NO161233B - Volumetrisk maskin med ruller. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en volumetrisk maskin med ruller

og som mottar energi fra eller tilfører energi til et fluid i gass- eller væskeform.

Denne maskin omfatter i det minste de følgende elementer og anordninger: - en stator bestående av et rørformet legeme ("statorring") og to endeplater, idet statorringen har en innvendig sylindrisk overflate ("statoroverflate") hvor ledelinjen kalles "statorbuen",

- en aksel som er dreibart opplagret i statoren,

- en rotor fastkilt på denne aksel, med en ytre overflate med sylindrisk form med sirkulær ledeflate ("rotorprofil") og som har nr identiske spor som munner ut på rotorens omkrets med samme innbyrdes vinkelavstand og er begrenset i rotor-omkretsens retning av to plane parallelle flater som ligger parallelt med et midtplan som kan være et radialplan, - sylindriske ruller i et antall av nr, ført i rotorens spor slik at de ligger an i lineær kontakt mot statoroverflaten og således danner arbeidskammere med et volum av-grenset av rotoren, statoren og to på hverandre følgende ruller, samt et variabelt tilleggsvolum ytterst i sporene, utenfor disses bevegelige ruller, og - en fordeling av fluid ved hjelp av åpninger an-bragt i statoren og eventuelt utstyrt med ventiler.

En således utformet maskin kan i sin enkleste form omfatte én eneste "maskincelle" (monocellemaskin), idet det volum som avgrenses mellom en rotor i enkleste form, den til-hørende rørformede statorring og de to endeplater kalles "celle".

Den således definerte celle er da volumet hvori arbeidskamrene sirkulerer og dannes.

I det følgende vil uttrykket "trykkflate" bli anvendt om den side av hvert spor som rullen ligger an mot når den driver rotoren og "ledeflate" om den side som den ligger an mot når den drives av rotoren.

Da rullenes aksiale dimensjon nødvendigvis er begrenset av de ønskede toleranser for bevegelsen i sporene kan man for å frembringe en maskin med stort ekvivalent slagvolum uten å øke dimensjonene i maskinens tverretning vesentlig og rullenes hastighet i forhold til statoroverflaten til uprak-tiske verdier, heller velge å la maskinen få flere celler (multicellemaskin).

En maskin som omfatter antallet k celler omfatter nød-vendigvis også k rotorer forskutt på samme aksel såvel som en stator bestående av k statorringer og tette skillevegger i et antall (k - 1), idet hver av disse adskiller to celler, mens maskinens to ytterste plater spiller rollen som endevegger.

Volumetriske maskiner med ruller og som arbeider som væskepumper har vært beskrevet, konstruert og anvendt. De kan være bygget opp som maskiner med vinger eller skovler og ruller som har en betydelig klaring i sine spor, idet passeringen av rullen fra én flate til en annen i sporet gjør at den kan virke som innvendig fordelingsorgan, idet det da prinsipielt unngås at et visst væskevolum under en del av syklusen stenges inne i et arbeidskammer hvor volumet reduseres.

I praksis synes imidlertid denne betingelse ikke å kunne oppfylles fullstendig, hvilket gjør seg bemerket ved de momentane betydelige overtrykk (GB-A 2 028 430).

Erfaringen viser at disse pumper ikke er reverser-bare og kan brukes også som væskemotor: når man bytter om innløp og utløp vil momentet på maskinens aksel variere svært uregelmessig i avhengighet av akselens dreievinkel og til og med for enkelte pumper periodisk kunne endre retning.

Kravene til konstruksjonen av en reversibel volumetrisk maskin med ruller synes således å være meget strengere enn til en maskin som bare har pumpefunksjon, fremfor alt hvis maskinens energiutvekslingsfluid er en væske. En pumpe med ruller kan således godt anvendes med betydelige akselmoment-variasjoner, mens en tilsvarende motor vil være uegnet under slike betingelser.

Det er uten tvil dette som forklarer hvorfor motorer med ruller sjelden har vært beskrevet (US-A 2826179) og enda sjeldnere har. funnet industriell anvendelse.

