SE517925C2 - Vridkolvmaskin - Google Patents

Description

lO 15 20 25 30 35 517 925 bygel med två kontaktytor mot en vridkolv utgör skilje- vägg mellan tryck- och sugsida i en vridkolvmaskin arbe- tande som pump. Den oscillerande bygeln och vridkolven är så utformade att bygeln, oavsett rotorns vinkel, anligger med två kontaktytor mot rotorn. Bygeln är vidare inlagrad på en axel med en fast infästningspunkt i pumphuset, runt vilken bygeln oscillerar.

Denna konstruktion har som en nödvändig förutsätt- ning, att summan av avståndet från vridkolvens centrum till den ena bygelspetsen och avståndet från vridkolvens centrum till den andra bygelspetsen alltid är konstant. I praktiken betyder detta att den avtätande bygeln avtätar diametralt på rotorn. Denna utföringsform har nackdelen att rotationskolvens geometri begränsas genom villkoret ovan. En andra nackdel är att tätningsbygeln är lagrad på en axel eller liknande, vilken utgör ytterligare en kom- ponent som är utsatt för förslitning och fastkilning av partiklar. En tredje nackdel är att bygeln har stora areor som exponeras mot mediet både på trycksidan och sugsidan, varför yttrycket som verkar på vridkolven vid bygelns anläggningsytor ökar snabbt vid stigande mottryck och ökande undertryck. Undertryck på sugsidan och över- tryck på trycksidan samverkar till ökande anläggnings- tryck för bygeln på trycksidan. Konstruktionen medför också att en stor del av pumphusets volym blir inaktiv och ej medverkar i vridkolvens tryckuppbyggnad, vätske- tätning mm.

I patentskriften US-4 047 857 beskrivs en annan konstruktionslösning för vridkolvmaskinens avtätning.

Denna konstruktion består av minst ett flexibelt kurvfor- mat membran som är infäst i en rotor som roterar runt en invändigt anordnad stator. Tätningsmembranet består av en cylindrisk stationär lagringsdel som är inpressad i ro- torn pà vilket membranet är infäst och runt vilken mem- branet oscillerar under drift. Det böjda membranet ligger an mot ytan på statorn och är avpassat att svänga in i ett kurvformat urtag hos rotorn. 10 15 20 25 30 35 517 925 3 Förutom det tekniskt komplicerade tillverkningsför- farandet innebär konstruktionen, pà samma sätt som den föregående redovisade konstruktionen, att membranet har en stor tryckyta som ger ett högt anläggningstryck vid stigande mottryck pà utloppsidan och att undertrycket pä sugsidan samverkar med trycksidans övertryck till ytter- ligare ökning av membranets anläggningstryck mot statorns yta under rotationen. Konstruktionen är också extremt känslig för partiklar som lätt kan kilas in i mellanrum- met mellan membranets ovansida och ursparningen i rotorn.

Gemensamt för de kända vridkolvmaskinerna som arbe- tar efter principen med ett tätningsorgan i form av en bygel eller ett fjädrande membran är, att bygeln eller membranet svänger runt en fast centrumlinje pà ett givet avstånd fràn vridkolvens eller rotationskroppens rota- tionsaxel.

Uppfinningens syfte Det är ett syfte med föreliggande uppfinning att förbättra vridkolvmaskinernas användbarhet som allmänna pumpar med att vidgat användningsområde, vilket är önsk- värt pà grund av dess enkla arbetssätt, genom att de grundläggande nackdelar och svagheter som ovan relaterade konstruktionsprinciper innebär undanröjs genom en annan teknisk utformning av den skiljevägg som avgränsar pum- pens tryck- och sugsida.

Detta syfte uppnås med en vridkolvmaskin enligt de bifogade patentkraven.

Sammanfattning av uppfinningen Föreliggande uppfinning skiljer sig ifrån de tidiga- re kända vridkolvmaskinerna genom de särdrag som framgår av den kännetecknande delen av patentkrav l.

