NO327493B1 - Roterende stempelmaskin - Google Patents

Description

Teknisk område

Oppfinnelsen angår en roterende stempelmaskin for anvendelse som pumpe eller motor, omfattende et hus med gavler, et i huset roterbart rotasjonslegeme og minst ett tetningselement som atskiller et volum mellom huset og rotasjonslegemet, idet huset har minst ett par innløps- og utløpsåpninger, og idet tetningselementet har to ben hvis ender ligger an mot rotasjonslegemet, og et mellomliggende steg, og tetningselementet videre er dreibart om en dreieakse på steget, idet tetningselementet ved dreieaksen er bevegelig knyttet til huset ved å ligge an mot en holder i huset, hvorved tetningselementet er forskyvbart i radial retning, slik at summen av avstandene mellom rotasjonslegemets rotasjonsakse og benenes anleggspunkter på legemet tillates å variere.

En roterende stempelmaskin av ovennevnte type er kjent fra DE 24 54 059 Al og fra FR 1 104871 B. Stempelmaskinene ifølge disse patentskrifter har et tetningselement som er bevegelig forbundet med maskinhuset på en slik måte at tetningselementet er forskyvbart radialt. Dette vil også føre til at summen av avstandene fra rotasjonslegemets rotasjonsakse til anleggspunktene på det nevnte legeme tillates å variere.

Bakgrunn for oppfinnelsen

Som følge av sin enkle konstruksjon og enkle arbeidsmåte kan roterende stempelmaskiner teoretisk benyttes for et vidt anvendelsesområde. De hittil benyttede konstruksjoner har vært benyttet hovedsakelig for slike hydraulisk-tekniske anvendelser hvor olje eller andre selvsmørende og ikke-slipende fluider transporteres, og fluidene er frie for partikler. Grunnen til denne begrensede anvendelse er at roterende stempelmaskiner, slik de for tiden er konstruert, har slike egenskaper at slipende materialer ikke kan transporteres gjennom maskinene, for dersom de transporterte slike materialer, ville slitasjen bli altfor stor, og påvirke maskinens pålitelighet og ytelse.

Det svakeste punkt ved disse tidligere kjente roterende stempelmaskiner finnes i den bevegelige skillevegg som atskiller suge- og trykksidene (ved pumpeanvendelser) fra hverandre. Denne skillevegg er vanligvis utformet som en bevegelig sleid- eller glideanordning som ligger an mot den roterende stempeloverflate og ved hjelp av en kraft som anvendes på denne, presses i retning mot stempelets senterakse for å tilveiebringe en tetningsvirkning.

Trykket utøves ved hjelp av en fjæranordning, en hydraulisk anordning eller på hvilken som helst annen måte. Glideanordningens trykkbetingelser avhenger av det trykk som har bygget seg opp inne i maskinen, og på rotasjonshastigheten så vel som på utformingen av tetningsflaten (kurvelinjen) av det roterende stempel.

I disse roterende stempelmaskiner er glideanordningen omhyggelig montert i et spor/sete og beveger seg med små toleranser i en innadgående og en utadgående retning. Konstruksjonen er følsom for slitasje og andre mekaniske påvirkninger.

En annen måte for utforming av skilleveggen er beskrevet i US 1 172 505 hvor et oscillerende åk med to kontaktflater som ligger an mot et roterende stempel, danner skilleveggen mellom trykk- og sugesidene i en roterende stempelmaskin som arbeider som pumpe. Det oscillerende åk og det roterende stempel er utformet for å sikre at åket, uten hensyn til den vinkel som inntas av rotoren, vil ligge an mot rotoren ved hjelp av to kontaktflater. Åket er dessuten montert på en aksel som er festet til pumpehuset i et fast festepunkt om hvilket punkt åket svinger.

