geschnittenen geschnittenen isometrischen Ansicht, in Fig. 2b in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht sowie in Fig. 2c entlang eines Schnitts B-B gezeigte Hydromaschine (la) unterscheidet sich von derjenige in Fig. 1 gezeigten dadurch, dass jedes Ventil (9a, 10a) jeweils drei exzentrische, hintereinander angeordnete Ventilscheiben (28-30, 31-33) aufweist, die in Umfangsrichtung jeweils um 45 Grad zueinander versetzt angeordnet sind.
Ein in Fig. 2c gezeigter, zweiter Durchgangskanal (17a) weist keinen in Fig. 1 mit (27) bezeichneten Abschnitt mit einem Spalt zwischen den Ventilscheiben (31-33) und einem Maschinengehäuse (2a) auf, durch den Wasser beim Betrieb der Hydromaschine (la) unmittelbar aus einer Einlasskammer (13a) in eine Auslasskammer (15a) strömen kann.
Eine Verlustströmung unmittelbar von einer Einlass- (13a) in eine Auslasskammer (15a) wird verhindert oder zumindest stark reduziert. Der Wirkungsgrad der Hydromaschine (la) wird vorteilhaft erhöht. Es wird nun auf Fig. 3 Bezug genommen, wo gleiche oder gleichwirkende Teile mit derselben Bezugszahl wie in Fig. 1 und 2 bezeichnet sind und der betreffenden Bezugszahl jeweils der Buchstabe b beigefügt ist.
Eine in Fig. 3a in einem teilweisen Längsschnitt und in Fig. 3b in einem teilweisen Quer- schnitt entlang B-B gezeigte weitere Ausführungsform einer Hydromaschine (lb) umfasst ein zweiteiliges, zylindrisches Maschinengehäuse (2b), das ein Maschinenaußengehäuse (34) sowie ein Maschineninnengehäuse (35) aufweist, wobei das Innengehäuse (35) mit 18 Innenzähnen (36) versehen ist, die zum Eingriff mit 17 Außenzähnen (37) von sieben identischen Ventilscheiben (38) eines Einlass- (9b) und eines Auslassventils (10b) sowie Rotorschaftaufsatzzähnen (6b) eines Rotorschaftaufsatzes (39) vorgesehen sind. Jeder Innenzahn ist als stiftartiges Zylinderelement (40) ausgebildet, das in einer in Umfangsrichtung teilweise offenen Bohrung (41) in dem Innengehäuse (35) angeordnet ist. Jedes Zylinderelement (40) ist um eine Achse drehbar, die parallel zu einer Längsachse des Rotors (3b) ist. Zwischen den Zylinderelementen (40) und dem Maschineninnengehäuse wird ein in Fig. 3 nicht gezeigter Spalt ausgebildet, der dazu vorgesehen ist, beim Betrieb der Hydromaschine (lb) mit Wasser gefüllt zu werden und dadurch als Schmiertasche zu wirken.
Jede der sieben Ventilscheiben (38) eines jeden Ventils (9b, 10b) ist exzentrisch zu einer Zylinderachse des Maschinengehäuses (2b) angeordnet, wobei Innenzähne (42) der exzentrischen Ventilscheiben in Außenzähne (43) eines Rotors (3b) eingreifen und benachbarte Ventilscheiben (38) wie in Fig. 3c und d in einer teilweise geschnittenen isometrischen Ansicht gezeigt in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordnet sind.
Der Rotorschaftaufsatz (39), der exzentrisch durch eine Zahnverbindung an den Rotorschaft (5b) angebracht ist, weist außerdem Innenzähne (44) auf, die mit den Außenzähnen (43) des Rotors (3b) in Eingriff stehen.
Die Ventilscheiben (38) und der Rotorschaftaufsatz (39) weisen im Wesentlichen gleiche Querschnitte auf, das heißt insbesondere, dass jede Ventilscheibe (38) und der Rotorschaftaufsatz (39) mit der gleichen Anzahl an Außenzähnen (37, 6b) versehen sind.
Arbeitskammern (14b) werden von den Ventilen (9b, 10b), benachbarten Zylinderelemente (40), benachbarten Rotorschaftaufsatzzähnen (6b) sowie dem Maschineninnengehäuse (35) begrenzt.
Ein Fluiddruck beim Einströmen des Fluids, das Wasser, Öl oder ein Gas sein kann, in die Arbeitskammern (14b) liegt gegen die Rotorschaftaufsatzzähnen (6b) an und bewirkt eine Drehung des Rotorschaftaufsatzes (39), der durch seine Zahnverbindung mit den Ventilscheiben (38) sowie dem Rotorschaft (5b) eine zur Drehbewegung synchrone Steuerung der Ventile (9b, 10b) bewirkt.
