WO2015051784A2 - Strömungsmaschine - Google Patents

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WO2015051784A2
WO2015051784A2 PCT/DE2014/100352 DE2014100352W WO2015051784A2 WO 2015051784 A2 WO2015051784 A2 WO 2015051784A2 DE 2014100352 W DE2014100352 W DE 2014100352W WO 2015051784 A2 WO2015051784 A2 WO 2015051784A2
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turbomachine
drive
piston
pressure
control device
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PCT/DE2014/100352
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WO2015051784A3 (de
Inventor
Reginald R. BAUM
Robert Röss
Original Assignee
4-QM hydraulics GmbH
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Publication date
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Priority to PL14809757T priority patent/PL3055573T3/pl
Priority to CN201480061413.9A priority patent/CN105814313B/zh
Priority to ES14809757T priority patent/ES2862130T3/es
Priority to DK14809757.9T priority patent/DK3055573T3/da
Priority to US15/028,192 priority patent/US11174859B2/en
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04CROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • F04C14/06Control of, monitoring of, or safety arrangements for, machines, pumps or pumping installations specially adapted for stopping, starting, idling or no-load operation
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03CPOSITIVE-DISPLACEMENT ENGINES DRIVEN BY LIQUIDS
    • F03C2/00Rotary-piston engines
    • F03C2/08Rotary-piston engines of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04B49/02Stopping, starting, unloading or idling control

Definitions

  • the present invention relates to a turbomachine, which can be operated both as a motor and as a pump, with axially fixed shaft, comprising a power part and a controller, which comprises at least one connecting part, at least one distributor part with through openings and at least a supply line part are arranged, the distributor part is driven by means of at least one arranged on the shaft drive and axial forces are distributed to an axially disposed on the distributor part piston, wherein the at least one provided on the machine part inlet and outlet is designed to rotate and from the distributor part and the piston is supplied via the supply line part with at least two co-rotating drive pressures, wherein the drive pressures generate forces with their associated projected annular surfaces on the piston.
  • a machine which is supplied for operation with at least two co-rotating feed pressures and for this purpose has an output which drives the distributor part of the turbomachine.
  • This can be both a controllable and non-controllable machine.
  • hydrostatic rotary piston engine is already known from the prior art.
  • EP 0166995 Bl a continuously variable volume hydrostatic rotary piston engine is also described.
  • These machines can be operated both as a motor and as a pump and operate both in the right and in the reverse direction, therefore, each have two operating modes, motor and pump in both directions and therefore four quadrants (motor clockwise, motor counterclockwise, pump counterclockwise, pump clockwise).
  • a hydraulic unit for providing a pressurized hydraulic fluid for driving a coupled hydraulic actuator which is arranged with a motor housing arranged in a pressurized motor, arranged in a storage housing hydraulic accumulator and one in a Pump housing arranged hydraulic pump and a hydraulic block is equipped.
  • Characteristic of this is that at least the motor housing, pump housing and the hydraulic block form a uniform manageable rigid module and the hydraulic fluid flowing around in the module passes through all elements of the module in the longitudinal direction (circulation system).
  • An essential element of this hydraulic unit is that the hydraulic pump and the hydraulic block form a functional unit, the hydraulic block is provided with a plurality of hydraulic connection elements and a flange arranged in the pump housing delivery chamber is covered by the hydraulic block on the motor housing opposite side.
  • a hydraulic device comprising a housing having a fluid supply opening and a fluid outlet opening, wherein a rotor in the housing and a stator are provided, further comprising a rotor which is rotatable with respect to the stator is and has a low pressure and a high pressure zone.
  • a commutator valve is rotatably received in the housing with two high pressure and low pressure zones connected in communication with the fluid supply port and the fluid discharge port.
  • the present invention is based on the object to provide a turbomachine in which the axial forces are very small or zero, except for a minimum force for sealing the treads, and which used both as a pump and as a prime mover and with all conceivable flowable media can be operated, whereby they behave the same in the clockwise and anti-clockwise rotation and the function is to be guaranteed safe regardless of the pressure constellations of the drive pressures.
  • a turbomachine of the type mentioned is characterized in that acts on at least one end face of the distributor part on at least one replacement surface at least one further pressure, and the efficiency of the total resulting force, which the contact surfaces between the piston and manifold, and between distributor and feed line presses against each other, is changed within a control range.
  • the turbomachine should preferably be carried out in the two-pipe principle without separate leakage process and can be equipped with a control device and an associated drive, so that it retains its high efficiency even at high pressures.
  • a freewheeling function, a braking function, a blocking function, a soft start, a linearization of the characteristic curves and, within a control range, an adaptation of the characteristic curves to specific load requirements should be able to be realized via the control device.
  • All forces acting on the Verfeilerfeil are initially in each of the four operating states of the turbomachine in both the axial and in the radial direction - up to a sealing force - in an equilibrium.
  • additional pressure areas are arranged on the distributor part in such a way that a regular and inherently symmetrical pressure distribution is formed on the end face of the distributor part.
  • a control device is to be understood below as a force transmission means which transmits axial forces to the piston. This force is generated by a separate drive and can also be used for braking or soft starting or blocking or disengaging the turbomachine.
  • turbomachine It was extremely surprising for the expert that all the above-mentioned disadvantages no longer occurred in the invented turbomachine.
  • the essential and decisive advantage of the proposed turbomachine is that it is very reliable in all four quadrants, has the same properties in the right and left rotation and achieved by the elimination of friction losses a much higher efficiency and very high starting torques.
  • Fig.l is an isometric sectional view through a turbomachine
  • FIG. 2 shows a comparison between a typical characteristic curve of an already known drive and three possible characteristic curves within a control range
  • FIG. 3 shows the axial forces acting on the piston and the distributor part, which add up to the total force
  • the turbomachine in an operating state as a pump or as a motor
  • FIG. 6 shows the turbomachine in a freewheeling operating state
  • FIG. 7 shows an embodiment of the controller
  • FIG. 9 shows a block diagram of the turbomachine
  • Fig. L 0 exemplarily four embodiments of a power unit with rotating inlet and outlet. Embodiment of the invention
  • the preferred turbomachine 1 comprises a power unit 2 and a controller 3, wherein the power unit 2 drives the distributor part 10 via the drive 12.
  • the power unit 2 is supplied with rotating inlet and outlet with the two drive pressures pl, p2.
  • Axial to the supply line 1 1, the distributor part 10 is arranged.
  • the piston 9 is arranged axially on the distributor part 10 and is supplied axially with the two drive pressures p 1, p 2 via the connection part 4.
  • Piston 9, distributor part 10 and supply line 1 1 are arranged on the connection part 4. In the connection part 4, the two terminals are 5.6.
  • the control device 13 acts in the axial direction on the piston 9 and is thereby driven by the drive of the control device 14.
  • the two check valves 16, 7 are arranged between the inner leak region 7 and the connections 5, 6.
  • a spring 15 generates a spring force Ff with which the piston 9 and the distributor part 10 are pressed onto the supply part 11 so as to seal them against each other. It is arranged between the connecting part 4 and the piston 9.
  • the axial and almost rectilinear supply of the power unit 2 with the drive pressures p 1, p 2 is particularly advantageous for the efficiency of the turbomachine 1.
  • the flow of the flowable medium is hardly slowed down by deflections.
  • the turbomachine 1 without control device 13 with drive of the control device 14 executed.
  • the advantage of this embodiment is that the turbomachine 1 is considerably cheaper, if in the application none of the functions freewheel, soft start, braking or blocking is needed, but only a cheap machine with excellent efficiency and the same functionally reliable behavior in legal and left-hand rotation.
  • the characteristic curve Kl shows an example of the behavior of a turbomachine 1 without a control device 13.
  • Kl is already almost symmetrical or even completely symmetrical in the four quadrants l-IV.
  • the advantage here is the higher starting torque at the shaft Mw in the first two quadrants 1,11 when driving, and the high starting torque in the two quadrants III, IV when pumping.
  • the start-up is always ensured here even with very small pressure differences between the two drive pressures pl, p2.
  • a low start-up moment is important, for example, in windmills, which not only generate energy at, for example, 3 m / s wind speed, but already at, for example, 1 m / s wind speed.