Motoren som er krevet beskyttet av det sistnevnte

US patent avviker' fra den her beskrevne maskin i motoranvend-else ved fluidfordelingen som meget nær tilsvarer den for en skovlmotor. Det nevnte US patentskrift angir forøvrig at drivelementene i den beskrevne motor både kan være skovler eller ruller.

De nye trekk som kjennetegner maskinen ifølge fore-liggende oppfinnelse, tar alle sikte på å sikre at det avgitte dreiemoment ved bruk som motor blir mest mulig konstant.

Noen av disse trekk vedrører utformingen av hver celle uansett antallet celler i maskinen, mens andre er spesielle for multicellemaskiner.

Først skal beskrives de trekk som vedrører en enkelt-celle ved en gjennomgåelse av en monocellemaskin.

Ifølge oppfinnelsen kjennetegnes en slik maskin av følgende fire karakteristiske trekk som samtidig må oppvises for at den når den arbeider som motor, skal kunne gi et til-fredsstillende jevnt moment, særlig når transmisjonsfluidet er en væske: - statoroverflaten må ha en aksial symmetri av 2. orden, dvs. i forhold til maskinens sentrale lengdeakse som faller sammen med rotorens dreieakse; m.a.o. har statorbuen en 2. ordens symmetri om sitt sentrum som faller sammen med rotorprofilens sentrum, - antall spor i rotoren (og således antallet ruller) må være et ulike tall n <**>,

r

- hver rulle må i utgangspunktet ha minst mulig klaring i sitt spor, uten at den hindres i sin radiale bevegelse i sporet, og - maskinen må følge en arbeidssyklus hvor åpninger suksessivt stenges og avdekkes ved hjelp av rotoren og rullene, på den spesielle måte som skal beskrives i det følgende.

Maskincellens fluidkretsløp omfatter to innløps-åpninger i den ene endeplate og to utløpsåpninger i den annen endeplate, eller to innløpsåpninger anordnet symmetrisk i hver av de to endeplater slik at det sikres likevekt mellom de aksiale krefter som skyldes fluidet mot rotoren, og da med to utløpsåpninger anordnet i statorringen.

Disse innløps- og utløpsåpninger er anordnet for-skjellig i forhold til det geometriske sted i form av en luk-ket flate som beskrives av en av de kontaktlinjer som en rulle danner i sitt spor under en full omdreining av rotoren når denne rulle også ligger an med rullekontakt mot statorens overflate. Det angjeldende geometriske sted omfatter da strengt tatt begge de meget nærliggende lukkede flater som henholdsvis dannes av trykkflatens og styreflatens kontaktlinje.

I maskinen ifølge oppfinnelsen er innløpsåpningene anordnet fullstendig innenfor dette geometriske sted og ut-løpsåpningene fullstendig utenfor det samme geometriske sted.

Det første spesielle trekk ved fluidkretsløpet og som baseres på de således anordnede åpninger er som følger: Et innløp og et etterfølgende utløp,sett i rotorens bevegelses-retning, stenges og åpnes henholdsvis av et spors styreflate av dettes rulle. En slik maskinsyklus avviker således prinsipielt fra den for en maskin med vinger, hvor et innløp og et etterfølgende utløp, regnet i bevegelsesretningen, stenges og åpnes respektive ved hjelp av to suksessive vinger som avgrenser et arbeidskammer.

Det andre spesielle trekk ved kretsløpet består i det faktum at hver utløpsåpning er vinkelmessig slik plassert at den åpnes av en rulle når denne er nær sin maksimale utsvingsstilling som tilsvarer dens maksimale avstand fra rotorens akse, og fortrinnsvis nøyaktig i denne stilling.

Når maskinen arbeider som motor og energien over-føres fra en væske, er hver innløpsåpning dessuten vinkelmessig slik plassert at den ideelt lukkes av et spors ledeflate samtidig som dette spors rulle åpner utløpsåpningen. I en motor som får sin energi fra et gassformet fluid kan innløpenes stengning, ved at deres munning er noe vinkelforskjøvet, finne sted før åpningen av utløpet for å tillate en viss ekspansjon av den innstrømmende gass.

