WO2001044087A1

WO2001044087A1 - Zellenradschleuse

Info

Publication number: WO2001044087A1
Application number: PCT/EP2000/012089
Authority: WO
Inventors: Ewald König; Siegbert KÖHLER
Original assignee: Coperion Waeschle Gmbh & Co. Kg
Priority date: 1999-12-18
Filing date: 2000-12-01
Publication date: 2001-06-21
Also published as: EP1152965A1; DE19961222C1

Abstract

Eine Zellenradschleuse mit einem Zulaufschacht (2), einem Auslaufschacht (3) und einem Gehäuse (1) mit einem in einer Gehäusebohrung (4) mittels einer Welle (5) drehbar gelagerten Zellenrad (7) weist eine Vielzahl sich im wesentlichen radial von der Welle zum Umfang des Zellenrads erstreckende Stege (9) und das Zellenrad axial abschließende Seitenscheiben (10) auf. Zur Erhöhung der Festigkeit des Zellenrads sind die Seitenscheiben (10) auf ringförmigen Vorsprüngen (13) der Welle (5) angeordnet. Dabei können die Stege (9) im Bereich der ringförmigen Vorsprünge (13) Aussparungen (14) aufweisen, so daß sich die Vorsprünge (13) zur Verringerung der mechanischen Werkstoffbelastung bei einer Biegung der Welle (5) membranartig verformen.

Description

Zellenradschleuse

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Zellenradschleuse mit einem Zulaufschacht, einem Auslaufschacht und einem Gehäuse mit einem in einer Gehäusebohrung mittels einer Welle drehbar gelagerten Zellenrad, das eine Vielzahl sich im wesentlichen radial von der Welle zum Umfang des Zellenrads erstreckende Stege und das Zellenrad axial abschließende Seitenscheiben aufweist.

Welle und Zellenrad derartiger Zellenradschleusen werden mechanisch hoch belastet, wenn zwischen Zulauf- und Auslaufschacht eine Druckdifferenz herrscht, unter deren Wirkung das Zellenrad radial versetzt wird. Dabei treten in der Welle erhebliche Biegewechselbelastungen auf, die bei der konstruktiven Auslegung des Rotors zu berücksichtigen sind.

Aus der Auslegeschrift DE 2 041 045 ist eine Zellenradschleuse bekannt, bei welcher das axial mittels Seitenscheiben geschlossene Zellenrad und die Antriebswelle einteilig gefertigt sind. Ein derartiger Rotor weist zwar keine Verbindungsstellen auf, an denen eine Festigkeitsverminderung auftreten könnte, ist jedoch nur mit großem Aufwand durch spanende Fertigung oder als Gußteil herstellbar, wobei im ersten Fall ein erheblicher Materialabtrag erforderlich ist und im zweiten Fall extrem hohe Modellkosten anfallen. Gußteile weisen darüber hinaus eine relativ geringe Festigkeit auf und sind nur bedingt auftragsbezogen veränderbar. Da dünne Stege schwer ausformbar sind, wird der Rotor darüber hinaus sehr schwer. Die Druckschrift DE 1 945 950 lehrt, das einteilig gefertigte Zellenrad mittig mit einer durchgängigen Bohrung zu versehen, durch welche die Antriebswelle hindurchgeführt wird. Die drehfeste Verbindung zwischen Zellenrad und Welle erfolgt über eine Paßfeder. Dieser konstruktive Aufbau ermöglicht es, Welle oder Zellenrad bei einer Beschädigung jeweils einzeln zu ersetzen oder die Welle gegen ein verändert ausgebildetes Bauteil zu ersetzen, beispielsweise bei einer nachträglichen Änderung des Wellenantriebs. Außerdem kann eine Antriebswelle bei einer Vielzahl unterschiedlicher Zellenräder Verwendung finden und in entsprechend großer Stückzahl gefertigt werden. Diesen Vorteilen stehen ein vergrößerter Fertigungsaufwand und ein im Übergangsbereich zwischen Welle und Zellenrad schlecht zu reinigender Rotor gegenüber. Ferner ist die Durchbiegung des Rotors vergleichsweise groß, da Zellenrad und Welle nicht schubfest miteinander verbunden sind. Im axialen Endbereich des Zellenrads treten außerdem erhebliche, festigkeitsmindernde Kerbspannungen in der Welle auf.