  • the characteristic K2 shows an example of a characteristic of a turbomachine 1 with control device 13 and the drive of the control device 14, in which the efficiency is linearized in sections and optimized within the control range 19 for high pressures by the necessary sealing forces in the turbomachine 1 to the respectively adjacent pressure conditions of the two drive pressures pl, p2 and were adapted to the speed of the turbomachine 1.
  • turbomachine 1 is now controllable. In combination with its improved features, its more reliable function and the additional freewheel, soft start, brake and lock functions, it is suitable for a variety of applications such as traction drives, windmills, measuring systems, drives in safety-critical applications or servo drives.
  • the force acting on the piston 9 and the control plate 10 axial forces add up to the total force Fg.
  • the control plate 10 has alternately passages 26,27, through which the drive pressures pl, p2 can act.
  • the drive pressure pl generates the force from pl Fpl.
  • the drive pressure p2 generates the force from p2 Fp2.
  • These forces Fpl, Fp2 are calculated from the drive pressures pl, p2 and the associated projected annular surfaces on the piston 9.
  • the spring 15 generates the spring force Ff.
  • the inner leak pressure pli generates the force Fl with the associated projected area.
  • the control force Fs additionally acts.
  • different pressures act, which are also not constantly distributed.
  • Fgsx becomes FgsA, FgsB, or FgsC.
  • the exact pressure conditions on this surface are non-linear, speed-dependent and very complex.
  • a segment, each having a passage opening 26 of the drive pressure pl and a passage opening 27 of the drive pressure p2 is shown enlarged in Figure 3, and each a pressure range of an internal leak pressure pl and another pressure pwl.
  • Another advantage lies in the fact that in the presence of a control device 13 with drive 14 can even be dispensed with the spring 15, when this spring force Ff is generated by the driven control device 13, 14.
  • a further advantage lies in the fact that according to the case that the piston 9 and / or the distributor part 10 and / or the control device 13 are designed to be magnetic, this also axial forces can be generated.
  • a drive for the control device 13 for example, a simple solenoid can be used.
  • the complex pressure distributions on the end faces of the distributor part 10 can be shown simplified on a model pressure curve with a non-constant gradient between the drive pressure p2 and the further pressure pwl.
  • a boundary point 25 is determined such that the two areas A in the model system and in the replacement system are the same size.
  • connection of the boundary points 25 leads to the replacement surfaces A1, A2, A3, B1, B2, B3, B4, C1, C2, C3, C4, C5. in which the respective pressure pl, pli, pwl, pw2 ... is constant.
  • turbomachine 1 now due to the symmetrical conditions in the right and left rotation again the same or has at least almost the same properties.
  • Another advantage lies in the fact that according to the case where the further pressure pwl is equal to the internal leak pressure pi, the structure of the turbomachine 1 is considerably simplified, since the pressure ranges B3 and B4 only have to be connected by supply lines 24.
  • the areas Cl and C2 are ideally the same size.
  • the surface C4 is supplied via leads 24 with a further pressure pw2. This may be, for example, the internal leak pressure pli or else, as in the illustration, the externally applied additional pressure pwl or else a control pressure pw2.
  • a further pressure pwl can also be fed by at least one supply line to the further pressure region 24 from the outside via the connecting part 4 as a control pressure.
  • Another advantage lies in the fact that the supply of the distributor part 10 takes place almost without deflection axially over the piston 9 and the connecting part 4, and due to the large cross sections of the passage openings 26,27 for the two driving pressures pl, p2 also result in very large flow cross sections. Both contribute to a good overall efficiency ⁇ .
  • Another advantage is also due to the fact that the flow machine 1 is optimized in terms of production technology in all its parts, since there are no oblique bores except for one supply line to the further pressure region 24.
  • the turbomachine 1 is brought into a freewheeling operating state when the total resultant force Fg pushes the piston 9 away from the distributor part 10.
  • a force Fs is exerted on the piston 9 via a control device 13 with a drive for the control device 14.
  • the distributor part 10 and the supply line 1 1 thereby arise column, over which an internal short-circuit current Vki and an external short-circuit current Vka form.
  • About the control device 13 can be transferred very sensitively from the freewheel in the start of the machine advantageously, so that a soft start is created.
  • the shaft of the controller 2 is connected via the drive 12 of the distributor part 10 with the reduction and with the distributor part 10 can advantageously by a reversal of the control force Fs of the distributor part 10 between the piston 9 and feed part 1 1 braked and so the moment be influenced directly on the shaft Mw.
  • connections 5, 6 can also be arranged directly on the piston 9.
  • the spring 15 presses on the piston 9, the distributor part 10 on the supply line 1 first
  • the distributor part 10 is supplied radially from the inside with the drive pressures p 1, p 2.
  • the axial forces Fpl, Fp2 resulting from the supply pressures pl, p2 become zero.
  • the control device 13 advantageously consists of a flowable medium which is located in a cylinder which is arranged between the piston 9 and the two connection parts 4.
  • the drive of the control device 14 acts on this flowable medium with a control pressure and thus generates the control force Fs.
  • the distributor part 10 is driven by the drive 12 of the distributor part 10 at the speed nv. Between the inner leak region 7 and the connections 5, 6, the two check valves 16, 17 are arranged.
  • a further advantage of this embodiment of the turbomachine 1 is that the entire system is operated via flowable media, thus facilitating integration into an overall system in which the control information already exists in the form of a control pressure.
  • the connections 5, 6 can be arranged on the connection part 4 and supply the distributor part 10 directly and not via the piston 9 with the drive pressures p 1, pw. It is advantageous here that thereby the axial forces Fpl, Fp2, which result from the supply pressures pl, p2, act radially and thus become axially zero. Pressure fluctuations of p 1, p 2 no longer have any influence on the total resultant force F g.
  • the spring 15 presses the distributor part 10 onto the supply line part 1 1 via the piston 9.
  • the distributor part 10 is supplied in this preferred arrangement radially from the outside with the drive pressures pl, p2.
  • the drive of the control device 14 exerts a control force Fs on the piston via the control device 13.
  • the distributor part 10 is driven by the drive 12 of the distributor part 10 at the speed nv.
  • the further pressure region is arranged on the outside of the distributor part 10.
  • a separate leak port 18 is arranged in the connection part 4. If the flowable medium is a gaseous fluid which enters the turbomachine 1 via the connection 5 with the drive pressure pl and flows into the open via the connection 6, then the leakage flow Vli can also flow out immediately via the leak connection 18, without first having to build a pressure for driving check valves 15.1 6. As a result, the starting pressure pl of the turbomachine 1 drops to an advantageous minimum.
  • Another advantage of this embodiment is that the turbomachine 1 can be even more cheaply constructed without check valves.
  • the piston 9 is arranged.
  • the spring 15 is arranged. This first presses the piston 9 to the distributor part 10.
  • the piston 9 can optionally be arranged a control device 13, on which a drive 14 is arranged.
  • the drive pressures pl, p2 are introduced into the piston 9 and distributed to the individual passage openings 26, 27 in the distributor part 10.
  • the distribution of these two drive pressures pl, p2 to two pressure ranges from 0 ° to 180 ° / i and from 180 ° / i to 360 ° / i takes place through the distributor part 10 by means of a difference between the number of passage openings 26, 27 in the distributor part 10 and the number of leads to the power section 28 in the supply line 1 1.
  • On the end faces of the distributor part 10 also act more pressure areas 8, which are shown here by leads 24.
  • the power unit 2 is arranged with a rotating inlet and outlet. Between the distributor part 10 and the power part 2, the drive 12 of the distributor part 10 is arranged.
  • the power unit 2 drives the distributor part 10 synchronously via the drive 12, so that both rotate in synchronism with the speed nv of the distributor part 10.
  • the drive 12 of the distributor part 10 does not necessarily have to be coaxial with the distributor part 10.
  • Another advantage lies in the fact that the reduction u depending on the type of power section 2 can also be equal to 1 and thus a direct drive is possible, which causes no additional noise.
  • the efficiency ⁇ and also the symmetry of the characteristic curves K0, Kl, K2, K3 can be changed by advancing or lagging the distributor part 10 to the power unit 2 by the adjustment angle ⁇ .
  • several types of power parts 2 with rotating inlet and outlet are conceivable, which can be combined with the controller 3 to form a turbomachine 1.