En nødvendig forutsetning for denne konstruksjon er at summen av avstanden fra sentrum av det roterende stempel til en av åkspissene og avstanden fra sentrum av det roterende stempel til den andre åkspiss forblir konstant til enhver tid. I praksis betyr dette at den tetningskraft som tilveiebringes av det tettende åk, er rettet diametralt mot rotoren. En ulempe ved denne konstruksjon er den begrensning som ovennevnte betingelse pålegger på det roterende stempels geometri. En annen ulempe er at tetningsåket er montert på en aksel eller en liknende anordning, hvilket bidrar til antallet av komponenter som er utsatt for slitasje og bidrar til fastkiling av partikler. En tredje ulempe er at åket har store overflatearealer som er utsatt for mediet på trykksiden så vel som på sugesiden, av hvilken grunn utgangstrykket som virker på det roterende stempel ved åkets anleggsflater øker raskt etter hvert som mottrykket stiger og undertrykket øker. Undertrykk på sugesiden og overtrykk på trykksiden samvirker for å øke åkets anleggstrykk på trykksiden. En annen konsekvens av denne konstruksjon er dessuten at en stor del av pumpehusets volum blir inaktivt og ikke tar del i trykkoppbygningen ved hjelp av det roterende stempel, i fluidtetningen, og så videre.

US patentskrift 4 047 857 beskriver en annen konstruksjonsløsning for tetning av den roterende stempelmaskin. Denne konstruksjon omfatter minst én fleksibel, krum eller buet membran som er festet i en rotor som roterer om en stator som er beliggende i dennes indre. Tetningsmembranen består av en sylindrisk, stasjonær lagerdel som er montert i rotoren til hvilken membranen er festet og rundt hvilken membranen oscille-rer under drift. Den buede membran ligger an mot statorens overflate og er tilpasset til å svinge inn i en buet utsparing i rotoren.

Helt bortsett fra den teknisk kompliserte fremstillingsmetode er denne konstruksjon, slik som den foregående, utformet med store trykkflater med resulterende høyt anleggstrykk ved stigende mottrykk på utløpssiden, og undertrykket på sugesiden samvirker med overtrykket på trykksiden for ytterligere å øke membranens anleggstrykk mot statorens overflate under rotasjonen. Konstruksjonen er dessuten ytterst følsom for tilstedeværelse av partikler som lett kan kile seg fast i den spalte som dannes mellom membranens overside og utsparingen i rotoren.

Et trekk som er felles for alle tidligere kjente roterende stempelmaskiner som arbeider etter det prinsipp å benytte en tetningsanordning i form av et åk eller en fjærende membran, er at åket eller membranen svinger om en fast senterlinje på en forutbestemt avstand fra det roterende stempels eller rotasjonslegemets rotasjonsakse.

Formål med oppfinnelsen

Det er et formål med oppfinnelsen å forbedre de roterende stempelmaskiners anvendelighet som universalpumper med et utvidet anvendelsesområde, noe som er ønskelig på grunn av deres enkle arbeidsmåte, ved at de grunnleggende ulemper og svakheter som de ovenfor omtalte konstruksjonsprinsipper innebærer, fjernes ved hjelp av en annen teknisk utforming av den skillevegg som avgrenser pumpens trykk- og sugeside.

Sammendrag av oppfinnelsen

Ovennevnte formål oppnås ved hjelp av en roterende stempelmaskin av den innledningsvis angitte type som ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved de trekk som er angitt i den karakteriserende del av patentkrav 1.

Ved hjelp av denne løsning økes konstruksjonens fleksibilitet og enkelhet. Spesielt er det på denne måte mulig å utnytte kreftene i rotasjonsretningen for å overføre disse til krefter i radial retning. I en fordelaktig utførelse av den roterende stempelmaskin består den i huset anordnede holder av minst ett fra husets innside utstående holderelement som er tilpasset til å samvirke med et V-formet spor i tetningselementets steg, for derved å fastholde dette.

Ifølge en ytterligere side ved oppfinnelsen er holderelementene fjærende festet til huset, for å muliggjøre en radial forskyvning av dette. På denne måte oppnås tetning ved hjelp av tetningselementet, også ved lave turtall eller når maskinen ikke er i drift.

Ytterligere fordeler og særtrekk ved konstruksjonen ifølge oppfinnelsen vil fremgå av den etterfølgende beskrivelse av fordelaktige utførelsesformer.