Härigenom ökar flexibiliteten och enkelheten hos konstruktionen. Speciellt är det härigenom möjligt att utnyttja krafterna i rotationsriktningen för att överföra dessa till krafter i radiell led. I ett fördelaktigt 10 15 20 25 30 35 517 925 4 utförande av vridkolvmaskinen omfattar den i huset fast- satta och fràn dess insida utstående hàllarelement, vilka är avpassade att samverka med V-formiga spàr hos de tä- tande elementens liv, för att därigenom hälla fast desam- ma.

Enligt ytterligare en aspekt av uppfinningen är hàllarelementen fjädrande fastsatta i huset, för att möjliggöra en radiell förskjutning av desamma. Pà detta sätt erhålls tätning genom det tätande elementet även då vid låga varvtal eller då maskinen ej är i drift.

Ytterligare fördelar och särdrag för konstruktionen enligt uppfinningen kommer att framgà av den följande beskrivningen av fördelaktiga utföringsformer.

Kort beskrivning av ritningarna Pà de bifogade ritningarna visar: Fig 1 en planvy av ett utföringsexempel av en vrid- kolvmaskin enligt uppfinningen; Fig 2 Fig 3 ett längdsnitt efter linjen III-III i figur 2; en sidovy av maskinen i fig 1; Fig 4 ett tvärsnitt efter linjen IV-IV i figur 1; Fig 5A till SE visar tätningsorganets positionsför- ändring under vridning av rotationskolven i det i fig 1-4 visade utföringsexemplet av maskinen; Fig 6 visar ett utföringsexempel av maskinen med flera in- och utloppsöppningar anordnande i ett pumphus tillsammans med flera tätningselement; och Fig 7A och 7B visar alternativa utformningar av tätningselement och infästningsanordning.

Beskrivning av föredragna utföringsformer Uppfinningen skall nu i exemplifierande syfte be- skrivas mer ingående med hjälp av utföringsexempel och med hänvisning till de bifogade ritningarna.

Fig 1-3 visar en vridkolvmaskin enligt ett första utföringsexempel av uppfinningen. I ett hus 1 är en rota- tionskropp 2 anordnad pà en axel 3. Huset 1 är försett 10 15 20 25 30 35 517 925 med in- och utloppsöppningar 4 och 5. Mellan inloppsöpp- ningen och utloppsöppningen är ett tätningselement 7 anordnat, vilket rör sig under vridkolvens rotation i rummet där tätningselementets rörelser begränsas i sina rörelser av en hållare 6, rotationskroppen 2 samt gavlar 8 och 9 till huset 1. Axeln 3 är inlagrad i en eller båda av de två gavlarna 8 och 9, med lagringselement 10 och ll och mellan lager och rotationskropp finns axialtätnings- element 12 och 13 anordnade. Eventuellt kan även radi- altätningselement 14 och 15 anordnas i gavlarna 8 och 9.

Gavlarna och huset är förbundna med skruvförband 21 och för att hindra läckage från maskinen anordnas tätnings- element 19 och 20 pá vardera sida om huset 1.

Tätningselementet 7 kan vara utformat på flera sätt men i en utföringsform, visad i fig 4, har det en U-form med två skänklar 16 och 17 som ligger an mot rotations- kroppen 2 och på vars motsatta sida finns ett V-format spår 18 som vidgar sig i riktning från de två skänklarna.

Tätningselementets längd är lika med rotationskroppens 2 längd, och det rör sig med lätt löpande passning mellan husets gavlar 8 och 9. Tätningselementets höjd väljes så att stabilitet uppnås i dess gång. V-spàrets 18 placering i förhållande till de båda skänklarna kan väljas fritt, men företrädesvis placeras V-spåret mitt emellan skänk- larna. Om särskilt låg eller hög anpressningskraft av tätningselementet önskas, förflyttas V-spàrets placering mot respektive från den skänkeln som ligger närmast ma- skinens utloppsöppning vid pumpfunktion, och motsatt vid motorfunktion.