  • the power unit 2 consists of a GEROTOR machine with a constant volume flow, as can be seen in Fig.l in section. Shown is a section through the GEROTOR machine, which shows the two pressure ranges with the drive pressures pl, p2. The reduction u is not equal to 1. The two pressure ranges with the drive pressures pl, p2 rotate at the speed nv.
  • the advantage here is the simple and compact design of such a turbomachine 1.
  • the power unit 2 consists of a controllable in volume flow GEROTOR machine. This is shown in section. The most important advantage here is the controllability of the volume flow, which is absolutely necessary in many applications.
  • the power part 2 consists of an axial piston machine with a swash plate.
  • the shaft of this machine is connected directly to the distributor part 10 of the controller 3.
  • the power unit 2 consists of a radial piston engine with connecting rods and crankshaft.
  • the shaft of this machine is connected directly to the distributor part 10 of the controller 3.
  • the reduction u is thus equal to 1.
  • turbomachine 1 A very central advantage of the turbomachine 1 according to the invention is to provide it with a variety of conceivable power parts 2 combine to create an ideal solution for the particular application of the turbomachine 1.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine (1), welche sowohl als Motor als auch als Pumpe betrieben werden kann, mit axial fest gelagerter Welle, umfassend ein Leistungsteil mit rotierendem Zu- und Ablauf (2) sowie eine zugehörige Steuerung (3). Die Strömungsmaschine (1) besitzt aufgrund der drehrichtungsunabhängig gemachten Axialkräfte (Fgx) einen wesentlich verbesserte Zuverlässigkeit und aufgrund der Anpassung der Dichtkräfte einen wesentlich besseren Wirkungsgrad (η) in beiden Laufrichtungen. Sie kann sowohl mit Fluiden als auch mit Gasen betrieben werden. Die Strömungsmaschine (1) kann mit einer Steuervorrichtung (13) und einem Antrieb (14) für die Steuervorrichtung erweitert werden, um eine Freilauffunktion, eine Bremsfunktion und/oder eine Blockierfunktion zu erhalten, sowie um die Kennlinien (K0, K1, K2, K3) im gesamten Regelbereich zu verschieben, zu verändern und zu optimieren. Die Strömungsmaschine (1) besitzt im Rechts- und Linkslauf prinzipiell die gleichen Eigenschaften, welche aber über die Steuervorrichtung (13) verändert und optimiert werden können. Als Leistungsteil (2) eignen sich GEROTOR Maschinen, axiale und radiale Kolbenmaschinen sowohl in geregelter als auch in ungeregelter Ausführung.

Description

Strö m ung sm a sc hine
BESC HREIBUNG
Technisches Gebiet
[0001 ] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, welche sowohl als Motor als auch als Pumpe betrieben werden kann, mit axial fest gelagerter Welle, umfassend ein Leistungsteil sowie eine Steuerung, die zumindest ein Anschlussteil umfasst, an dem mindestens ein Verteilerteil mit Durchtrittsöffnungen sowie zumindest ein Zuleitungsteil angeordnet sind, das Verteilerteil mittels zumindest eines an der Welle angeordneten Antriebs angetrieben wird und axiale Kräfte auf einen an dem Verteilerteil axial angeordneten Kolben verteilt werden, wobei der mindestens eine an dem Maschinenteil vorgesehene Zu- und Ablauf rotierend ausgestaltet ist und von dem Verteilerteil und dem Kolben über das Zuleitungsteil mit mindestens zwei sich mitrotierenden Antriebsdrücken versorgt wird, wobei die Antriebsdrücke mit ihren zugehörig projizierten Ringflächen am Kolben Kräfte erzeugen. Nachfolgend soll unter einem Leistungsteil eine Maschine verstanden werden, welche zum Betrieb mit mindestens zwei mitrotierenden Speisedrücken versorgt wird und zu diesem Zweck einen Abtrieb besitzt, welcher das Verteilerteil der Strömungsmaschine antreibt. Dabei kann es sich sowohl um eine regelbare als auch um eine nichtregelbare Maschine handeln.
Stand der Technik
[0002] Aus dem Stand der Technik ist aus WO 2006/010471 AI ein im Volumenstrom nicht änderbarer, hydrostatischer Kreiskolbenmotor bereits bekannt. In EP 0166995 Bl ist darüber hinaus eine stufenlos volumenänderbare hydrostatische Kreiskolbenmaschine beschrieben. Diese Maschinen können sowohl als Motor als auch als Pumpe betrieben werden und funktionieren sowohl im Rechts- als auch im Linkslauf, besitzen demnach jeweils zwei Betriebsmodi, Motor und Pumpe in beiden Drehrichtungen und mithin vier Quadranten (Motor im Rechtslauf, Motor im Linkslauf, Pumpe im Linkslauf, Pumpe im Rechtslauf).
[0003] Nachteilig hierbei ist, dass in diesen Maschinen sehr hohe druck- und drehrichtungsabhängige Axialkräfte entstehen. Diese Kräfte führen zu sehr hohen, druck- und drehrichtungsabhängigen Reibungsverlusten. Dadurch sind diese Maschinen nichtlinear, haben im Rechts- und Linkslauf unterschiedliche Eigenschaften und besitzen einen reduzierten Wirkungsgrad.
[0004] Weitere Nachteile der bereits bekannten Lösungen seien nachfolgend beschrieben. Das ungleiche und nichtlineare Verhalten der Maschinen im Rechts- und Linkslauf in beiden Modi machen sie für viele Anwendungen, wie bspw. für eine Verwendung als Radnabenmotor oder bspw. für eine Verwendung als Messsystem oder Servoantrieb gänzlich ungeeignet. Ein Radnabenmotor etwa muss im Rechts- und Linkslauf exakt gleiche Eigenschaften haben, damit linkes und rechtes Rad gleich angetrieben werden. Auch der reduzierte Wirkungsgrad macht die Maschinen für die diversen Anwendungen unattraktiv und erzeugt zudem viel Ab- wärme, was in manchen Anwendungen schon gar nicht zulässig ist. Das im Rechts- und Linkslauf ungleiche Verhalten ist bauartbedingt und kann somit nur in ganz engen Grenzen, durch Änderung geometrischer Parameter, während der Auslegung beeinflusst werden. Es kann unter bestimmten Druckverhältnissen sogar vorkommen, dass derartige Maschinen in einen Zustand geraten, in dem ein starker interner Kurzschlussstrom entsteht und die Funktion der Maschine in einer Drehrichtung und mindestens einem Betriebsmodus gar nicht mehr gegeben ist; damit ist die Gesamtfunktion nicht sicher gewährleistet. Um Anzulaufen benötigen die Maschinen sehr hohe Druckdifferenzen, was die Einsatzmöglichkeit eines solchen Antriebs oft verhindert. Maschinen dieser Bauart funktionieren überdies nur im Dreirohrprinzip mit Zulauf, Ablauf und separatem Leck- Ablauf. Weitere Nachteile dieser Maschinen sind darin zu sehen, dass sie keine Freilauffunktion, keine Bremsfunktion, keinen Sanftanlauf und ebenfalls keine Blockierfunktion besitzen. Die Charakteristik der Maschinen kann ferner während des Betriebes in allen vier Quadranten nicht an veränderte Bedingungen angepasst werden. Weiterhin eignen sich diese Maschinen aufgrund der großen Mindestdruckdifferenzen nur für den Betrieb mit Flüssigkeiten. [0005] Aus DE 10 2008 025 054 B4 ist eine Hydraulikeinheit zur Bereitstellung einer unter Druck stehenden Hydraulikflüssigkeit zum Antrieb eines angekoppelten hydraulischen Aktuators bekannt, welche mit einem in einem unter Druck stehenden Motorgehäuse angeordneten Motor, einem in einem Speichergehäuse angeordneten Hydraulikspeicher sowie einer in einem Pumpengehäuse angeordneten Hydraulikpumpe und einem Hydraulikblock ausgestattet ist. Kennzeichnend hierfür ist, dass zumindest Motorgehäuse, Pumpengehäuse und der Hydraulikblock ein einheitliches handhabbares starres Modul bilden und die in dem Modul umströmende Hydraulikflüssigkeit alle Elemente des Moduls in Längsrichtung (Umlaufsys- tem) bereichsweise durchsetzt. Wesentliches Element dieser Hydraulikeinheit ist, dass die Hydraulikpumpe und der Hydraulikblock eine Funktionseinheit bilden, der Hydraulikblock mit einer Mehrzahl von Hydraulikanschlußelementen versehen ist und durch einen Flansch eine im Pumpengehäuse angeordnete Förderkammer durch den Hydraulikblock auf der dem Motorgehäuse gegenüberliegenden Seite abgedeckt wird.