Kort beskrivelse av tegningene

På de ledsagende tegninger viser

fig. 1 et grunnriss av én utførelse av en roterende stempelmaskin ifølge oppfinnelsen,

fig. 2 viser et sideriss av maskinen på fig. 1,

fig. 3 viser et langsgående snittriss etter linjen III-III på fig. 2,

fig. 4 viser et tverrsnittsriss etter linjen IV-IV på fig. 1,

fig. 5A-5F er riss som viser endringene i stilling av tetningselementet ved rotasjon av det roterende stempel i den utførelse av maskinen som er vist på fig. 1-4,

fig. 6 viser en utførelse av maskinen som har flere innløps- og utløpsåpninger dannet i et pumpehus, og flere tetningselementer, og

fig. 7A og 7B viser alternative utførelser av tetningselementer og festeanordningsarrangementer.

Beskrivelse av foretrukne utførelser

Utførelser av oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet i det følgende for eksemplifiseringsformål og under henvisning til tegningene.

Fig. 1-3 viser en roterende stempelmaskin eller stempelmotor ifølge en første utførelse av oppfinnelsen. Et hus 1 omslutter et rotasjonslegeme 2 som er montert på en aksel 3. Huset 1 er forsynt med innløps- og utløpsåpninger 4 og 5. Et tetningselement 7 er beliggende mellom innløpsåpningen og utløpsåpningen og beveger seg ved rotasjon av det roterende stempel inne i det rom hvor tetningselementets bevegelser er begrenset av en holder 6, rotasjonslegemet 2 og to gavler eller endevegger 8 og 9 som er anordnet på huset 1. Akselen 3 er understøttet i den ene eller begge endevegger 8 og 9 ved hjelp av lagerdeler 10 og 11, og tetningselementer 12 og 13 som tetter i aksialretningen, er beliggende mellom lagerdelene og rotasjonslegemet. Valgfritt kan også tetningselementer 14 og 15, som tetter i radialretningen, være anordnet i endeveggene 8 og 9. Endeveggene og huset er sammenkoplet ved hjelp av skrueforbindelser 21, og tetningselementer 19 og 20 er anordnet på begge sider av huset 1 for å hindre lekkasje fra maskinen.

Tetningselementet 7 kan være utformet på flere forskjellige måter, men i overensstemmelse med én utførelse som er vist på fig. 4, er det utformet som en U-formet anordning som har to ben 16 og 17 i anlegg mot rotasjonslegemet 2, og som på den side som ligger motsatt av benene, oppviser et V-formet spor 18 som utvider seg i retning bort fra de to ben. Lengden av tetningselementet er lik lengden av rotasjonslegemet 2, og elementet beveger seg med en lettløpende pasning mellom husets endevegger 8 og 9. Høyden av tetningselementet er valgt for å sikre stabilitet av elementet mens det er i bevegelse. Stillingen av det V-formede spor 18 i forhold til de to ben kan velges fritt, men sporet er fortrinnsvis anbrakt halvveis mellom benene. Dersom et spesielt lavt eller høyt anleggstrykk skulle kreves fra tetningselementet, endres stillingen av det V-formede spor i en retning henholdsvis mot eller bort fra det ben som ligger nærmest maskinens utløpsåpning, i det tilfelle hvor sistnevnte virker som pumpe, og i den motsatte retning for motorfunksjoner.

Huset 1 er utformet med en utsparing fra hvilken innløps- og utløpsåpningene utgår. Holderen 6 er plassert mellom åpningene og tjener til å begrense og til å styre tetningselementets 7 bevegelser i rotasjonsplanet (koordinatretninger x og y, idet bevegelsen i retning av z-koordinaten er begrenset av endeveggene 8 og 9) under forløpet av rotasjonsbevegelsen. Holderen 6 er fortrinnsvis utformet med en vinklet spiss med mindre vinkel enn den åpne, V-formede utsparing 18 som er dannet i tetningselementet, idet spissen er utformet for å sikre at tetningselementet kan svinge fritt inne i sporet under rotasjonen av det roterende stempel.