Det tredje trekk som vedrører fluidkretsløpet og maskinens arbeidssyklus angår selve åpningen av hver innløps-åpning: Denne åpning bevirkes av et spors trykkflate, og på grunn av anordningen av innløpsåpningen vil fluid under trykk nødvendigvis bli sluppet inn mellom bunnen av sporet og kontaktlinjene som rullen i hvert øyeblikk danner i sporet, idet den forøvrig er i kontakt med statoroverflaten. Da rullen umiddelbart før åpning av innløpsåpningen i prinsippet drives fremover av rotoren, har rullen anlegg mot sporets ledeflate: det må da være truffet foranstaltninger for at fluid under høyt trykk kan strømme inn i arbeidskammeret i ekspansjon. For i praksis å tilfredsstille denne betingelse er det anordnet en åpen kanal i sporets ledeflate og med tilstrekkelig tverrsnitt til at motstanden mot gjennomgang av fluid gjennom denne kanal skal være mindre enn den som møtes i kanalen mellom rullen (som ligger an mot sporets ledeflate) og sporets trykkflate, mot utløpet som i mellomtiden er åpnet av rullen foran.

Denne foretrukne fluidpassasje må også være sikret når rullen som følge av slitasjen har fått en viss klaring i sitt spor.

Volumetriske maskiner med ruller ifølge oppfinnelsen synes i praksis å være temmelig lite følsomme for den stedlige form av statorbuen så lenge denne er sammenhengende: de forskjellige buer med hovedsakelig elliptisk utseende som man anvender i maskiner med vinger gir her lite avvikende resulta-ter og er således direkte ombyttbare.

Når det energiførende fluid er en væske er en sone med overensstemmelse mellom statorbuen og rotorprofilen ikke strengt tatt nødvendig og man kan da utforme statorbuen i samsvar med kjent fremstillingsteknikk ved å benytte en kurve som er kjent gjennom lengre tid under betegnelsen "polygonprofil P2": statoroverflaten kan deretter viderebearbeides i enkle mekaniske operasjoner på kjente maskiner.

De variable parametre som inngår når det skal frem-bringes en sylindrisk overflate hvis ledelinje er denne "polygonprofil P2" begrenses til den midlere radius og pro-filens eksentrisitet: for å benytte denne profil som statorbue for en maskin i samsvar med oppfinnelsen er det tilstrekkelig å la eksentrisiteten være lik den midlere verdi av rullens ønskede maksimale utsvingsbevegelse og den midlere radius lik rotorprofilens med tillegg av halvparten av denne maksimale utsvingsbevegelse.

Antallet ruller kan i prinsippet være vilkårlig så lenge det er et ulike antall, men det er ufordelaktig at mer enn to ruller samtidig kommer til å befinne seg ved innløpet til hver av de maskinhalvdeler som dannes på hver side av et

statorhovedplan som går gjennom statorens minste buer.

Dette resultat oppnås bare hvis nr<**> < 7; erfaringen viser forøvrig at det optimale antall ruller nettopp er syv.

Det viser seg hensiktsmessig å redusere til et mini-mum den klaring som rullene har opprinnelig i sine spor for så enkelt som mulig å tilfredsstille, selv etter en viss slitasje, den betingelse som fremgår av maskinens tredje spesielle trekk, beskrevet ovenfor.

Det vil forstås at maskinens ytelse kan svekkes uhel-dig når slitasjen på rullene blir stor. Det vil i alle tilfelle være nødvendig å velge materialer for de forskjellige elementer i maskinen slik at slitasjen på rullene blir så liten som mulig.

Det skal i denne forbindelse bemerkes at maskinen ifølge det foregående har ruller som dreies rundt om sin egen dreieakse i de partier av syklusen hvor de drives av rotoren, slik at slitasjen automatisk fordeles over hele omkretsen.