I huset 1 finns en ursparing, varifrån inlopps- och utloppsöppning utgår. Mellan öppningarna placeras hålla- ren 6 vilken har till uppgift att begränsa och styra tätningsetementets 7 rörelser i rotationsplanet (koordi- natriktning x och y, rörelsen i z-koordinaten begränsas av gavlarna 8 och 9) under rotationens gäng. Hàllaren 6 är företrädesvis försedd med en vinklad spets med lägre gradtal än det öppna V-spåret 18 i tätningselementet, och 10 15 20 25 30 35 517 925 6 utformad så att tätningselementet kan svänga fritt i spåret under vridkolvens rotation.

Rotorn 2 utgörs av en rotationskropp som är cent- riskt placerad i huset 1 via inlagring i minst en av gavelplattorna 8 och 9. Rotationskroppens 2 tvärsnitt är företrädesvis likformig över hela dess längd och den skall ha minst en linje där diametern är väsentligen samma som husets 1 diameter, så att det under rotationen bildas minst 2 avgränsade kammare mellan rotor 2, hus l och tätningselement 7. I utförandeexemplet visas rota- tionskroppen utförd som en liksidig mànghörning som till- verkats av en cylinder genom avfräsning av material. I fig 4 visas en rotationskropp med 8 lika sidor.

Under en månghörnings rotation är summan av avstån- det från två godtyckligt valda kontaktpunkter för skänk- larna 16 och 17 i dess periferi inte konstant utan summan av måtten förändras beroende pà vridningsvinkeln. Därför är det nödvändigt för ett tätningselement som skall avtä- ta mot en sådan rotationskropp att kunna förflytta sig i rotationsplanet under rotationen samtidigt som tätnings- elementet skall kunna hàlla tätt så att ett mottryck upprätthålls.

Maskinen enligt uppfinningen fungerar på följande sätt. Under rotationskroppens 2 vridning i pilens rikt- ning är 4 inloppsöppning och 5 utloppsöppning när maski- nen arbetar som pump. Vätska förs in genom 4 och fyller inloppskammaren A mellan elementen 1, 2, 6, 7, 8 och 9.

När vridkolven rör sig för den med sig vätska i utrymmena Bl-B5 mellan vridkolvens plana sidor och pumphusets vägg varvid undertryck uppstår i A och mer vätska sugs in genom öppningen 4. Vätskan förs till utloppskammaren C.

Elementen 6 och 7 stänger transporten mellan A och C, varför vätskan tvingas ut genom utloppsöppningen 5. Under rotationen följer elementet 7 vridkolvens rörelser, vilka styrs genom skänklarnas 16 och 17 dubbelsidiga anliggning mot rotorn och av att elementet 7 trycks mot rotorn med en kraft. Denna kraft utgörs av den radiellt riktade lO 15 20 25 30 35 517 925 7 komposanten av den sammanlagda kraft som byggs upp av vätsketrycket i utloppskammaren, undertrycket i inlopps- kammaren och friktion som uppstår mellan elementet 7 och rotorn 2 under rotationen och som överföres genom kilver- kan vid elementets 7 anliggning mot hàllaren 6.

I figur 5 visas hur tätningselementet rör sig under rotationen, varvid fig SA-F sekventiellt visar vridning av rotorn 2. I figur SB visas elementets 7 position i förhållande till rotorn 2 när summan av avståndet al + a2 från skänklarna till rotorns axelcentrum är maximalt. I denna position befinner sig tätningselementet 7 pä sitt största avstånd från rotationsaxelns 3 centrum, och i denna position befinner sig således spetsen på hàllaren 6 i sitt nedersta läge i spåret 7 hos tätningselementet.

Under fortsatt vridning av rotationsaxeln nås posi- tionen som visas i figur SC, där avstånden från skänklar- na 16 och 17 till axelcentrum är bl respektive b2. Summan av bl och b2 är mindre än summan av al och a2 vilket betyder att elementet 7 ligger närmare vridkolvens rota- tionscentrum och det medför att spetsen på hàllaren 6 nu ligger längre från spårets 18 botten och dessutom ligger anliggningspunkten mellan elementen 6 och 7 längre för- skjuten i förhållande till spårets 18 mittlinje än i fig SB.