Rotoren 2 er dannet av et rotasjonslegeme som er sentralt beliggende inne i huset 1, idet det er opplagret i dette i lageranordninger i minst én av endeveggplatene 8 og 9. Rotasjonslegemets tverrsnitt er fortrinnsvis ensartet langs hele lengden av legemet, og det må inneholde minst én linje hvor diameteren er i hovedsaken lik husets 1 diameter, slik at det ved rotasjon avgrenses minst to kamre mellom rotoren 2, huset 1 og tetningselementet eller tetningselementene 7.1 overensstemmelse med den utførelse som er vist på tegningsfigurene, er rotasjonslegemet vist som en regulær polygon som er fremstilt av en sylinder fra hvilken materialet er blitt frest bort for å danne polygonens sideflater. Fig. 4 viser et rotasjonslegeme som har åtte like sider.

Under rotasjonen av et polygonlegeme er summen av avstandene fra to vilkårlig valgte kontaktpunkter for benene 16 og 17 ved legemets omkrets ikke konstant, men summen av avstandsverdiene endrer seg avhengig av legemets vinkelstilling. Av denne grunn er det nødvendig at et tetningselement som skal tette mot et rotasjonslegeme av denne type, er i stand til å bevege seg i rotasjonsplanet under rotasjonen, mens det på samme tid er i stand til å utføre sin tetningsvirkning for å sikre at et mottrykk opprettholdes.

Maskinen eller motoren ifølge oppfinnelsen virker på følgende måte. Under rotasjonen av rotasjonslegemet 2 i den retning som er angit med en pil, er åpningen 4 innløpsåpningen og åpningen 5 er utløpsåpningen når maskinen arbeider som pumpe. Fluid kommer inn gjennom åpningen 4 og fyller innløpskammeret A som er avgrenset mellom anordningene 1, 2, 6, 7, 8 og 9. Under sin rotasjon medbringer det roterende stempel fluid som er til stede i rommene Bi-B5 som er avgrenset mellom de flate sider av det roterende stempel og pumpehusets vegg, og forårsaker således at et undertrykk frembringes i kammeret A og at mer fluid suges inn gjennom åpningen 4. Fluidet medbringes til utløpskammeret C. Elementene 6 og 7 blokkerer transporten mellom A og C, slik at fluidet således tvinges til å strømme ut gjennom utløpsåpningen 5. Under rotasjonen tar elementet 7 del i bevegelsene av det roterende stempel, idet bevegelsene styres av det tosidige anlegg av benene 16 og 17 mot rotoren, og av en kraft som presser elementet 7 mot rotoren. Denne kraft består av den radialt rettede komponent av den totale kraft som bygges opp på grunn av trykket av fluidet i utløpskammeret, undertrykket i innløpskammeret og den friksjon som oppstår mellom elementet 7 og rotoren 2 under rotasjonen, og som overføres ved en kilevirkning etter hvert som elementet 7 ligger an mot holderen 6.

Fig. 5 illustrerer bevegelsesmåten for tetningselementet under rotasjonen, idet fig. 5A-F viser fortløpende rotasjonen av rotoren 2. Fig. 5B viser posisjonen av elementet 7 i forhold til rotoren 2 når summen av avstandene al + a2 fra benene til sentrum av rotoraksen er på sitt maksimum. I denne stilling ligger tetningselementet 7 lengst borte fra sentrum av rotasjonsaksen 3, og i denne stilling inntar følgelig spissen av holderen 6 sin laveste posisjon inne i sporet 18 i tetningselementet.

Ved fortsatt rotasjon av dreieakselen/rotasjonsaksen nås den stilling som er vist på fig. 5C, i hvilken stilling avstandene fra benene 16 og 17 til senteraksen er henholdsvis bl og b2. Summen av bl og b2 er mindre enn summen av al og a2, og elementet 7 ligger følgelig nærmere det roterende stempels rotasjonssentrum, med det resultat at spissen av holderen 6 nå ligger lenger borte fra bunnen av sporet 18, og at anleggspunktet mellom elementene 6 og 7 dessuten er forskjøvet ytterligere bort fra sporets 18 senterlinje enn hva som er tilfelle på fig. 5B.