Når maskinen er av multicelletypen og skal arbeide som motor er det selvsagt gunstig å dra nytte av samvirket mellom flere celler for ytterligere å perfeksjonere jevnheten av det avgitte dreiemoment. Når cellene er identiske og antallet n^<**> ruller i hver celles rotor er ett og samme ulike tall,

er det nødvendig for å oppnå utglatting av momentforløpet å fordele cellene i maskinen slik at hver celle ligger noe vinkelmessig forskutt i forhold til sin nabocelle, og slik at forskyvningen hele tiden går i samme retning med utgangspunkt i en endecelle, idet arbeidskamrene i hver celle alle spenner over en og samme arbeidsvinkel 5= <?>r/kn<**>.

Denne effekt kan oppnås ved å forskyve rotorene vinkelmessig på den felles aksel uten å forskyve statorringene eller ved å forskyve statorringene vinkelmessig uten å forskyve rotorene eller sogar ved å kombinere de to muligheter.

Det skal bemerkes at hvis antallet celler er et like tall og hvis man på denne måte sørger for at henholdsvis innløps- og utløpsåpningene avvekslende åpnes og lukkes av cellenes rotorer og tilhørende ruller, vil de aksiale skyv-krefter på rotorene ut fra fluidtrykket fordeles jevnere over maskinens omløp slik at lagrene ikke får nevneverdige aksiale påkjenninger som følge av fluidtrykket.

Når motoren har minst to identiske celler kan man ifølge oppfinnelsen innføre en variant hvor antallet ruller i hver rotor er et like tall n <*.>

r

Hvis motoren ifølge denne variant er dobbeltcellet kan man imidlertid ikke oppnå særlig jevnt forløp av akselmomentet hvis ikke hver celles arbeidskammere vinkelforskyves en viss vinkel, og best mulig jevnhet når cellene er identiske oppnås når denne vinkel er 711 nr<*>-

Betydningen av denne variant ligger i at på grunn av det like antall ruller er den radiale resultant av fluidtrykk-kreftene mot hver rotor alltid null: Lagrene påvirkes således ikke av noen radial kraft som skyldes fluidtrykket.

Hvis man dessuten anbringer åpningene med samme be- ■ tegnelse i skilleveggen kan de aksiale trykk på rotoren like-ledes utjevnes og lagrene blir da befridd for alle krefter som skyldes fluidtrykket.

Når antallet k av identiske celler er større enn to, får man et jevnest mulig forløp av akselmomentet ved å forskyve cellene suksessivt i forhold til hverandre, hele tiden i samme retning ut fra en endecelle i maskinen, og som før får hvert arbeidskammer den samme arbeidsvinkel <5= 2?r/knr<*>.

Hvis k er et like tall er det også mulig å anordne maskinen som man vil ha sett ovenfor slik at de aksiale trykk som skyldes fluidtrykket på rotoren utjevnes.

Det skal bemerkes at selv om maskinen i samsvar med oppfinnelsen i prinsippet er beskrevet som fluiddrevne maskiner, dvs. motorer, kan de samme maskiner, forutsatt at steng-ningen av et innløp og åpningen av et påfølgende utløp skjer samtidig eller så og si samtidig, benyttes som akseldrevne maskiner av pumpe- eller kompressortypen, for enkel fluid-transmisjon for vilkårlig fluid, og de kan drives av for eksempel en motor, da i motsatt retning av drivretningen for maskinen når den arbeider som motor, og hvor innløps- og utløpsåpningene da også er ombyttet.

Slike pumper utsettes ikke for noe uønsket overtrykk selv når det pumpede fluid er en væske, men det kreves i praksis at de forsynes med en tilbakeslagsventil for hvert utløp.

Man kan på tilsvarende måte anvende en maskin ifølge oppfinnelsen som kompressor for et gassformet fluid , hvis det foreligger en vinkelforskyvning mellom slutten av et inn-løp og begynnelsen av et etterfølgende utløp.

Det vesentlige skille mellom maskinene ifølge oppfinnelsen i forhold til sammenlignbare volumetriske maskiner gir seg til kjenne i de enkelte maskinelementers enkle form: Særlig er det mulig å fremstille de fleste av elementene ved sintring og således redusere behovet for etterfølgende be-arbeiding .

Det er i prinsippet mulig,også for kompliserte ut-førelsesformer, å fremstille alle maskinens innkapslings-elementer og som er utsatt for slitasje av en type keramikk.

