CH634126A5

CH634126A5 - Rotationskolbenmaschine mit einem mindestens teilweise kugelfoermigen innenraum.

Info

Publication number: CH634126A5
Application number: CH685978A
Authority: CH
Inventors: Helmut Bauer
Original assignee: Burckhardt Ag Maschf
Priority date: 1978-06-23
Filing date: 1978-06-23
Publication date: 1983-01-14
Also published as: DE2830349C2; FR2432085B1; DE2830349A1; FR2432085A1; GB2023740A; JPS555500A; GB2023740B

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine mit einem mindestens teilweise kugelförmigen Innenraum und zwei darin rotierenden Verdrängern.

Bei einer bekannten Maschine dieser Art besteht der eine Verdränger aus einem halbkugeligen Körper, in dessen Halbierungsfläche eine spiralähnliche, von innen nach aussen verlaufende Verzahnung eingearbeitet ist. Die Tiefe dieser Verzahnung nimmt nach aussen hin zu, wobei alle Zahnspitzen auf einer Kegelfläche liegen, deren Kegelspitze einen stumpfen Winkel bildet. Derzweite Verdränger hat die Form eines Kugelsektors und trägt auf seiner Kegelfläche eine zur Verzahnung des ersten Verdrängers passende Verzahnung. Im Betrieb der Maschine wirken die beiden Verzahnungen so zusammen, dass zwischen ihnen sich abwechselnd verkleinernde und vergrössernde Räume entstehen, so dass die Maschine als Kraftmaschine, z. B. Motor, oder als Arbeitsmaschine, z. B. Pumpe oder Verdichter, betrieben werden kann. Die bekannte Maschine ist sehr kostspielig, da die Herstellung der nur aus räumlich gewölbten Zahnflanken bestehenden Verzahnungen sehr exakt erfolgen muss, wenn die Maschine funktionsfähig sein soll. Bei nur ungenauer Herstellung der Zahnflächen werden die Dichtspalte zwischen den zusammenwirkenden Zahnflächen und damit die Leckverluste der Maschine zu gross.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Maschine der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass ihre Fertigung wesentlich einfacher und eine gute Funktionssicherheit gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei dieser Ausbildung der Maschine weisen die beiden Verdränger geometrisch einfache Formen auf, die bezüglich ihrer Herstellung keine Probleme aufwerfen. Wegen der geometrisch einfachen Form ist auch die Abdichtung der Arbeitsräume problemlos, denn zwischen den beiden Verdrängern findet die Abdichtung nur entlang von geraden Linien oder ebenen Flächen statt. Bei dieser Form der Dichtspalte lassen sich Leckverluste auf einfache Weise sehr klein halten. Damit ist die neue Maschine sowohl hinsichtlich der Herstellungskosten wie auch hinsichtlich der Betriebssicherheit günstiger als die bekannte Maschine.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch stark vereinfacht in einem Querschnitt den prinzipiellen Aufbau einer Rotationskolbenmaschine nach der Erfindung;

Fig. 2 und 3 je einen Querschnitt der Maschine in Fig. 1 mit verschiedenen Stellungen der beiden Verdränger;

Fig. 4 einen Querschnitt einer gegenüber Fig. 1 abgewandelten Rotationskolbenmaschine ;

Fig. 5 bis 9 weitere Abwandlungen der Maschine gemäss Fig. 4, jeweils im Querschnitt.

Gemäss Fig. 1 bis 3 ist in einem kugelförmigen Innenraum eines Gehäuses 1 ein erster Verdränger2vorgesehen, dermit einer Welle 3 starr verbunden ist, über die er im Gehäuse 1 drehbar gelagert ist. Der Verdränger 2 ist scheibenartig ausgebildet, indem er eine ebene Kreisfläche 32 aufweist, die unter einem Winkel a zu einer Ebene 33 geneigt ist, die rechtwinklig zur Drehachse des Verdrängers steht. Die ebene Fläche 32 geht durch den Mittelpunkt des kugelförmigen Gehäuses 1. Die der ebenen Fläche 32 abgewendete Oberfläche des Verdrängers 2 ist der Kugelform des Gehäuses 1 angepasst.