[0006] Aus der US 3 853 435 A ist eine Hydraulikvorrichtung bekannt, umfassend ein Gehäuse mit einer Fluidzufuhröffnung und einer Fluidaustritts- öffnung, wobei ein Rotor in dem Gehäuse und ein Stator vorgesehen sind, ferner ein Rotor, der drehbar in Bezug auf den Stator ist und eine Niederdruck- und eine Hochdruckzone aufweist. Ein Kommutator-Ventil ist drehbar in dem Gehäuse aufgenommen, wobei in zwei Hohlräumen eine Hochdruck- und Niederdruckzone in Verbindung mit dem Fluidzufuh- ranschluss und der Fluidabgabeöffnung verbunden sind. Darstellung der Erfindung
[0007] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Strömungsmaschine zu schaffen, bei der die axialen Kräfte bis auf eine Mindestkraft zum Dichten der Laufflächen sehr klein oder gar Null sind, und welche sowohl als Pumpe als auch als Antriebsmaschine eingesetzt und mit allen denkbaren strömbaren Medien betrieben werden kann, wobei sie sich im Rechts- und Linkslauf gleich verhalten und die Funktion unabhängig von den Druckkonstellationen der Antriebsdrücke sicher gewähr- leistet werden soll.
[0008] Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine sind in den Unteransprüchen an- gegeben.
[0009] Danach ist eine Strömungsmaschine der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer Stirnseite des Verteilerteils auf mindestens einer Ersatzfläche mindestens ein weiterer Druck wirkt, und der Wirkungsgrad über die gesamtresultierende Kraft, welche die Kontaktflächen zwischen Kolben und Verteiler, sowie zwischen Verteiler und Zuleitungsteil aufeinanderpresst, innerhalb eines Regelbereiches verändert wird. [0010] Die Strömungsmaschine soll bevorzugt im Zweirohrprinzip ohne separaten Leck- Ablauf ausgeführt werden können und mit einer Steuervorrichtung und einem zugehörigen Antrieb ausgestattet werden können, so dass sie ihren hohen Wirkungsgrad auch noch bei hohen Drücken behält. Über die Steuervorrichtung soll eine Freilauffunktion, eine Bremsfunkti- on, eine Blockierfunktion, einen Sanftanlauf, eine Linearisierung der Kennlinien und innerhalb eines Regelbereiches eine Adaption der Kennlinien an bestimmte Lastanforderungen realisierbar sein. [001 1 ] Alle auf das Verfeilerfeil wirkenden Kräfte stehen zunächst in jedem der vier Betriebszustände der Strömungsmaschine sowohl in axialer als auch in radialer Richtung - bis auf eine Dichtkraft - in einem Gleichgewicht. Um die axialen Kräfte auch drehzahl- und drehrichtungsunabhän- gig im Gleichgewicht halten zu können, sind an dem Verteilerteil zusätzliche Druckbereiche in der Weise angeordnet, dass sich auf der Stirnseite des Verteilerteils eine regelmäßige und in sich symmetrische Druckverteilung ausbildet. Dieses Gleichgewicht kann nun durch eine zusätzliche, vorzugsweise vorgesehene Steuervorrichtung mit einem Antrieb gezielt ver- ändert werden. Unter einer Steuervorrichtung soll nachfolgend ein Kraftübertragungsmittel verstanden werden, welches axiale Kräfte auf den Kolben überträgt. Diese Kraft wird von einem separaten Antrieb erzeugt und kann auch zum Bremsen oder Sanftanlaufen oder Blockieren oder Auskuppeln der Strömungsmaschine verwendet werden.
[0012] Es war für den Fachmann überaus erstaunlich, dass bei der erfundenen Strömungsmaschine alle oben genannten Nachteile nicht mehr auftraten. Der wesentliche und entscheidende Vorteil der vorgeschlagenen Strömungsmaschine besteht darin, dass sie in allen vier Quadranten sehr funktionssicher wird, gleiche Eigenschaften im Rechts- und Linkslauf besitzt und durch die Eliminierung von Reibverlusten einen wesentlich höheren Wirkungsgrad und sehr hohe Anlaufmomente erreicht.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
[0013] Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von der Zusammenfassung in einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. [0014] In den Zeichnungen zeigen
[0015] Fig.l eine isometrische Schnittansicht durch eine Strömungsmaschine;
[001 6] Fig.2 einen Vergleich zwischen einer typischen Kennlinie eines bereits bekannten Antriebes und drei möglichen Kennlinien innerhalb eines Regelbereiches;
[001 7] Fig.3 die auf den Kolben und das Verteilerteil wirkenden axialen Kräfte, welche sich zur Gesamtkraft addieren;
[0018] Fig.4 im ersten Schnitt X-X den modellhaften Druckverlauf mit nicht konstantem Gradienten zwischen dem Antriebsdruck und dem weiteren Druck, im zweiten Schnitt X-X ein Ersatzsystem mit konstanten Drücken sowie drei Wirkungsfälle der Gesamtkräfte an der Stirnseite des Verteilerteils; Modell und Ersatzsystem haben die gleiche Fläche A unter der Kurve;
[0019] Fig.5 die Strömungsmaschine in einem Betriebszustand als Pumpe oder als Motor;
[0020] Fig.6 die Strömungsmaschine in einem Freilauf-Betriebszustand;
[0021 ] Fig.7 eine Ausgestaltungsform der Steuerung;
[0022] Fig.8 eine weitere Ausgestaltungsform der Steuerung;
[0023] Fig.9 ein Blockschaltbild der Strömungsmaschine;
[0024] Fig.l 0 exemplarisch vier Ausführungsformen eines Leistungsteils mit rotierendem Zu- und Ablauf. Ausführung der Erfindung
[0025] Wie aus Fig.l ersichtlich, besteht die bevorzugte Strömungsmaschine 1 aus einem Leistungsteil 2 sowie einer Steuerung 3, wobei das Leis- tungsteil 2 über den Antrieb 12 das Verteilerteil 10 antreibt. Über das Zuleitungsteil 1 1 wird das Leistungsteil 2 mit rotierendem Zu- und Ablauf mit den beiden Antriebsdrücken pl ,p2 versorgt. Axial zum Zuleitungsteil 1 1 ist das Verteilerteil 10 angeordnet. Der Kolben 9 ist axial an dem Verteilerteil 10 angeordnet und wird axial mit den beiden Antriebsdrücken pl ,p2 über das Anschlussteil 4 versorgt. Kolben 9, Verteilerteil 10 und Zuleitungsteil 1 1 sind an dem Anschlussteil 4 angeordnet. In dem Anschlussteil 4 sind die beiden Anschlüsse 5,6.
[0026] Die Steuervorrichtung 13 wirkt in axialer Richtung auf den Kolben 9 und wird dabei vom Antrieb der Steuervorrichtung 14 angetrieben. Die beiden Checkventile 16,1 7 sind zwischen dem inneren Leckbereich 7 und den Anschlüssen 5,6 angeordnet.
[0027] Am äußeren Rand des Verteilerteils 10 befindet sich ein weiterer Druckbereich 8, welcher über mindestens eine Zuleitung 24 in dem Zuleitungsteil 1 1 mit dem inneren Druckbereich 7 verbunden ist.
[0028] Eine Feder 15 erzeugt eine Federkraft Ff, mit der der Kolben 9 und das Verteilerteil 10 auf das Zuleitungsteil 1 1 gedrückt wird, um diese ge- geneinander abzudichten. Sie ist zwischen dem Anschlussteil 4 und dem Kolben 9 angeordnet.
[0029] Die axiale und fast geradlinige Versorgung des Leistungsteils 2 mit den Antriebsdrücken pl ,p2 ist dabei besonders vorteilhaft für den Wir- kungsgrad der Strömungsmaschine 1 . Der Fluss des strömbaren Mediums wird hierbei kaum durch Umlenkungen gebremst.