Eine ähnliche Ausführung ist aus der Offenlegungsschrift DE 28 45 261 A1 bekannt. Abweichend von dem zuvor beschriebenen Rotor ist die Welle in axialer Richtung zweiteilig ausgeführt, wobei die Wellenteile beidseitig koaxial in entsprechende Aussparungen des Zellenrads eingeführt und dort in nicht näher definierter Weise zueinander beabstandet fixiert werden. Diese Ausbildung hat bei einer radialen Belastung des Zellenrads eine extrem hohe, Undefinierte Durch- biegung zur Folge.

Eine zweigeteilte Welle wird ferner in der Zellenradschleuse nach FR 1.183.967 verwendet, die einen axial nur einseitig geschlossenen Rotor aufweist. Dabei ist ein Wellenteil einstückig mit dem Zellenrad verbunden, das seinerseits mit einem am zweiten Wellenteil angeformten, scheibenförmigen Flansch verschraubt ist. Diese Ausbildung ist gießtechnisch günstig, da weder Materialanhäufungen noch Hinterschneidungen auftreten, weist jedoch nur eine geringe Steifigkeit und Festigkeit auf.

In der Patentschrift DE 42 28 014 C1 wird offenbart, Stege und Seitenscheiben des Zellenrads gesondert anzufertigen und mit der Antriebswelle zu verschweißen. Dabei sind die Stege mit ihren radial innenliegenden Stirnflächen auf den größten Umfang der Welle aufgeschweißt. Die Seitenscheiben des Rotors werden auf Wellenabsätze verminderten Durchmessers aufgeschoben und durch ringförmige Schweißnähte mit der Welle verbunden. Eine weitere Schweißverbindung erfolgt im Verbindungsbereich zwischen den innenliegenden Stirnflächen der Seitenscheiben und axialen Endflächen der Stege. Ein derartiger Rotor kann wirtschaftlich gefertigt werden und weist ein vergleichsweise geringes Gewicht auf. Darüber hinaus kann das Zellenrad unter weitgehender Verwendung standardisierter Bauteile bei der Fertigung kundenspezifisch modifiziert werden. Wegen der genannten Vorteile hat sich dieser Aufbau weitgehend durchgesetzt. Bei der Verwendung in Zellenradschleusen, die einer Druckdifferenz von mehr als 3,5 bar zwischen Zulauf- und Auslaufschacht ausgesetzt sind, muß die

Antriebswelle wegen der Festigkeitsminderung im Bereich der Schweißnähte einen vergrößerten Durchmesser aufweisen, wodurch das Gewicht des Rotors ansteigt. Da das Zellenrad gegenüber den aus diesem herausragenden Wellenenden außerordentlich biegesteif ausgeführt ist, treten im Übergangsbereich zu den Seitenscheiben bei Belastung darüber hinaus besonders große Spannungen auf.

Bei dem aus der Druckschrift DE-OS 1 926 915 bekannten Zellenrad werden diese Spannungen dadurch vermindert, daß jede Seitenscheibe als kegelförmiger Hohlkörper ausgebildet ist, deren sich konisch verjüngenden Enden einander gegenüberliegen. Die Stege sind jeweils nur bis an die Mantelfläche des Kegels herangeführt und daher nicht unmittelbar mit den axialen Endflächen des Zellenrads verbunden. Auf diese Weise wird, offensichtlich ungewollt, der Übergangsbereich zwischen Wellenenden und Zellenrad elastischer ausgeführt. Patentgemäß werden die Hohlräume in den Kegeln vielmehr zur Spülung mit Druckluft verwendet.

Im Gebrauchsmuster GM 74 17 697 wird eine Zellenradschleuse abgebildet, bei welcher die Seitenscheiben mit einer innenliegenden Ringnaht auf die Antriebswelle geschweißt sind. Im Bereich der Schweißnaht sind die Ecken der Stege offensichtlich ausgespart, so daß die Stirnflächen der Stege gegenüber der ringförmigen Schweißnaht einen geringfügigen Abstand aufweisen. Eine derartige Schleuse ist aufgrund mangelhafter Dichtigkeit zum Einsatz in Druckfördersystemen grundsätzlich ungeeignet.

Aufgabe

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Zellenrad für den Einsatz in Hochdruckschleusen bereitzustellen, das eine besonders günstige Verteilung der mechanischen Spannungen aufweist und dennoch relativ einfach zu fertigen ist.

Lösung

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Seitenscheiben auf ringförmigen Vorsprüngen der Welle angeordnet sind. Auf diese Weise werden die Verbindungsstelle zwischen Welle und Seitenscheibe in einen Bereich verlegt, in dem beim Betreiben der Schleuse unter hoher Druckdifferenz nur geringe Spannungen auftreten, so daß auch eine an sich festigkeitsmindernde stoffschlüssige Verbindung, insbesondere mittels Schweißen, problemlos möglich ist.

Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.

Figuren

Die Figuren stellen beispielhaft und schematisch verschiedene Ausbildungen der Erfindung dar.

Es zeigen:

Fig. 1a einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Zellenradschleuse

Fig. 1b einen Querschnitt durch die Schleuse nach Fig. 1a

Fig. 2a einen Längsschnitt durch eine Zellenradschleuse nach einer weiteren Ausführung der Erfindung

Fig. 2b einen Querschnitt durch die Schleuse nach Fig. 2a

Fig. 3a einen Längsschnitt einer weiteren erfindungsgemäßen Zellenradschleuse

Fig. 3b einen Querschnitt durch die Schleuse nach Fig. 3a Die in Figur 1 a, b dargestellte Zellenradschleuse besteht aus einem Gehäuse 1 mit einem Zulaufschacht 2 und einem Auslaufschacht 3. In einer zylindrischen Gehäusebohrung 4 ist mittels einer Welle 5 und Wälzlagern 6 ein Zellenrad 7 drehbar gelagert. Das Zellenrad umfaßt eine Vielzahl von Kammern 8, die durch sich radial von der Welle 5 zum Umfang des Zellenrads 7 erstreckende Stege 9 gebildet werden. Axial sind die Kammern 8 beidseitig über Seitenscheiben 10 verschlossen. Dichtungen 11 dichten die Gehäusebohrung 4 gegenüber den in Seitendeckeln 12 angeordneten Wälzlagern 6 ab. Über den Zulaufschacht 2 tritt Schüttgut in die Zellenradschleuse ein, beispielsweise aus einem unter Umgebungsdruck stehenden Vorratssilo, füllt die jeweils mit dem Zulaufschacht in Überdeckung stehenden Kammern 8, die nach einer Drehung des Zellenrads um etwa 180° in den Auslaufschacht 3 entleert werden. Der Auslaufschacht 3 kann in eine nicht dargestellte pneumatischen Förderleitung münden, in der einen gegenüber der Umgebung um beispielsweise 6 bar erhöhter Gasdruck herrschen kann. Das Zellenrad 7 ist mit engen Spalten in die Gehäusebohrung 4 eingepaßt, um das Entweichen des Fördergases vom Auslaufschacht 3 zum Zulaufschacht 2 in zulässigen Grenzen zu halten.

Unter der Wirkung des Überdrucks im Auslaufschacht 3 wird das relativ steife Zellenrad 7 zum Einlaufschacht 2 hin versetzt, wobei in der Welle 5 eine Durchbiegung auftritt. Diese hat bei Drehung des Zellenrads 7 eine nicht unerhebliche Biegewechselbelastung zur Folge.

Bei der Herstellung des Zellenrads 7 werden die Welle 5, die Seitenscheiben 10 und die Stege 9 als separate Bauteile vorgefertigt und durch Verschweißen stoffschlüssig miteinander verbunden. Um die mechanischen Spannungen in der Welle 5 und dem Zellenrad 7 besonders günstig zu verteilen, weist die Welle 5 ringförmige Vorsprünge 13 auf, auf deren Außenumfang die entsprechend ausgebohrten Seitenscheiben 10 aufgesetzt und verschweißt werden. Der Übergang der Vorsprünge 13 zum übrigen Körper der Welle 5 ist gerundet, so daß in diesem Bereich weder nennenswerte Kerbspannungen noch Schweißspannungen auftreten.

Zur nochmaligen Verbesserung der Spannungsverteilung sind die Stege 9 im Bereich der ringförmigen Vorsprünge 13 mit dreieckigen Ausnehmungen 14 versehen, die sich seitlich vom Wellengrund 15 bis über den ringförmigen

Vorsprung 13 erstrecken. Die Stege 9 werden daher nicht mit den ringförmigen Vorsprüngen 13, sondern nur mit dem Wellengrund 15 und den Seitenscheiben 10 verschweißt. Durch dieses Vorgehen werden einerseits Nahtanhäufungen im Übergangsbereich zwischen den ringförmigen Vorsprüngen 13 und den Seitenscheiben 10 vermieden. Zum anderen können sich die ringförmigen

Vorsprünge 13 unter Last membranartig verformen, wodurch Spannungsspitzen gemildert werden.

Um die durch die Ausnehmungen 14 entstehende Undichtigkeit des Zellenrads 7 zu beseitigen, sind in die Kammern 8 Trennbleche 16 eingelassen, die jeweils mit beiden Seitenscheiben 10 und den zueinander benachbarten Stegen 9 dichtend verbunden sind.