Ausser dem ersten Verdränger 2 ist ein zweiter Verdränger 5 im Gehäuse 1 vorgesehen, der mit einer Welle 4 versehen ist,

über die der zweite Verdränger 5 drehbar im Gehäuse gelagert ist. Die Drehachse des zweiten Verdrängers ist unter einem Winkel zur Drehachse des ersten Verdrängers 2 geneigt, der gleich dem Neigungswinkel a der ebenen Fläche 32 ist. Die Hüllfläche des zweiten Verdrängers 5 ist die Hüllfläche eines Kugelkeiles, wobei die beiden Keilflächen sich im Mittelpunkt des kugelförmigen Gehäuses 1 schneiden. Die Schnittlinie der Keilflächen ist in Fig. 1 bis 3 mit 6—6 bezeichnet und liegt ständig an der ebenen Fläche 32 dichtend an.

Zwischen der Fläche 32 einerseits und den beiden Keilflächen andererseits entstehen zwei Arbeitsräume 7 und 8, die beim Drehen der beiden Verdränger 2 und 5 sich abwechselnd vergrös-sern und verkleinern.

Fig. 1 illustriert eine Stellung der Verdränger 2 und 5, bei der der Arbeitsraum 7 die maximale Grösse entsprechend einem Öffnungswinkel 4a hat; gleichzeitig hat der Arbeitsraum 8 seine minimale Grösse entsprechend einem Öffnungswinkel Null.

s io

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Fig. 2 illustriert eine Stellung des ersten Verdrängers 2. die er Wie in Fig. 5 weiter dargestellt ist, ist eine Feder 14 vorgese-nach einer Drehung um 90° erreicht hat. Der zweite Verdränger 5 hen, die die Welle 4 umgibt und den zweiten Verdränger 45 gegen hat sich dabei um 45° gedreht, und seine Schnittlinie 6—6 berührt die Dichtschiene 9 und diese wiederum gegen den ersten Verständig die ebene Fläche 32 des ersten Verdrängers 2 und dichtet dränger 42 drückt. Wenn sich dadurch zwischen dem äusseren die Arbeitsräume 7 und 8 gegeneinander ab. In dieser Stellung 5 Umfang des zweiten Verdrängers 45 und der Innenfläche des hat sich der Arbeitsraum 7 bereits verkleinert und der Arbeits- Gehäuses 1 ein Spalt bildet, ist dies ohne Bedeutung, weil hier die räum 8 öffnet sich. halben Kolbenringe 13 die Abdichtung übernehmen. Diese Art

Fig. 3 illustriert eine weitere Stellung, in der der erste Verdrän- der Abdichtung eignet sich besonders, wenn die Maschine als ger 2 sich um 180° und der zweite Verdränger 5 um 90° gedreht Vakuumpumpe arbeitet, weil der Unterdruck im betreffenden haben. Die Schnittlinie 6—6 berührt weiterhin die ebene Fläche io Arbeitsraum die Tendenz hat, den zweiten Verdränger 45 und

32 und trennt die beiden Arbeitsräume 7 und 8, die in dieser den ersten Verdränger 42 zusammenzuziehen, was die Wirkung

Stellung gleiche Grösse haben. der Feder 14 unterstützt.

Nach einer vollen Umdrehung der Welle 3 wird wieder die Eine andere Art der Abdichtung der Dichtschiene 9 ist in Fig. 6

Stellung gemäss Fig. 1 erreicht; d. h. bei jeder Umdrehung wird dargestellt. Diese Abdichtung eignet sich vor allem für solche ein Arbeitsraum vom vollen Öffnungswinkel ausgehend auf Null 15 Anwendungen, bei denen der betreffende Arbeitsraum unter verkleinert und zugleich der gegenüberliegende Arbeitsraum Überdruck steht, der die Tendenz hat, die beiden Verdränger 52

von Null ausgehend auf vollen Öffnungswinkel vergrössert. und 55 voneinander wegzudrücken. Dabei kann sich zwischen

Während einer vollen Umdrehung des ersten Verdrängers 2 dem zweiten Verdränger 55 und der Dichtschiene 9 ein Spalt hat der zweite Verdränger 5 eine halbe Umdrehung gemacht; die bilden, der hier durch eine federnd angepresste Dichtleiste 15

Welle 4 läuft also mit der halben Drehzahl der Welle 3. 20 abgedichtet wird.