[0030] In einer weiteren vorteilhaften Ausführung kann die Strömungsmaschine 1 auch ohne Steuervorrichtung 13 mit Antrieb der Steuervorrichtung 14 ausgeführt sein. Der Vorteil dieser Ausführung besteht darin, dass die Strömungsmaschine 1 dadurch wesentlich günstiger wird, wenn in der Applikation keine der Funktionen Freilauf, Sanftanlauf, Bremsen oder Blockieren benötigt wird, sondern lediglich eine günstige Maschine mit exzel- lentem Wirkungsgrad und gleichem funktionssicheren Verhalten im Rechts- und Linkslauf.
[0031 ] Wie aus Fig.2 ersichtlich, besitzen herkömmliche Strömungsmaschinen im Rechts- und Linkslauf unterschiedliche Kennlinien K0. Im Ver- gleich dazu werden drei mögliche Kennlinien K1 ,K2,K3 der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine 1 innerhalb eines Regelbereiches 19 gezeigt. Dargestellt ist der Wirkungsgrad η über der Drehzahl der Welle nw. Bei konstanten Antriebsdrücken pl ,p2 ist dies in etwa proportional zum Moment Mw nw.
[0032] Die Kennlinie Kl zeigt exemplarisch das Verhalten einer Strömungsmaschine 1 ohne Steuervorrichtung 13. Kl ist in den vier Quadranten l-IV bereits nahezu symmetrisch oder sogar vollständig symmetrisch. Vorteilhaft ist hier das höhere Anlaufmoment an der Welle Mw in den ers- ten beiden Quadranten 1,11 beim Treiben, bzw. das hohe Anlaufmoment in den beiden Quadranten III, IV beim Pumpen. Das Anlaufen ist hier bereits bei sehr geringen Druckunterschieden zwischen den beiden Antriebsdrücken pl ,p2 immer sicher gewährleistet. Ein geringes Anlauf moment ist zum Beispiel bei Windmühlen wichtig, die dadurch nicht erst bei bspw. 3m/s Windgeschwindigkeit Energie erzeugen, sondern bereits bei bspw. 1 m/s Windgeschwindigkeit.
[0033] Die Kennlinie K2 zeigt beispielhaft eine Kennlinie einer Strömungsmaschine 1 mit Steuervorrichtung 13 und den Antrieb der Steuervorrichtung 14, bei der der Wirkungsgrad abschnittweise linearisiert und innerhalb des Regelbereiches 19 für hohe Drücke optimiert wurde, indem die notwendigen Dichtkräfte in der Strömungsmaschine 1 an die jeweils anliegenden Druckverhältnisse der beiden Antriebsdrücke pl ,p2 und an die Drehzahl der Strömungsmaschine 1 angepasst wurden. [0034] Die Kennlinie K3 zeigt exemplarisch eine Strömungsmaschine 1 , welche sich innerhalb des Regelbereiches 19 in den vier Quadranten l-IV unterschiedlich verhält. Das Blockieren der Maschine ist in Punkt 20 dargestellt. Dort ist bei nw=0 auch Mw=0. Das Bremsen 21 ist beispielhaft an der Kennlinie K3 im ersten Quadranten I dargestellt. Im zweiten Quadranten II ist die Adaption 22 der Kennlinie K3 exemplarisch dargestellt. Der Freilauf 23 ist im Rechts- und Linkslauf dargestellt. Dort ist Mw=0 und nw^O.
[0035] Ein weiterer Vorteil liegt darin begründet, dass die erfindungsge- mäße Strömungsmaschine 1 nun steuerbar ist. In Verbindung mit ihren verbesserten Eigenschaften, ihrer zuverlässigeren Funktion und den zusätzlichen Funktionen Freilauf, Sanftanlauf, Bremse und Blockierung ist sie für eine Vielzahl von Anwendungen wie bspw. als Fahrantriebe, Windmühlen, Messsysteme, Antriebe in sicherheitskritischen Applikationen oder Servo- antriebe geeignet.
[0036] Wie aus Fig.3 ersichtlich, addieren sich die auf den Kolben 9 und die Steuerplatte 10 wirkenden axialen Kräfte zur Gesamtkraft Fg. Die Steuerplatte 10 weist dabei abwechselnd Durchtrittsöffnungen 26,27 auf, durch welche die Antriebsdrücke pl ,p2 wirken können. Der Antriebsdruck pl erzeugt dabei die Kraft aus pl Fpl . Der Antriebsdruck p2 erzeugt dabei die Kraft aus p2 Fp2. Diese Kräfte Fpl ,Fp2 errechnen sich aus den Antriebsdrücken pl ,p2 und den zugehörigen projizierten Ringflächen am Kolben 9. Die Feder 15 erzeugt die Federkraft Ff. Der innere Leckdruck pli erzeugt mit der zugehörigen projizierten Fläche die Kraft Fl.
[0037] Ist die Strömungsmaschine 1 mit einer Steuervorrichtung 13 mit Antrieb 14 ausgestattet, so wirkt zusätzlich noch die Steuerkraft Fs. Auf der Stirnseite des Verteilerteils 10 wirken verschiedene Drücke, die zudem nicht konstant verteilt sind. Die Kraft Fgsx errechnet sich daher allgemein zu Fgsx = IpA, nv dA. Je nach Ausführung wird Fgsx zu FgsA, FgsB, oder FgsC. Die genauen Druckverhältnisse auf dieser Fläche sind nichtlinear, drehzahlabhängig und sehr komplex. [0038] Ein Segment mit je einer Durchtrittsöffnung 26 des Antriebsdruckes pl und einer Durchtrittsöffnung 27 des Antriebsdruckes p2 ist in Fig.3 vergrößert dargestellt, sowie je ein Druckbereich eines inneren Leckdruckes pl und eines weiteren Druckes pwl .
[0039] Um diese komplexen Druckverhältnisse anschaulicher darzustellen, wird im Folgenden ein nahezu konstanter Gradient zwischen zwei Drücken pl ,p2,pli,pwl ,pw2 ... angenommen. Daraus ergeben sich vereinfachte Ersatzflächen A1 ,A2,A3 B 1 ,B2,B3 C1 ,C2,C3 mit denen die Drücke dann multipliziert und zu FgsA, FgsB und FgsC multipliziert werden können.
[0040] Die Summe all dieser Kräfte Fpl ,Fp2,Fs,Ff,FI,Fw,Fgsx ist die gesamtresultierende Kraft Fgx, die je nach Ausführung als FgA, FgB, FgC bezeich- net wird. Erst wenn diese gesamtresultierende Kraft Fgx die Kontaktflächen zwischen Kolben 9 und Verteilerteil 10 sowie zwischen Verteilerteil 10 und Zuleitungsteil 1 1 in einer ausreichenden, aber nicht zu starken Höhe aufei- nanderpresst und somit abdichtet, ohne zu blockieren, kann die Strömungsmaschine 1 anlaufen. Ansonsten entsteht entweder der innere Kurz- schlussstrom Vki und der äußere Kurzschlussstrom Vka, da Kolben 9, Verteilerteil 10 und Zuleitungsteil 1 1 gegeneinander nicht dicht sind oder die Strömungsmaschine 1 blockiert sogar, da der Anpressdruck, den Fgx zwischen den Kolben 9, Verteilerteil 10 und Zuleitungsteil 1 1 erzeugt, zu hoch ist. Deshalb ist es besonders vorteilhaft, die Kraft Fgx über die Steuervor- richtung 13 und den zugehörigen Antrieb 14 immer optimal auf den Betriebspunkt der Maschine einstellen zu können.
[0041 ] Ein weiterer Vorteil liegt darin begründet, dass bei Vorhandensein einer Steuervorrichtung 13 mit Antrieb 14 sogar auf die Feder 15 verzichtet werden kann, wenn diese Federkraft Ff von der angetriebenen Steuervorrichtung 13, 14 erzeugt wird.
[0042] Ein weiterer Vorteil liegt darüber hinaus darin begründet, dass gemäß dem Fall, dass der Kolben 9 und/oder das Verteilerteil 10 und/oder die Steuervorrichtung 13 magnetisch ausgeführt sind, hierüber ebenfalls axiale Kräfte erzeugt werden können. Als Antrieb für die Steuervorrichtung 13 kann dann bspw. ein einfacher Elektromagnet verwendet werden. [0043] Wie aus Fig.4 ersichtlich, können die komplexen Druckverteilungen auf den Stirnseiten des Verteilerteils 10 an einem modellhaften Druckverlauf mit nicht konstantem Gradienten zwischen dem Antriebsdruck p2 und dem weiteren Druck pwl vereinfacht dargestellt werden. Im zweiten Schnitt X-X wird ein Grenzpunkt 25 so bestimmt, dass die beiden Flächen A im Modellsystem und im Ersatzsystem gleich groß sind. Führt man diesen Vorgang mehrfach an verschiedenen Stellen einer Strömungsmaschine 1 aus, führt die Verbindung der Grenzpunkte 25 zu den Ersatzflächen A1 ,A2,A3,B 1 ,B2,B3,B4,C1 ,C2,C3,C4,C5 ... , in denen der jeweilige Druck pl ,pli,pwl ,pw2 ... konstant ist.