Ved ytterligere rotasjon av rotasjonslegemet til den stilling som er vist på fig. 5E, har elementet 7, i overensstemmelse med den viste utførelse, nådd frem til sin stilling nærmest senteraksen, dvs. summen av avstandene cl og c2 fra aksens sentrum til benene 16 og 17 er mindre enn summen al + a2 henholdsvis bl + b2.1 dette tilfelle har elementet 7 beveget seg nærmere rotasjonsaksens sentrum, og avstanden fra bunnen av det V-formede spor 18 til spissen av holderen 6 er derfor på sitt maksimum, med den ytterligere konsekvens at også forskyvningen mellom anleggspunktet mellom elementene 6 og 7 i forhold til senterlinjen av det V-formede spor 18 er på sitt maksimum.

Ved ytterligere rotasjon av det roterende stempel returneres elementet 7 til sin maksimumsstilling, dvs. spissen av holderen 6 føres nedover inne i sporet 18, og elementet 7 øker sin avstand fra rotasjonsaksen.

Prinsippet med tetningselementbevegelser er anvendelig på alle typer av geometriske profilkonfigurasjoner som kan benyttes for det roterende stempel.

Det er vesentlig for funksjonen av den roterende stempelmaskin ifølge oppfinnelsen at tetningselementets posisjon eller stilling stadig er definert ved det roterende stempel som virker på benene av dette element, og at en radial kraft virker på tetningselementet under drift for å sikre anlegg av benene mot rotasjonslegemet. For å oppnå dette, kreves en dreie- eller svingebevegelse om en rotasjonsakse på tetningselementet, og denne rotasjonsakse vandrer på tetningselementet når vilkårlige rotasjonslegemer benyttes og når elementet ved rotasjonsaksen svinger mot en fast støtteanordning 6. Som følge av vandringen av rotasjonsaksen under rotasjonen vil tetningselementet bli forskjøvet fremover og bakover parallelt med huset, dvs. i eller motsatt av rotasjonsretningen, og det vil derfor bli forskjøvet også radialt, dvs. avstanden fra rotasjonsaksen til det plan som inneholder anleggspunktene, tillates å variere.

En roterende stempelmaskin eller stempelmotor som er utformet på denne måte, har flere fordeler sammenliknet med allerede kjente konstruksjoner, blant annet følgende: 1. Konstruksjonen gir betydelig valgfrihet og fleksibilitet med hensyn til utforming av rotorens geometriske konfigurasjon. 2. Tetningselementet er selvjusterende for tilpasning til den gradvise slitasje på rotoren og tetningselementet.

3. Konstruksjonen muliggjør en enkel oppbygning av den roterende stempelmaskin.

4. Bare en begrenset del av pumpehuset benyttes for å romme tetningselementet sammenliknet med prinsippene for de konstruksjoner som omfatter et åk hvis tetningsvirkning utøves mot to diametralt motsatte punkter på det roterende stempel. Den utførelse hvor maskinen benyttes som pumpe, gir betydelige fordeler da en meget høy sugekapasitet oppnås som et resultat av eksistensen av flere tetningsflater mellom sektorene B1-B5. Det konstruksjonsprinsipp som oppfinnelsen er basert på, tillater også at flere innløps- og utløpsåpninger kan være anordnet rundt husets omkrets, med resulterende betydelig økt kapasitet mens det på samme tid kan oppnås en praktisk talt konstant strøm. 5. På grunn av at tetningselementet hele tiden dreier seg mens det beveger seg radialt og langs rotorens omkrets, blir forbindelsen selvrensende. 6. Maskinen kan kjøres under tomgangsbetingelser i en lengre tidsperiode uten at det er noen fare for at skadelig friksjonsvarme genereres mellom tetningselementet og rotoren, på grunn av at når maskinen er ubelastet, bygger det seg ikke opp noe fluidtrykk på trykk- eller sugesiden, og følgelig ligger anleggstrykket mellom tetningselementet og det roterende stempel nær null. I praksis er dette av største betydning da det minimerer faren for maskinhavari under driftsforhold med tørr maskin. 7. Konstruksjonen tilbyr stor frihet i valg av materialer for forskjellige anvendelser av maskinen, og for å oppnå spesielle driftstekniske fordeler for den roterende stempelmaskin. For eksempel kan pumpen fremstilles av PE- og PP-plast når den benyttes i den kjemisk-tekniske industri. Et annet eksempel er å velge et roterende stempel av acetalplast og et tetningselement som er fremstilt av rustfritt stål, eller omvendt, og således ytterligere forbedre de meget gode egenskaper under driftsforholdene med tørr maskin som er omtalt under punkt 6 ovenfor. 8. Tetningselementet kan modifiseres for å tilfredsstille spesielle behov. For eksempel kan en returstrøm bringes til å passere gjennom elementet for å tilveiebringe trykkavlastning og smøring.