Dabei benötigt die Welle 4 keinen eigenen Antrieb, denn der ^ ... , . ... . ,. . .. 0 . . , 1

v tr j •• c • j * tT j •• -> 1- Daruber hinaus können auch die beiden Stirnseiten der Dicht-

zweite Verdranger 5 wird vom ersten Verdranger 2 zwangsläufig j 1 * j ^ .1 • 1 t-j

® , j. o u ...r . £ ^ ® ». , -ei" u schiene 9 durch federnd angespannte, nicht gezeichnete End-

so mitgenommen, dass die Schnittlinie 6—6 stets die ebene Flache f A A ® r &

32 des ersten Verdrängers 2 berührt. Dafür muss kein Drehmo- stucke gedichtet werden. _ ^

ment übertragen werden, denn die Kräfte, die auf den zweiten 25 .. Ausserdem ist gemäss Fig. 6 in der Wand des Gehäuses 1 eine Verdränger 5 wirken, sind wegen der symmetrischen Anordnung Öffnung 16 vorgesehen, die vom ersten Verdränger 52 während der Welle 4 stets im Gleichgewicht. dessen Drehbewegung zeitweise verschlossen ist, dann aber

Die Linienberührung entlang der Schnittlinie 6—6 kann bei der freigelegt wird, wenn der Arbeitsraum 7 fast das grösste Volu-Ausführungsform gemäss Fig. 4 dadurch vermieden werden, dass men erreicht hat. Diese Steuerung der Öffnung 16 eignet sich vor man diese Linie durch eine Dichtfläche ersetzt, indem zwischen 30 a^em für eine Ausführungsform der Maschine als Zweitaktmodem ersten Verdränger 22 und dem zweiten Verdränger 25 eine tor- Es können auch zwei Öffnungen 16 nahe nebeneinander Dichtschiene 9 vorgesehen ist. Diese mit einer ebenen Fläche an angeordnet sein, wobei dann die eine Öffnung als Einlasskanal der ebenen Fläche 32' des ersten Verdrängers 22 dichtend und die andere als Auslasskanal dienen kann, infolge der Schräg anliegende Schiene 9 ist an ihrer dem zweiten Verdränger 25 Stellung der ebenen Fläche 32 des ersten Verdrängers 52 wird zugewendeten Oberfläche 34 als Kreiszylinderfläche ausgebil- 35 dabei der Auslasskanal etwas früher geöffnet und geschlossen als det, mit der sie an einer entsprechend konkaven Fläche im der Einlasskanal, wie es für den Gemischwechsel vorteilhaft ist.

zweiten Verdränger 25 dichtend anliegt. Damit ergibt sich der Gemäss Fig. 7 ist die Wand des Gehäuses 1 mit einer Öffnung weitere Vorteil, dass die ebene Fläche 32' des ersten Verdrängers 17 versehen, die vom zweiten Verdränger 55 während dessen 22 und die Keilflächen des zweiten Verdrängers 25 nicht mehr Drehbewegung zeitweise verschlossen wird, aber dann freigelegt durch den Kugelmittelpunkt gehen müssen. Gemäss Fig. 4 sind 40 wird, wenn der Arbeitsraum 8 fast das geringste Volumen äquidistante Flächen, die gegenüber den theoretischen, gestri- erreicht hat. Diese Steuerung der Öffnung 17 eignet sich beson-chelt gezeichneten Flächen um das Mass 10 verschoben sind, ders für einen Verdichter, der mit Ölüberflutung arbeitet. Die vorgesehen, ohne dass der theoretisch richtige Bewegungsablauf Ölüberflutung hat den dreifachen Zweck, nämlich zu schmieren, gestört wäre. Die Schiene 9 ist mit einem Zapfen 11 im Verdrän- die Funktion der Spaltdichtung zu verbessern und das Gas zu ger 22 drehbar gelagert. Ausserdem ist die theoretisch richtige 45 kühlen, damit hohe Verdichtungsverhältnisse ohne hohe End-Kugelform der Oberfläche des Gehäuses 1 und der beiden temperaturen erreicht werden können. Durch die Drehbewe-