[0044] Es ergibt sich für den Stand der Technik der Wirkungsfall A, mit AI »A2. Im Wirkungsfall A ist die Gesamtkraft FgsA:
im Linkslauf: FgsA = pl *Al + p2*A2 + pli*A3;
im Rechtslauf: FgsA = p2*Al + pl *A2 + pli*A3.
Beide Terme können nur gleich groß sein, wenn AI = A2 ist. Genau das ist vorliegend aber niemals gegeben. Aus diesem Widerspruch ergeben sich die meisten gravierenden Nachteile bei herkömmlichen Maschinen.
[0045] Im Wirkungsfall B herrscht außen an dem Verteilerteil 10 ein weite- rer Druck pwl . Die Flächen B l und B2 sind idealerweise gleich groß. Im Wirkungsfall B ist die Gesamtkraft FgsB an der Stirnseite dem Verteilerteil 10: im Linkslauf: FgsB = pl *Bl + p2*B2 + pwl *B3 + pli*B4;
im Rechtslauf: FgsB = p2*Bl + pl *B2 + pwl *B3 + pli*B4.
Da hier die Flächen B1 ,B2 gleich groß werden können, ist bei B1 =B2. Die Gesamtkraft an der Stirnseite FgB und damit auch die Gesamtkraft FgsB sind dann unabhängig von der Drehrichtung gleich groß.
[0046] Vorteilhaft ist, dass die Strömungsmaschine 1 jetzt aufgrund der symmetrischen Verhältnisse im Rechts- und Linkslauf wieder gleiche oder zumindest fast gleiche Eigenschaften hat. Ein weiterer Vorteil liegt darin begründet, dass gemäß dem Fall, dass der weitere Druck pwl gleich dem inneren Leckdruck pi ist, sich der Aufbau der Strömungsmaschine 1 erheblich vereinfacht, da die Druckbereiche B3 und B4 nur durch Zuleitungen 24 verbunden werden müssen.
[0047] Im Wirkungsfall C herrscht außen an dem Verteilerteil 10 ein weiterer Druck pwl auf der Fläche C3. Die Flächen Cl und C2 sind idealerweise gleich groß. Die Fläche C4 wird über Zuleitungen 24 mit einem weiteren Druck pw2 versorgt. Hierbei kann es sich beispielsweise um den inneren Leckdruck pli oder aber, wie in der Darstellung den außen anliegenden weiteren Druck pwl oder aber auch um einen Steuerdruck pw2 handeln.
[0048] Im Wirkungsfall C ist die Gesamtkraft FgsC an der Stirnseite des Verteilerteils 10 somit:
im Linkslauf : FgsC = pl *C l + p2*C2 + pwl *C3 + pw2*C4 + pli*C5;
im Rechtslauf: FgsC = p2*Cl + pl *C2 + pwl *C3 + pw2*C4 + pli*C5.
Da hier die Flächen Cl und C2 gleich groß werden können, ist bei C1 =C2. Die Gesamtkraft an der Stirnseite FgC und damit auch die Gesamtkraft FgsC sind dann unabhängig von der Drehrichtung gleich groß. Wenn pli = pwl = pw2 gilt, vereinfacht sich wiederum der Aufbau der Strömungsmaschine 1 erheblich, da die Druckbereiche C3,C4,C5 nur durch Zuleitungen 24 verbunden werden müssen. Hieraus ergibt sich vorteilhaft eine Vielzahl von denkbaren Konstellationen, um die Eigenschaften der Strömungsma- schine 1 zu beeinflussen und zu optimieren.
[0049] Ein weiterer Vorteil liegt darin begründet, dass ein weiterer Druck pwl auch durch mindestens eine Zuleitung zum weiteren Druckbereich 24 von außen über das Anschlussteil 4 als Steuerdruck zuführbar ist.
[0050] Wie aus Fig.5 ersichtlich, benötigt die Strömungsmaschine 1 in einem Betriebszustand als Pumpe oder als Motor eine gesamtresultierende Kraft Fg, die über den Kolben 9 und das Verteilerteil 10 auf das Zuleitungsteil 1 1 drückt und damit die Stirnflächen von Kolben 9, Verteilerteil 10 und Zuleitungsteil 1 1 gegeneinander abdichtet. Durch eine Druckdifferenz zwischen den beiden Antriebsdrücken pl ,p2 kommt es zum Antriebsstrom Va welcher die Strömungsmaschine 1 antreibt. Durch Undichtigkeiten zwischen Kolben 9, Verteilerteil 10 und Zuleitungsteil 1 1 kommt es zu einem inneren Leckstrom Vli und einem äußeren Leckstrom Via. Über bevorzugte Zuleitungen zum weiteren Druckbereich 24 sind beide Leckströme Via, Vli miteinander verbunden. Diese Leckströme Via, Vli sammeln sich und erzeugen den inneren Leckdruck pli. Sobald dieser innere Leckdruck pli groß genug ist, wird er über eines der beiden Checkventile 1 6, 17 in den kleine- ren der beiden Antriebsdrücke pl ,p2 abgeleitet.
[0051 ] Vorteilhaft ist, dass es erst in Verbindung mit den gleichen Eigenschaften im Rechts- und Linkslauf nun möglich wird, die Strömungsmaschine 1 mit nur zwei Zuleitungen in allen Betriebspunkten zu betreiben. Eine dritte Leckleitung, um die Leckströme Via, Vli abzuleiten, entfällt.
[0052] Ein weiterer Vorteil liegt darin begründet, dass die Versorgung des Verteilerteils 10 fast ohne Umlenkung axial über den Kolben 9 und das Anschlussteil 4 erfolgt, und sich aufgrund der großen Querschnitte der Durch- trittsöffnungen 26,27 für die beiden Antriebsdrücke pl , p2 auch sehr große Strömungsquerschnitte ergeben. Beides trägt zu einem guten Gesamtwirkungsgrad η bei.
[0053] Ein weiterer Vorteil liegt auch darin begründet, dass die Strö- mungsmaschine 1 in allen ihren Teilen herstellungstechnisch optimiert ist, da bis auf eine Zuleitung zum weiteren Druckbereich 24 keine schrägen Bohrungen existieren.
[0054] Wie aus Fig.6 ersichtlich, wird die Strömungsmaschine 1 in einen Freilauf-Betriebszustand gebracht, wenn die gesamtresultierende Kraft Fg den Kolben 9 von dem Verteilerteil 10 wegdrückt. Dazu wird über eine Steuervorrichtung 13 mit einem Antrieb für die Steuervorrichtung 14 eine Kraft Fs auf den Kolben 9 ausgeübt. Zwischen dem Kolben 9, des Verteilerteils 10 und dem Zuleitungsteil 1 1 entstehen dadurch Spalte, über welche sich ein innerer Kurzschlussstrom Vki und ein äußerer Kurzschlussstrom Vka bilden. Über die Steuervorrichtung 13 kann vorteilhaft sehr feinfühlig vom Freilauf in das Anlaufen der Maschine übergegangen werden, so dass ein Sanftanlauf entsteht.
[0055] Da die Welle der Steuerung 2 über den Antrieb 12 des Verteilerteils 10 mit der Untersetzung und mit dem Verteilerteil 10 verbunden ist, kann vorteilhaft durch ein Umkehren der Steuerkraft Fs des Verteilerteils 10 zwischen Kolben 9 und Zuleitungsteil 1 1 abgebremst und so das Moment an der Welle Mw direkt beeinf lusst werden.
[0056] Ein weiterer Vorteil liegt darin begründet, dass das Bremsmoment, welches bei geöffnetem Freilauf entsteht, sehr gering ist, da keine inneren Bremsmomente mehr durch die gesamtresultierende Kraft Fg entstehen können.