På tegningene viser fig. 1 og 2 en maskin av mono-celletypen i samsvar med oppfinnelsen, beregnet for energi-overføring via et fluid i væskeform. Fig. 1 viser et tverrsnitt av maskinen og viser et symmetrisentrum 0. Fig. 2 er et aksialsnitt av maskinen, i en flate-vinkel hvis normalsnitt i figurplanet på fig. 1 følger den brutte linje AOB, idet de to snitthalvdeler som respektive tilsvarer hver av flatevinkelens flater på fig. 2 er svingt inn i figurplanet som på sin side tilsvarer den rette snittlinje CD på fig. 1.

Den viste maskin omfatter en stator bestående av to plater 1 og 2 som tjener som endevegger og skal kalles endeplater, her fremstilt i to deler, og en statorring 3.

Maskinens rotor 4 er fastkilt på en aksel 5 dreibart opplagret i forhold til statoren i lagre 6 og 7.

Rotorens dreieretning er i eksemplet indikert med

en pil, og rotoren har syv spor 8 i hvilke syv respektive ruller 9, 10 kan beveges. Den ene endeplate 1 har to innløps-åpninger 12 og 13 og den andre endeplate 2 har to utløps-åpninger 14 og 15.

I det tilfelle den viste maskin arbeider som motor er rullen 10 i den viste stilling av rotoren ved slutten av sin drivfase (dvs. rullen drives frem av væsken) og i ferd med å åpne utløpsåpningen 14, og ledeflaten 16 i rullens tilhørende spor 8 er i ferd med å stenge innløpsåpningen 12. Rullen 9 er ved starten av sin drivfase og innløpsåpningen 12 tilfører allerede fluid til arbeidskammeret 17 i ekspansjon gjennom en åpen kanal 18 anordnet i ledeflaten i denne rulles spor.

Rullen 11 som ligger an mot en trykkflate 19 i sitt spor, er inne i sin drivfase, mens samtlige øvrige ruller blir i den viste stilling drevet fremover av rotoren.

Maskinens statorbue 20 er i dette tilfelle den om-talte "polygonprofil P2".

Claims (7)

1. Volumetrisk maskin med ruller og innrettet for å drives som en motor av fluidenergi eller å tilføre energi til et fluid som en pumpe eller kompressor, idet fluidet kan være både i væske- og gassform og hvor maskinen i s in enkleste form omfatter én maskincelle med - en stator (1 - 3) bestående av en statorring (3) med en innvendig sylindrisk statoroverflate og to plater (1, 2) som tjener som endevegger, - en aksel (5) dreibar om sin sentrale lengdeakse som sammenfaller med den sentrale lengdeakse for statoroverflaten, - en rotor (4) med sirkulært tverrsnitt, fastkilt på akselen (5) og med et vilkårlig antall n^ identiske spor (8) i samme innbyrdes vinkelavstand over rotorens omkrets, idet sporene i omkretsretningen avgrenses av to parallelle plane flater (16, 19), henholdsvis ledeflaten (16) og trykkflaten (19), - ruller (9 - 11) anordnet i hvert av sporene (8) og i linjekontakt med den utenforliggende statoroverflate, og - to innløpsåpninger (12, 13) og to utløpsåpninger (14, 15), samtlige anordnet i statoren og eventuelt utstyrt med klaffeventiler, KARAKTERISERT VED at den sylindriske stator-overf late har en aksial symmetri av 2. orden, at rullene i sin utgangsstilling i sine respektive spor (8) ikke har større klaring enn det som er nødvendig for deres radiale bevegelse, at A - når maskinen arbeider som motor: - er innløpsåpningene (12, 13) til enhver tid radialt innenfor den lukkede kurve som hver rulle (9 - 11) i sitt spor (8) og i kontakt med den innvendige statoroverflate gjennom-løper over et rotoromløp, mens utløpsåpningene (14, 15) ligger radialt utenfor denne lukkede kurve, - lukkes én innløpsåpning (12 eller 13) og åpnes én utløpsåpning (14 eller 15) etter tur i rotorens (4) dreieretning av et spors (8) ledeflate (16) og dets rulle (10), idet utløpsåpningene (14) er vinkelmessig slik plassert at åpningen med rullen (10) finner sted når denne er nær sin maksimale radiale utsvingsstilling, - åpnes hver innløpsåpning (12) av et spors (8) trykkflate (19), idet en åpen kanal (18) er anordnet i sporet (8) ledeflate (16) for å lede fluidstrømmen mot maskinens arbeidskammer (17) i ekspansjon, og at B - når maskinen arbeider som generator for energi-tilførsel til et fluid: - er utløpsåpningene til enhver tid radialt innenfor den lukkede kurve angitt iA, mens innløpsåpningene ligger radialt utenfor denne kurve - lukkes én innløps- og åpnes én utløpsåpning etter tur i rotorens dreieretning av et spors (8) ledeflate (16) og dets rulle (10), idet innløpsåpningene (12) er vinkelmessig slik plassert at åpningen med rullen (10) finner sted når denne er nær sin maksimale radiale utsvingsstilling, - lukkes hver utløpsåpning av et spors (8) trykkflate (19), idet den åpne kanal (18) nå leder fluidstrømmen fra arbeidskammeret (17) i kompresjon mot maskinens utløp.