Verdränger 22 und 25 nur dort belassen worden, wo sie durch die gung der beiden Verdränger wird das überschüssige Öl an die Bewegungsverhältnisse bedingt ist; dadurch ist es möglich, die Aussen wand des Arbeitsraumes geschleudert und dann von der Lager für die Wellen 3 und 4 näher an die Verdränger heranzu- Kante des ersten Verdrängers 52 zu der Auslassöffnung 17 rücken. 50 geschabt. Die Gefahr von Flüssigkeitsschlägen ist damit ver-

Diese Maschine arbeitet mit Spaltdichtung, wobei nur durch mieden. ______

parallele Flächen begrenzte Spalte vorhanden sind. Gemäss Fig. 8 ist zur Steuerung der Arbeitsvorgänge der erste

Wenn eine höhere Dichtheit gefordert wird als mit Spaltdich- Verdränger 62 mit zwei Kanälen 63,64 versehen, die mit im tung erreichbar ist, so kann dieses Ziel durch den Einbau Gehäuse 1 angebrachten Kanälen 18 und 28 zusammenwirken,

einfacher zusätzlicher Dichtelemente erreicht werden, wie dies ss Der Verdränger 62 steuert hier also drehschieberartig den Fig. 5 zeigt. Bei dieser Ausführungsform ist auf dem Umfang des Ladungswechsel. Da dieser Verdränger mit der Antriebsdreh-ersten Verdrängers 42 ein normaler selbstspannender Kolben- zahl der Welle 3 umläuft, eignet er sich zur Steuerung aller ring 12 vorgesehen. Der zweite Verdränger 45 weist in seiner Kreisläufe, die nach einer Umdrehung von neuem beginnen, wie kugelig gewölbten Fläche zwei halbe Kolbenringe 13 auf, die dies bei Pumpen und Verdichtern im allgemeinen der Fall ist;

parallel zur jeweils benachbarten Keilfläche verlaufen und durch «so dabei können die Steuerzeiten so gewählt werden, wie es der nicht dargestellte Spannfedern gegen das Gehäuse 1 gedrückt jeweilige Anwendungsfall erfordert.

werden. Wenn die Maschine gemäss Fig. 8 als Vakuumpumpe arbeiten

Durch die Verwendung der Kolbenringe 12 und 13 mit Berüh- soll, ist es ausserdem möglich, im ersten Verdränger 62 auch noch rung entlang von Kreisen wird eine Abdichtung erreicht, die eine den bekannten Weiss'schen Kanal unterzubringen, der die Wir-ebenso hohe Qualität hat wie diejenige von Hubkolbenmaschi- 65 kung des unvermeidlichen schädlichen Raumes ausschaltet, nen und die der Abdichtung anderer Maschinen mit rotierenden indem er die Arbeitsräume 7 und 8 einen kurzen Moment Kolben überlegen ist, denn die dort übliche Berührung der verbindet, wenn jeweils der eine das grösste, der andere das

Dichtung entlang eines Rechtecks ist stets problematisch. kleinste Volumen hat.

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Wie Fig. 9 zeigt, ist es ebenfalls möglich, mit dem zweiten Verdränger 75 die Kanäle 19 und 29 drehschieberartig zu steuern. Auch dieser Verdränger kann alle Kreisprozesse steuern, die nach einer Umdrehung der Welle 3 von neuem beginnen ;

dabei ist es allerdings notwendig, alle Steueröffnungen doppelt 5 und diametral entgegengesetzt anzuordnen, weil der zweite Verdränger mit der halben Drehzahl der Welle 3 umläuft.

Der zweite Verdränger 75 kann auch dazu benützt werden,

einen Kreisprozess zu steuern, der nach zwei Umdrehungen der Welle 3 von neuem beginnt, da er mit der halben Drehzahl der 10 Welle 3 umläuft. Damit kann also ein Viertaktmotor von besonders einfacher Bauart realisiert werden. In diesem Fall ist es vorteilhaft, die Kontur der beiden Keilflächen des zweiten Verdrängers verschieden auszubilden. Wie in Fig. 9 dargestellt, ist diejenige Keilfläche, die am Ende der Auspuffperiode die 15 Fläche 32' des ersten Verdrängers 72 berührt, eben ausgebildet. Damit werden die verbrannten Gase vollständig ausgetrieben und das Gewicht der neuen Ladung wird entsprechend erhöht. In der gegenüberliegenden Keilfläche ist eine Ausnehmung 20 angebracht. Da diese Keilfläche eine Umdrehung später, also am 20 Ende der Kompression, die Fläche 32' des ersten Verdrängers berührt, wird die Höhe der gewünschten Kompression durch das Volumen der Ausnehmung 20 bestimmt.