Det er selvsagt mulig å benytte flere par av henholdsvis innløps- og utløpsåpninger i en og samme roterende stempelmaskin, idet tetningselementer er anbrakt mellom åpningene, for å øke maskinytelsen. For eksempel er det på fig. 6 vist en modifisert utførelse som benytter tre tetningselementer.

Fig. 7A illustrerer enda en annen utførelse hvor den radiale bevegelse, dvs. avstanden fra tetningselementets dreieakse til det roterende legemes senterakse, justeres ved hjelp av en fjærbelastet, forskyvbar holder. Eventuelt kan tetningselementets dreieakse i dette tilfelle være fiksert i forhold til festeanordningen. I overensstemmelse med denne utførelse av tetningselementet og holderen ligger tetningselementet 7 an mot det roterende stempel også når ikke noen trykkforskjell er til stede mellom innløps- og utløpskamrene A og C, på grunn av at holderen er utsatt for fjærvirkning og som resultat av dette presser tetningselementet radialt nedover mot rotoren 2.

Fig. 7B illustrerer en ytterligere alternativ utførelse av tetningselementet. I overensstemmelse med denne versjon er det ingen separat holder. I stedet er en oppadragende del som omfatter nedadhellende sideflater, dannet på stegpartiet mellom de to ben av tetningselementet. Disse hellende sideflater er tilpasset til å samvirke med kanter som er dannet i en utsparing i husets innvendige vegg. På denne måte oppnås en kilevirkning som likner på den som finnes i den i begynnelsen beskrevne utførelse av oppfinnelsen, for omforming av en kraft som virker i rotasjonsretningen, til en kraft som virker i radialretningen.

Claims (3)

1. Roterende stempelmaskin for anvendelse som pumpe eller motor, omfattende et hus (1) med gavler (8, 9), et i huset roterbart rotasjonslegeme (2) og minst ett tettende element (7) som atskiller et volum mellom huset (1) og rotasjonslegemet (2), idet huset har minst ett par innløps- og utløpsåpninger, og idet tetningselementet (7) har to ben (16, 17) hvis ender ligger an mot rotasjonslegemet (2), og et mellomliggende steg, og tetningselementet videre er dreibart om en dreieakse på steget, idet tetningselementet ved dreieaksen er bevegelig knyttet til huset ved å ligge an mot en holder (6) på huset, hvorved tetningselementet (7) er forskyvbart i radial retning, slik at summen av avstandene mellom rotasjonslegemets (2) rotasjonsakse og benenes anleggspunkter på legemet tillates å variere, karakterisert ved at tetningselementet (7) videre er forskyvbart også i og mot rotasjonsretningen i forhold til holderen (6), og at tetningselementets (7) mellomliggende steg omfatter mot rotasjonsretningen skråttstilte flater som er beregnet å ligge an mot husets holder (6), for omforming av en kraft i rotasjonsretningen til en kraft i radial retning, og for tilveiebringelse av den radiale forskyvning av tetningselementet (7).

2. Roterende stempelmaskin ifølge krav 1, karakterisert ved at holderen består av minst ett fra husets innside utragende holderelement (6) som er tilpasset til å samvirke med et V-formet spor (18) i tetningselementets steg, for derved å fastholde dette.

3. Roterende stempelmaskin ifølge krav 2, karakterisert ved at holderelementet (6) er fjærende festet til huset (1), for å muliggjøre en radial forskyvning av dette.