Efter ytterligare vridning av rotationskroppen till positionen som visas i figur SE har elementet 7 i det visade utföringsexemplet kommit i sitt närmaste läge till centrumaxeln, dvs de sammanlagda avstånden cl och c2 mellan axelcentrum och skänklarna 16 och 17 är mindre än summan al + a2 respektive bl + b2. Här har elementet 7 förflyttat sig ytterligare närmare rotationsaxelcentrum och således är avståndet mellan V-spårets 18 botten och spetsen på hàllaren 6 nu maximalt vilket också innebär att förskjutningen mellan anliggningspunkten mellan 6 och 7 är maximal i förhållande till V-spårets 18 mittlinje.

Vid ytterligare vridning av vridkolven återförs elementet 7 tillbaka till sin max-position dvs spetsen på lO 15 20 25 30 35 517 925 8 hållaren 6 förs nedåt i spåret 17 och elementet 7 ökar avståndet från rotationsaxelcentrum.

Principen för tätningselementets rörelser gäller för alla typer av praktiskt användbara geometriska profiler för vridkolvens utseende.

Viktigt för vridkolvmaskinen enligt uppfinningen är att tätningselementets hela tiden positioneras genom vridkolvens aktion mot elementets skänklar och att en radiell kraft verkar mot tätningselementet under drift så att anliggning av skänklarna sker mot rotationskroppen.

Detta kräver en vridning runt en vridningsaxel på tät- ningselementet, och denna vridningsaxel förflyttar sig på tätningselementet vid användning av godtyckliga rota- tionskroppar och då elementets vridningsaxel vrider sig mot ett fast mothåll 6. Vridningsaxelns förflyttning medför att tätningselementet förflyttar sig under rota- tionens gång fram- och tillbaka parallellt med huset, dvs i eller mot rotationsriktningen, och därmed även förskju- tes i radiell led, dvs att avståndet mellan vridningsax- eln och det plan där anliggningspunkterna ingår tillåts variera.

En vridkolvmaskin med denna utformning har en mängd fördelar jämfört med tidigare kända konstruktioner, såsom att: l. Konstruktionen medger en stor valfrihet och flexibili- tet i utformning av rotorns geometriska form. 2. Tätningselementet anpassar sig självt efter hand som förslitning av rotor och tätningselement sker. 3. Konstruktionen medför en enkel uppbyggnad av vridkolv- maskinen. 4. Endast en begränsad del av pumphuset utnyttjas för tätningselementet, jämfört med de kända konstruktions- principerna med en bygel som avtätar mot två diametralt motsatta punkter på en vridkolv. I tillämpningsexemplet då maskinen utnyttjas som pump ger detta avsevärda förde- lar, eftersom en mycket hög sugförmåga erhålls på grund av att flera tätningsytor finns mellan sektorerna Bl -B5. lO 15 20 25 30 35 517 925 9 Konstruktionsprincipen medger också att flera in- och utloppsöppningar kan organiseras runt husets periferi, vilket medför en avsevärt förhöjd kapacitet samtidigt som ett praktiskt taget konstant flöde kan erhållas. 5. Leden, genom att tätningselementet hela tiden vrider sig i samband med förflyttning i radiell led och utmed rotorns periferi, blir självrensande. 6. Maskinen kan drivas obelastad under en utsträckt tid utan risk för uppkomst av skadlig friktionsvärme mellan tätningselement och rotor, eftersom det då maskinen är obelastad inte är uppbyggt något vätsketryck på tryck- eller sugsidan, varigenom anliggningstrycket mellan tät- ningselementet och vridkolven är nära noll. I praktiken är detta av stor betydelse för minskad haveririsk vid torrgångskörning. 7. Konstruktionen medför en stor valfrihet för val av material för olika användningsområden för maskinen och för att uppnå speciella drifttekniska fördelar för vrid- kolvmaskinen. Exempelvis kan pumpen tillverkas i PE- och PP-plast för användning inom kemisk-teknisk industri. Ett andra exempel är, att välja en vridkolv i accetalplast och tätningselement i rostfritt stål eller vice versa, varigenom en ytterligare förstärkning av de goda torrkör- ningsegenskaperna som angivits i punkt 6 ovan erhålles. 8. Tätningselementet kan modifieras för att möta särskil- da behov, t ex kan en returström gå igenom elementet och därmed ge tryckavlastning och smörjning.