[0057] Wie aus Fig.7 ersichtlich, können die Anschlüsse 5, 6 auch direkt an dem Kolben 9 angeordnet sein. Die Feder 15 drückt über den Kolben 9 das Verteilerteil 10 auf das Zuleitungsteil 1 1 . Das Verteilerteil 10 wird in die- ser bevorzugten Anordnung radial von innen mit den Antriebsdrücken pl ,p2 versorgt. Dadurch werden die axialen Kräfte Fpl , Fp2, die aus den Versorgungsdrücken pl ,p2 resultieren, zu null.
[0058] Vorteilhaft ist, dass Druckschwankungen der Antriebsdrücke pl ,p2 in dieser Ausführung keinen Einfluss mehr auf die gesamtresultierende Kraft Fg haben. Die Steuervorrichtung 13 besteht in dieser bevorzugten Ausführung vorteilhaft aus einem strömbaren Medium, welches sich in einem Zylinder, der zwischen Kolben 9 und den beiden Anschlussteilen 4 angeordnet ist, befindet. Der Antrieb der Steuervorrichtung 14 beaufschlagt dieses strömbare Medium mit einem Steuerdruck und erzeugt so die Steuerkraft Fs. Das Verteilerteil 10 wird vom Antrieb 12 des Verteilerteils 10 mit der Drehzahl nv angetrieben. Zwischen dem inneren Leckbereich 7 und den Anschlüssen 5,6 sind dabei die beiden Checkventile 16,17 angeordnet. [0059] Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform der Strömungsmaschine 1 liegt darin begründet, dass das gesamte System über strömbare Medien betrieben wird und so eine Einbindung in ein Gesamtsystem, in welchem die Steuerungsinformation bereits in Form eines Steuerdruckes vor- liegt, erleichtert wird.
[0060] Wie aus Fig.8 ersichtlich ist, können in einer weiteren Ausgestaltungsform der Steuerung 3 die Anschlüsse 5,6 an dem Anschlussteil 4 angeordnet sein und das Verteilerteil 10 direkt und nicht über den Kolben 9 mit den Antriebsdrücken pl ,pw versorgen. Vorteilhaft ist hier, dass dadurch die axialen Kräfte Fpl ,Fp2, die aus den Versorgungsdrücken pl ,p2 resultieren, radial wirken und so axial zu null werden. Druckschwankungen von pl , p2 haben so keinen Einfluss mehr auf die gesamtresultierende Kraft Fg. Die Feder 15 drückt über den Kolben 9 das Verteilerteil 10 auf das Zuleitungsteil 1 1 . Das Verteilerteil 10 wird in dieser bevorzugten Anordnung radial von Außen mit den Antriebsdrücken pl ,p2 versorgt. Der Antrieb der Steuervorrichtung 14 übt über die Steuervorrichtung 13 eine Steuerkraft Fs auf den Kolben aus. Das Verteilerteil 10 wird vom Antrieb 12 des Verteilerteils 10 mit der Drehzahl nv angetrieben. Der weitere Druckbe- reich ist außen an dem Verteilerteil 10 angeordnet. In dem Anschlussteil 4 ist ein separater Leckanschluss 18 angeordnet. Handelt es sich bei dem strömbaren Medium um ein gasförmiges Fluid, welches über den Anschluss 5 mit dem Antriebsdruck pl in die Strömungsmaschine 1 gelangt und über den Anschluss 6 ins Freie strömt, so kann der Leckstrom Vli über den Leckanschluss 18 ebenfalls sofort ins Freie abströmen, ohne erst einen Druck zum Ansteuern von Checkventilen 15,1 6 aufbauen zu müssen. Dadurch sinkt der Anlaufdruck pl der Strömungsmaschine 1 auf ein vorteilhaftes Minimum. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführung liegt darin begründet, dass sich die Strömungsmaschine 1 ohne Checkventile noch günsti- ger bauen lässt.
[0061 ] Wie aus Fig.9 ersichtlich, besteht eine Strömungsmaschine 1 , die im Winkelbereich von 0 bis 360°/i i=l , 2, 3 ... aufgewickelt in einem Blockschaltbild dargestellt ist, aus einem Leistungsteil 2, an dem eine Steuerung 3 angeordnet ist. An dem Verteilerteil 10 ist der Kolben 9 angeordnet. Zwischen dem Anschlussteil 4 und dem Kolben 9 ist die Feder 15 angeordnet. Diese presst den Kolben 9 zunächst an das Verteilerteil 10. Am Kolben 9 kann optional eine Steuervorrichtung 13 angeordnet werden, an welcher ein Antrieb 14 angeordnet ist. Die Antriebsdrücke pl ,p2 werden in den Kolben 9 eingeleitet und auf die einzelnen Durchtrittsöffnungen 26,27 in dem Verteilerteil 10 verteilt. Die Verteilung dieser beiden Antriebsdrücke pl ,p2 auf je zwei Druckbereiche von 0° bis 180°/i und von 180°/i auf 360°/i erfolgt durch das Verteilerteil 10 mittels einer Differenz zwischen der Anzahl an Durchtrittsöffnungen 26,27 in dem Verteilerteil 10 und der Anzahl der Zuleitungen zum Leistungsteil 28 in dem Zuleitungsteil 1 1 . Auf den Stirnseiten des Verteilerteils 10 wirken noch weitere Druckbereiche 8, die hier durch Zuleitungen 24 dargestellt sind. [0062] An dem Zuleitungsteil 1 1 ist das Leistungsteil 2 mit rotierendem Zu- und Ablauf angeordnet. Zwischen dem Verteilerteil 10 und dem Leistungsteil 2 ist der Antrieb 12 des Verteilerteils 10 angeordnet. Das Leistungsteil 2 treibt über den Antrieb 12 das Verteilerteil 10 synchron an, so dass sich beide synchron mit der Drehzahl nv das Verteilerteil 10 drehen. Zwischen dem Verteilerteil 10 und dem Leistungsteil 2 besteht ein Verstellwinkel ξ, so dass die Druckbereiche pl , p2 des Leistungsteils 2 voreilend, genau synchron oder nacheilend zum Verteilerteil 10 sein können. Je nach Bauart des Leistungsteils 2 ist hierfür eine Untersetzung u zur Drehzahlanpassung erforderlich.
[0063] Vorteilhaft ist, dass der Antrieb 12 des Verteilerteils 10 dabei aber nicht mehr unbedingt koaxial zum Verteilerteil 10 sein muss. Ein weiterer Vorteil liegt darin begründet, dass die Untersetzung u je nach Art des Leistungsteils 2 auch gleich 1 sein kann und somit ein Direktantrieb möglich ist, der keine zusätzlichen Laufgeräusche verursacht. Vorteilhaft ist, dass durch das Voreilen bzw. Nacheilen des Verteilerteils 10 zum Leistungsteil 2 um den Verstellwinkels ξ der Wirkungsgrad η und auch die Symmetrie der Kennlinien K0, Kl , K2, K3 verändern lassen. [0064] Wie aus Fig.10 ersichtlich, sind mehrere Bauarten von Leistungsteilen 2 mit rotierendem Zu- und Ablauf denkbar, welche mit der Steuerung 3 zu einer Strömungsmaschine 1 kombiniert werden können. [0065] In der ersten Ausführungsform A besteht das Leistungsteil 2 aus einer GEROTOR-Maschine mit konstantem Volumenstrom, wie sie in der Fig.l im Schnitt zu sehen ist. Dargestellt ist ein Schnitt durch die GEROTOR- Maschine, welcher die beiden Druckbereiche mit den Antriebsdrücken pl ,p2 zeigt. Die Untersetzung u ist ungleich 1 . Die beiden Druckbereiche mit den Antriebsdrücken pl ,p2 rotieren mit der Drehzahl nv. Der Vorteil ist hier die einfache und kompakte Bauweise einer solchen Strömungsmaschine 1 .
[0066] In der zweiten Ausführungsform B besteht das Leistungsteil 2 aus einer im Volumenstrom regelbaren GEROTOR-Maschine. Diese ist im Schnitt dargestellt. Der wichtigste Vorteil ist hier die Regelbarkeit des Volumenstromes, was in vielen Applikationen zwingend notwendig ist.