2. Volumetrisk maskin med ruller, KARAKTERISERT VED å omfatte k maskinceller ifølge krav 1 og at: - statoren (1 - 3) består av k statorringer (3) med to plater (1, 2) som tjener som endevegger og med (k - 1) tettende skillevegger som adskiller det indre volum som er av-grenset av hver statorring fra de volumer som på tilsvarende måte avgrenses av de tilstøtende statorringer, - samtlige statorringer har en felles sentral lengdeakse som sammenfaller med akselens (5) sentrale lengdeakse, og at - maskinens k rotorer (4) er fastkilt på akselen (5) og hver har et vilkårlig antall nr spor (8), idet antallet n^ spor i hver rotor, i det minste når maskinen bare har én maskincelle (k = 1), er et ulike tall nr**, men hvor n hvis antallet enkelte maskinceller minst er 2(k > 2) også kan være et like tall n <*>. r

3. Maskin ifølge krav 1 eller 2, KARAKTERISERT VED at de indre åpninger i den geometriske kontaktbane i hver av maskinens enkelte celler befinner seg i den ene av cellens skillevegger, mens de ytre åpninger i banen befinner seg i den andre.

4. Maskin ifølge krav 1 eller 2, KARAKTERISERT VED at de indre åpninger i den geometriske kontaktbane i hver maskincelle er symmetrisk anordnet i par i hver av de to skillevegger som avgrenser cellen, og at de ytre åpninger i banen befinner seg i statorringen.

5. Maskin ifølge krav 1 eller 2, KARAKTERISERT VED at når maskinen arbeider som motor er hver utløpsåpning (14) vinkelmessig anordnet slik at åpningen i hver maskincelle finner sted nøyaktig i den stilling av den virksomme rulle (10) som tilsvarer rullens maksimale utsving, men når maskinen arbeider som generator for et fluid, hver innløpsåpning er vinkelmessig anordnet slik at lukkingen i hver maskincelle foregår nøyaktig i den stilling av den virksomme rulle som tilsvarer dens maksimale radiale utsving.

6. Maskin ifølge krav 2 og hvor antallet spor i hver rotor er n <*>, KARAKTERISERT VED at de k maskinceller er iden- r tiske og at arbeidskamrene som dannes i hver av maskincellene ligger forskutt fra den ene maskincelle til den neste og hele tiden i samme retning, hvorved forskyvningsvinkelen 5=2 7T/knr<*> (k> 2) .

7. Maskin ifølge krav 2, hvor antallet spor i hver rotor er n <**>, KARAKTERISERT VED at de k maskinceller er iden- r tiske og at arbeidskamrene som dannes i hver av maskincellene ligger forskutt fra den ene maskincelle til den neste og hele tiden i samme retning, hvorved forskyvningsvinkelen 5=7T/knr** (k> 2) .