Dadurch, dass die Ventilscheiben (38) in Umfangsrichtung zueinander versetzt sowie exzentrisch angeordnet sind, wird beim Betrieb der Fluidmaschine (lb) sichergestellt, dass Fluid einlassseitig in die Arbeitskammern einströmen und auslassseitig nach einer Weiterdrehung des Rotors (3b) ausströmen kann. Eine Verlustströmung wird vollständig verhindert. Vorteilhaft ist durch die synchrone Bewegung der Ventilscheiben (38) ein kontinuierlicher Betrieb möglich. Es wird nun auf Fig. 4 Bezug genommen, wo gleiche oder gleichwirkende Teile mit derselben Bezugszahl wie in Fig. 1 bis 3 bezeichnet sind und der betreffenden Bezugszahl jeweils der Buchstabe c beigefügt ist.
Ein Detail einer in Fig. 4a in einer isometrischen Rückansicht und in Fig. 4b in einer Draufsicht schematisch gezeigten besonderen Ausführungsform einer Hydromaschine (lc) umfasst einen Rotorschaftaufsatz (39c) mit siebzehn Rotorschaftaufsatzähnen (6c) sowie ein Maschinengehäuseinnenteil (45), das in einem in Fig. 4 nicht gezeigten hohlzylindrischen Maschinengehäuse angeordnet ist, in dessen Mantelfläche Bohrungen eingebracht sind, durch die hindurch ein Fluid, das Wasser, Öl oder ein Gas sein kann, in Einlasskanäle (46) einströmen und durch Auslasskanäle (47) ausströmen kann. Jeder Einlass- (46) und Auslasskanal (47), die gleich groß sind, erstreckt sich senkrecht zu einem in Fig. 4 nicht gezeigten Rotorschaft. Beide Kanäle (46, 47) können durch ein einziges drehbares Ventil (48) gleichzeitig zumindest teilweise geöffnet oder verschlossen werden, da sich ein halbzylindrischer Ventilkörper (49) des Ventils (48) über beide Kanäle (46, 47) erstreckt.
Auf einer Stirnseite weist jeder der Ventilkörper (49) einen exzentrischen Betätigungsstift (50) auf, durch dessen Betätigung eine Drehung in unterschiedliche in Fig. 4a gezeigte Ventilstellungen möglich ist.
Jeder Betätigungsstift (50) greift in als Sacklöcher ausgebildete und in Fig. 4c schematisch gezeigte Bohrungen (51) ein. In eine Ringnut (52) einer Steuerscheibe (53) greift ein in Fig. 4c nicht gezeigter, sich in Umfangsrichtung erstreckender Steg ein, der einstückig an einen Rotorschaftaufsatz (39c) angeformt ist. Dadurch bewegen sich die Steuerscheibe (52) und ein Rotor (3c) im Maschinenbetrieb synchron, wodurch eine Steuerung der Ventile (48) bewirkt wird.
Eine Arbeitskammer (14c) wird von benachbarten Rotorschaftaufsatzzähnen (6c), benachbarten Zylinderelementen (40c), dem zugehörigen halbzylindrischen Ventilkörper (49) sowie der Steuerscheibe (53) begrenzt. Auf einer der Steuerscheibe gegenüberliegenden Seite ist zur Begrenzung der Arbeitskammern (14c) eine in Fig. 4 nicht gezeigte Abdeckung vorgesehen.
Strömt ein Fluid durch die Einlasskanäle (46) in eine der Arbeitskammern (14c) ein, werden der Rotor (3c) und die Steuerscheibe (53) synchron gedreht, wodurch eine Stellung der halbzylindrischen Ventilkörper (49) verändert wird, so dass zuvor verschlossene Ventile wenigstens teilweise geöffnet und geöffnete wenigstens teilweise verschlossen werden. Dadurch kann ein gegen Rotoraußenzähne (6c) anliegender Fluiddruck eine Drehung des Rotors (3b) sowie eine synchrone Bewegung der Ventile (48) bewirken. Ein kontinuierlicher Betrieb der Hydromaschine (lc) ist möglich.
Obwohl in Fig. 4 nicht gezeigt, ist denkbar, dass jedes Ventil (48) einen zweiteiligen Ventil- körper umfasst, dessen erster Ventilkörperteil durch eine erste Steuerscheibe (53) drehbar ist, und dessen zweiter Ventilkörperteil durch eine in Fig. 4 nicht gezeigte, baugleiche zweite Steuerscheibe. Die zweite Steuerscheibe kann auf einer der ersten Steuerscheiben gegenüberliegende Seite angebracht und vorzugsweise einstückig angeformt sein.