In Fig. 6 bis 9 sind verschiedene Steuermöglichkeiten für sich allein dargestellt. In der Praxis wird man sich hingegen auch für eine Kombination von zwei oder mehreren Steuermöglichkeiten entscheidende nachdem, wie es für das gerade vorliegende Problem am zweckmässigsten ist. Aus Gründen der Einfachheit sind die beiden drehschieberartig steuernden Verdränger 62 und 75 in Fig. 8 und 9 mit ebenem Schieberspiegel 66 bzw. 77 versehen; die Schieberspiegel 66 und 77 dieser Verdränger können statt flach auch konisch oder ballig oder zylindrisch sein. Die Lagerungen und das Gehäuse, das in Wirklichkeit geteilt ausgebildet sein muss, sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt.

Soweit die beschriebenen Maschinen mit ungeschmierten Arbeitsräumen arbeiten, können alle Dichtelemente 9,12,13,15 aus selbstschmierendem Material, z. B. Kohle oderTeflon, hergestellt werden. Im Innern des Gehäuses 1 befinden sich keine Teile, die einer Schmierung bedürfen ; die aussen liegenden geschmierten Wellenlager können mit konventionellen Mitteln gegen Ölverlust nach innen geschützt werden.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Rotationskolbenmaschine mit einem mindestens teilweise kugelförmigen Innenraum und zwei darin rotierenden Verdrängern, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verdränger (2,22, 42,52,62,72) taumelscheibenartig ausgebildet ist und eine ebene Kreisfläche aufweist, die unter einem Winkel (a) zu einer zur Drehachse des ersten Verdrängers rechtwinkligen Ebene geneigt ist, und dass die Hüllfläche des zweiten Verdrängers (5,25,45, 55,75) im wesentlichen die Hüllfläche eines Kugelkeiles ist, dessen Drehachse zur Drehachse des ersten Verdrängers (2,22, 42,52,62,72) unter dem gleichen Winkel (a) geneigt ist und dessen Keilflächen sich im Bereich des Mittelpunktes der Kugelfläche des Innenraumes schneiden, wobei der zweite Verdränger (5,25,45,55,75) im Bereich der Schnittlinie seiner Keilflächen ständig an der ebenen Fläche des ersten Verdrängers (2,22,42, 52, 62, 72) dichtend anliegt.

2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Verdränger (22,42,52,62, 72) und dem zweiten Verdränger (25,45,55,75) eine Dichtschiene (9) angeordnet ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtschiene (9) an ihrer dem zweiten Verdränger (25,45,55,75) zugewendeten Oberfläche als Kreiszylinderfläche ausgebildet ist.

4. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtschiene (9) einen Zapfen (11) aufweist, mit dem sie in einer zentralen Bohrung des ersten Verdrängers (22, 42, 52, 62, 72) drehbar gelagert ist.

5. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Umfang des ersten Verdrängers (42,52,62,72) und die kugelige Oberfläche des zweiten Verdrängers (45,55,75) durch federnd angepresste Dichtleisten (12 bzw. 13) gegen die kugelige Fläche des Innenraumes abgedichtet sind.

6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem den Innenraum begrenzenden Gehäuse (1) und dem zweiten Verdränger (45) eine Feder (14) angeordnet ist, die diesen Verdränger gegen den ersten Verdränger (42) drückt.

6. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Dichtschiene (9) und dem zweiten Verdränger (55,75) eine Dichtleiste (15) angeordnet ist.

7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem den Innenraum begrenzenden Gehäuse (1) mindestens eine Öffnung (16) vorgesehen ist, die im Zusammenwirken mit mindestens einem (52) der beiden Verdränger (52, 55) den Ladungswechsel steuert.

7. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis

8. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis

9. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verdränger (62) drehschieberartig im Zusammenwirken mit Öffnungen (18,28), die in dem den ersten Verdränger (62) umgebenden Gehäuse (1) vorgesehen sind, den Ladungswechsel steuert.