In zahlreichen Anwendungen ist das Einbringen der großflächigen Trennbleche 16 ohnehin erforderlich, um die Entleerung der Kammern 8 in den Auslaufschacht 3 zu verbessern. Steht hingegen ein großes Volumen der mit Schüttgut befüllbaren Kammern 8 im Vordergrund, kann das Zellenrad entsprechend Figur 2 a, b ausgestaltet werden. Bei dieser Ausführung sind die Trennbleche 16 als Kegelmantelsegmente ausgebildet, die entlang der Ausnehmungen 14 jeweils mit einer Seitenscheibe 10 und den zueinander benachbarten Stegen 9 dichtend verbunden sind. In den übrigen Merkmalen stimmt das Zellenrad nach Figur 2 mit der zuvor beschriebenen Ausführung überein.

Um den Aufwand für das Ausarbeiten des Wellengrunds 15 zu verringern, kann das Zellenrad 7 entsprechend Figur 3 gefertigt werden. Dabei werden zwei jeweils mit einem ringförmigen Vorsprung 13 versehene Wellensegmente 17 einstückig vorgefertigt und in spiegelbildlicher Anordnung über ein rohrförmiges, den Wellengrund 15 bildendes Verbindungsstück 18 und die Stege 9 miteinander verbunden. Das rohrförmige Verbindungsstück 18 ist koaxial zu den Wellensegmenten 17 angeordnet und wird zur Zentrierung mit beiden Enden auf entsprechend ausgeformte Zapfen 19 der Wellensegmente 17 aufgeschoben. Im übrigen entspricht diese Zellenradschleuse der Ausführung nach Figur 1.

Die Anwendung der Erfindung ist grundsätzlich nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere können Zellenrad 7 und Gehäusebohrung 4 eine von der Zylinderform abweichende Gestalt aufweisen. Auch können die ringförmigen Vorsprünge 13 mit einer über den Durchmesser veränderlichen Breite versehen werden, um die membranartige Verformung gezielt zu beeinflussen. Letztlich ist die Form der Ausnehmungen 14 nicht auf Dreiecke beschränkt, auch wenn diese Ausbildung besonders einfach anzufertigen ist. Bezugszeichenliste

1 Gehäuse

2 Zulaufschacht

3 Auslaufschacht

4 Gehäusebohrung

5 Welle

6 Wälzlager

7 Zellenrad

8 Kammer

9 Steg

10 Seitenscheibe

11 Dichtungen

12 Seitendeckel

13 Vorsprung

14 Ausnehmung

15 Wellengrund

16 Trennblech

17 Wellensegment

18 Verbindungsstück

19 Zapfen

Claims

Patentansprüche

1. Zellenradschleuse mit einem Zulaufschacht (2), einem Auslaufschacht (3) und einem Gehäuse (1) mit einem in einer Gehäusebohrung (4) mittels einer Welle (5) drehbar gelagerten Zellenrad (7), das eine Vielzahl sich im wesentlichen radial von der Welle zum Umfang des Zellenrads erstreckende Stege (9) und das Zellenrad axial abschließende Seitenscheiben (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenscheiben (10) auf ringförmigen Vorsprüngen (13) der Welle (5) angeordnet sind.

2. Zellenradschleuse nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (9) im Bereich der ringförmigen Vorsprünge (13) Aussparung (14) aufweisen.

3. Zellenradschleuse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Aussparungen (14) in den Stegen (9) seitlich vom Wellengrund (15) bis über den ringförmigen Vorsprung (13) erstrecken.

4. Zellenradschleuse nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Aussparungen (14) und dem Umfang des Zellenrads (7) an mindestens einer Seitenscheibe (10) und zueinander benachbarten Stegen (9) dichtend anliegende Trennbleche (16) angeordnet sind.

5. Zellenradschleuse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennbleche (16) sich zwischen den Innenflächen der Seitenscheiben (10) über die gesamte axiale Breite der Kammern (8) erstrecken.

6. Zellenradschleuse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Trennbleche (16) jeweils von einer Seitenscheibe (10) zum Wellengrund (15) erstrecken.

7. Zellenradschleuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (5) zwei jeweils einstückig ausgeführte Wellensegmente (17) umfaßt, die mittels eines achsgleich angeordneten, rohrförmigen Verbindungsstücks (18) miteinander verbindbar sind.

8. Zellenradschleuse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Verbindungsstück (18) mit seinen Enden auf kongruent ausgebildete Zapfen (19) der Wellensegmente (17) aufsetzbar ist.

9. Zellenradschleuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Welle (5), Seitenscheiben (10) und Stege (9) stoffschlüssig, insbesondere durch Schweißen miteinander verbindbar sind.