[0067] In der dritten Ausführungsform C besteht das Leistungsteil 2 aus einer Axialkolbenmaschine mit einer Taumelscheibe. Die Welle dieser Maschine ist direkt mit dem Verteilerteil 10 der Steuerung 3 verbunden. Die Untersetzung u ist somit gleich 1 . Hieraus ergibt sich eine besonders einfache Konstruktion, welche auch über die Neigung der Taumelscheibe im Volumenstrom regelbar sein kann und mit u=l einen besonders einfachen und leisen Direktantrieb der Steuerung 3 ermöglicht.
[0068] In der vierten Ausführungsform D besteht das Leistungsteil 2 aus einer Radialkolbenmaschine mit Pleueln und Kurbelwelle. Die Welle dieser Maschine ist direkt mit dem Verteilerteil 10 der Steuerung 3 verbunden. Die Untersetzung u ist somit gleich 1 .
[0069] Ein ganz zentraler Vorteil der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine 1 ist es, sie mit einer Vielzahl an denkbaren Leistungsteilen 2 zu kombinieren, um für die jeweilige Applikation der Strömungsmaschine 1 eine ideale Lösung zu schaffen.
Liste der Bezugsziffern
1 Strömungsmaschine
2 Leistungsteil mit rotierendem Zu- und Ablauf
3 Steuerung
4 Anschlussteil
5 erster Anschluss
6 zweiter Anschluss
7 Leckbereich innen
8 weiterer Druckbereich
9 Kolben
10 Verteilerteil
1 1 Zuleitungsteil
12 Antrieb des Verteilerteils
13 Steuervorrichtung
14 Antrieb Steuervorrichtung
15 Feder
16 erstes Checkventil
17 zweites Checkventil
18 Leckanschluss
19 Regelbereich
20 Blockierung
21 Bremsen
22 Adaption
23 Freilauf
24 Zuleitung
25 Grenzpunkt
26 Durchtrittsöffnung des Antriebsdrucks pl
27 Durchtrittsöffnung des Antriebsdrucks p2
28 Zuleitungen zum Leistungsteil
η Wirkungsgrad Mw Moment Welle
Nw Drehzahl Welle
Nv Drehzahl Verteilerteil
Fpl Kraft aus Antriebsdruck p l
Fp2 Kraft aus Antriebsdruck p2
Fs Steuerkraft
Ff Federkraft
Fl Kraft Leckdruck
Fw Kraft weiterer Druck
FgsA Gesamtkraft Stirnseite Stand der Technik
FgsB Gesamtkraft Stirnseite Ausführungsform B
FgsC Gesamtkraft Stirnseite Ausführungsform C
Fgx gesamtresultierende Kraft
pl erster Antriebsdruck
p2 zweiter Antriebsdruck
ξ Verstellwinkel
Va Antriebsstrom
Vki Innerer Kurzschlussstrom
Vka Äußerer Kurzschlussstrom
p li Leckdruck innen
ps Steuerdruck
V li Leckstrom innen
V la Leckstrom außen
pwl , pw2, . ..weiterer Druck
V w weiterer Strom
A Flächen
AI , A2, A3 Ersatzflächen Stand der Technik
B l , B2,
B3, B4 Ersatzflächen Ausführungsform B
C l , C2, C3,
CA, C5, ... Ersatzflächen Ausführungsform C
O, Kl ,
K2, K3 Kennlinien
u Untersetzung

Claims

ANSPRÜC HE
Strömungsmaschine ( 1 ), welche sowohl als Motor als auch als Pumpe betrieben werden kann, mit axial fest gelagerter Welle (Mw), umfassend ein Leistungsteil (2) mit mindestens einem Zu- und Ablauf, eine Steuerung (3), die zumindest ein Anschlussteil (4) umfasst, an dem mindestens ein Verteilerteil (10) mit Durchtrittsöffnungen (26,27) sowie zumindest ein Zuleitungsteil ( 1 1 ) angeordnet sind, wobei das Verteilerteil ( 10) mittels zumindest eines an der Welle (Mw) angeordneten Antriebs (12) angetrieben wird und axiale Kräfte auf einen an dem Verteilerteil (10) axial angeordneten Kolben (9) verteilt werden, wobei der mindestens eine an dem Leistungsteil (2) vorgesehene Zu- und Ablauf rotierend ausgestaltet ist und von dem Verteilerteil ( 10) und dem Kolben (9) über das Zuleitungsteil ( 1 1 ) mit mindestens zwei sich mitrotierenden Antriebsdrücken (pl , p2) versorgt wird, wobei die Antriebsdrücke (pl , p2) mit ihren zugehörig projizierten Ringflächen (AI , A2) am Kolben (9) die Kräfte Fpl und Fp2 erzeugen,
dadurch gekennzeichnet,
dass an mindestens einer Stirnseite des Verteilerteils (10) auf mindestens einer Ersatzfläche (B3,C3,C4, ...) mindestens ein weiterer Druck (pwl , pw2, ...) wirkt, und der Wirkungsgrad (η) über die gesamtresultierende Kraft (Fgx), welche die Kontaktflächen zwischen Kolben (9) und Verteiler (10), sowie zwischen Verteiler (10) und Zuleitungsteil (1 1 ) aufeinanderpresst, innerhalb eines Regelbereiches ( 19) verändert wird.
Strömungsmaschine (1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens ein weiterer Druck (pwl , pw2, ...), der in einem der weiteren Druckbereiche bzw. guf den Ersgtzflächen (8, B3, C3, C4,
...) wirkt, durch Zuleitungen (24) mit dem inneren Leckbereich 7 verbunden ist und so gleich dem inneren Leckdruck (pli) ist.
Strömungsmaschine (1 ) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass durch Zuleitungen (24) oder einer Steuervorrichtung (13) mindestens einer der weiteren Druckbereiche bzw. Ersatzflächen (8,B3, C3,C4, ..) mit einem Antrieb (14) zur Steuervorrichtung verbunden ist und dadurch mit einem Steuerdruck (ps) beaufschlagt wird und dadurch die Gesamtkraft an der Stirnseite (Fgsx) sowie die gesamtresultierende Kraft (Fgx) und somit der Wirkungsgrad (η) innerhalb eines Regelbereiches ( 19) verändert wird.
Strömungsmaschine (1 ) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass über eine Steuervorrichtung (13) und einen Antrieb der Steuervorrichtung (14) die Steuerkroft (Fs) guf den Kolben (9) wirkt und so die gesomtresultierende Kraft (Fgx) verändert wird, wobei domit eine Adgption des Wirkungsgrades, ein Abbremsen, ein Blockieren, ein Sonftgnlguf oder ein Freilouf mit einem inneren und/oder einem äußeren Kurzschlussstrom (Vko, Vki) der Strömungsmoschine ( 1 ) erzielt wird.
Strömungsmoschine (1 ) ngch einem der vorongeggngenen Ansprüche 2 bis 4,
dgdurch gekennzeichnet,
dgss die Zuleitung beider Antriebsdrücke (pl ,p2)
g) in nghezu geradliniger gxigler Richtung oder
b) in rodigler Richtung von innen oder
c) in rodigler Richtung von gußen
erfolgt.
6. Strömungsmaschine (1 ) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der innere Leckbereich (7) über einen Leckanschluss ( 18) in das Anschlussteil (4) nach außen abgeleitet wird und/oder über je ein Checkventil (1 ,2,1 6, 17) mit je einem Anschluss (5,6) verbunden ist.
7. Strömungsmaschine (1 ) nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch aekennzeichnet,
dass das Leistungsteil (2) eine GEROTOR Maschine oder eine Axialkolbenmaschine oder eine Radialkolbenmaschine ist.
8. Strömungsmaschine (1 ) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 4 bis 7,
dadurch aekennzeichnet,
dass der Kolben (9) und/oder das Verteilerteil (10) und/oder das Zuleitungsteil (1 1 ) und/oder die Steuervorrichtung (13) magnetisch ausgeführt sind.
9. Strömungsmaschine (1 ) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 4 bis 8,
dadurch aekennzeichnet,
dass die Steuervorrichtung ( 14) ein Elektromagnet ist.
10. Strömungsmaschine (1 ) nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch aekennzeichnet, dass zwischen dem Leistungsteil 2 und dem Verteilerteil 10 ein Verstellwinkel ξ besteht, mit dem die Symmetrie der Kennlinien K0, Kl , K2, K3 verändert wird.
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