Det är naturligtvis möjligt att använda flera par av ut- respektive inloppsöppningar, med däremellan anordnade tätningselement hos samma vridkolvmaskin, för att därige- nom öka prestandan för maskinen. Exempelvis visas i fig 6 en utföringsvariant där tre tätningselement används.

I figur 7A visas en annan utföringsform, där den radiella rörelsen, dvs avståndet mellan tätningselemen- tets vridaxel och centrumaxeln för rotationskroppen, justeras genom ett fjäderbelastat förskjutbart hàllarele- ment. Eventuellt kan i detta fall tätningselementets 10 15 20 517 925 10 vridningsaxel vara fixerad mot infästningselementet. I denna utföringsformen av tätningselement och hållare erhålls en anliggning av tätningselementet 7 mot vridkol- ven även då ingen tryckskillnad finns mellan inlopps- och utloppskamrarna A och C, genom att hàllaren är påverkad av en fjäderkraft och därmed pressar tätningselementet radiellt nedåt mot rotorn 2.

I fig 7B visas ett ytterligare alternativt utförande av tätningselementet. I denna variant finns ingen separat hållare. livet hos det tätande elementet utrustats med en uppstå- Istället har det mellan skänklarna liggande ende del och med därifrån nedåt sluttande ytor. Dessa ytor är avpassade att samverka med kanter hos en inskär- ning i husets inre vägg. Härigenom åstadkoms samma kil- verkan som i det tidigare beskrivna första utförandet av uppfinningen, för transformering av en kraft i rotations- riktningen till en kraft i radiell riktning.

Naturligtvis är även ytterligare varianter av upp- finningen möjliga. Sådana närliggande varianter måste anses omfattas av uppfinningen såsom den avgränsas av de bifogade patentkraven.

Claims (3)

10 15 20 25 30 35 517 925 ll PATENTKRAV för användning som pump eller (1) med gavlar (8, 9), roterbar rotationskropp (2) och åtminstone ett tätande

1. Vridkolvmaskin, motor, omfattande ett hus en däri element (7) àtskiljande en volym mellan huset (1) och rotationskroppen (2), varvid huset har åtminstone ett par av in- respektive utloppsöppningar, och varvid det tätan- (16, ligger mot rotationskroppen (2) och ett mellanliggande de element (7) har tvà skänklar 17) vars ändar an- liv, och det tätande elementet vidare är vridbart runt en pá livet sig befinnande vridningsaxel, varvid det tätande elementet vid vridningsaxeln rörligt sammansitter med huset genom att anligga mot en hållare (6) hos huset, varvid det tätande elementet (7) är förskjutbart i radi- ell led, för rotationskroppen (2) sà att summan av avstànden mellan rotationsaxel och skänklarnas anliggningspunk- ter på densamma tilläts variera, k ä n n e t e c k n a d av att det tätande elementet (7) även i och mot rotationsriktningen relativt hàllaren (6) vidare är förskjutbart och att det mellanliggande livet hos det tätande elemen- tet (7) avsedda att anligga mot hàllaren (6) omfattar mot rotationsriktningen snedställda ytor hos huset, för omvandling av en kraft i rotationsriktningen till en kraft i radiell riktning och för ästadkommande av den radiella förskjutningen av det tätande elementet (7).

2. Vridkolvmaskin enligt patentkravet 1, k ä n n e - t e c k n a d av att hàllaren består av åtminstone ett (6), avpassat att samverka med ett V-formigt spår (18) hos det fràn husets insida utstående hàllarelement vilket är tätande elementets liv, för att därigenom hålla fast detsamma.

3. Vridkolvmaskin enligt patentkrav 2, k ä n n e - t e c k n a d av att hàllarelementet (1), skjutning av detsamma. (6) är fjädrande fastsatt i huset för att möjliggöra en radiell för-