Ferner ist denkbar, dass jede gezahnte Ventilscheibe (38) mit Außenzähnen (37) versehen ist, von denen jeder als drehbares Zylinderelement (40; 40c) ausgebildet ist, während Innenzähne eines Maschinengehäuses (2b) oder eines Maschinengehäuseinnenteils (45) feststehend ausgebildet sind.
Es versteht sich, dass sämtliche Kombinationen von Merkmalen der in Fig. 1 bis 4 gezeigten Ausführungsformen denkbar sind.
Es ist außerdem denkbar, dass eine erfindungsgemäße Fluidmaschine (1-lc) als Pumpe ausgebildet ist und/oder mit Öl oder einem Gas wie Stickstoff betrieben wird.

Claims

1. Fluidmaschine (1; la; lb; lc), insbesondere Hydromaschine, die mindestens eine Arbeitskammer (14; 14a; 14b; 14c) umfasst, wobei ein Rotor (3; 3a; 3b) durch ein Drehmoment oder durch ein Fluid, das zum Betrieb der Maschine auf einer Einlassseite in die mindestens eine Arbeitskammer (14; 14a; 14b; 14c) hinein- und auf einer Auslassseite aus der mindestens einen Arbeitskammer herausströmt, drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehung des Rotors (3; 3a; 3b) eine Steuerung mindestens eines Ventils (9, 10; 9a, 10a; 9b, 10b; 48) bewirkt.
2. Fluidmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ventil (9, 10; 9a, 10a; 9b; 10b) mindestens eine exzentrische Ventilscheibe (11, 12; 28-30, 31-33; 38) umfasst.
3. Fluidmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ventil (9, 10; 9a, 10a; 9b; 10b) mehrere exzentrische Ventilscheiben (11, 12; 28-30, 31-33; 38) umfasst, die in einer Längsrichtung des Rotors (3; 3a; 3b) hintereinander angeordnet sind, wobei benachbarte Ventilscheiben (11, 12; 28-30, 31-33; 38) insbesondere in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordnet sind.
4. Fluidmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ventil (9b, 10b) mehrere gezahnte und exzentrische Ventilscheiben umfasst, die in einer Längsrichtung des Rotors (3b) hintereinander angeordnet sind, wobei benachbarte Ventilscheiben (38) insbesondere in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordnet sind.
5. Fluidmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Ventilscheiben (38) des mindestens einen Ventils (9b, 10b), der Rotor (3b) und/oder ein Rotorschaftaufsatz (39) gezahnt sind.
6. Fluidmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Innenzähne (36; 36c) vorgesehen sind, von denen jeder als drehbares Zylinderelement (40; 40c) ausgebildet ist, dessen Drehachse vorzugsweise parallel zu einer Längsachse des Rotors ist.
7. Fluidmaschine nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Zylinderelement (40; 40c) und dem Maschinengehäuse (2b) oder einem Maschinengehäuseinnenteil (45) ein Spalt ausgebildet ist, der beim Betrieb der Fluidmaschine zur Aufnahme von Fluid vorgesehen ist und als Schmiertasche wirkt.
8. Fluidmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ventil (9, 10; 9a, 10a; 9b, 10b; 48) und der Rotor (3; 3a;
3b) unmittelbar miteinander gekoppelt und synchron drehbar sind.
9. Fluidmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Ventile (9, 10; 9a, 10a; 9b, 10b) vorgesehen sind, von denen ein erstes Ventil (9; 9a; 9b) einen Fluideinlass in die mindestens eine Arbeitskammer (14; 14a; 14b) hinein und ein zweites (10; 10a; 10b) einen Fluidauslass aus der mindestens einen Arbeitskammer (14; 14a; 14b) heraus steuert.
10. Fluidmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ventil (48) einen Ventilkörper (49) aufweist, der sich durch einen Einlass- (46) und einen Auslasskanal (47) erstreckt.
11. Fluidmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ventil als Drehschieber (48) ausgebildet ist, der ein exzentrisches Mittel (50) zur Drehung des Drehschiebers aufweist, das vorzugsweise einen Betätigungsstift umfasst.
12. Fluidmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel (53) zur Ansteuerung und Drehung mindestens eines als Drehschieber ausgebildeten Ventils (48) vorgesehen ist, das vorzugsweise eine Steuerscheibe umfasst.
13. Fluidmaschine nach nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel (53) zur Ansteuerung und Drehung mindestens eines als Drehschieber ausgebildeten Ventils (48) eine Steuerscheibe (53) mit Ausnehmungen
(51) aufweist, die zur Aufnahme eines exzentrischen Mittels (50) zur Drehung des als Drehschieber ausgebildeten Ventils (48) vorgesehen sind.
14. Fluidmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerscheibe (53) eine Ringnut (52) aufweist.
15. Fluidmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehrichtung der Fluidmaschine umkehrbar ist, indem eine Hochdruck- und eine Niederdruckseite vertauscht werden.
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