DE19545045A1 - Flügelzellenpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Flügelzellenpumpe in einer Aus­ bildung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei den bekannten Konstruktionen derartiger verdrängerpum­ pen zur Förderung von Flüssigkeiten oder Gasen sind die Flügel des im Gehäuseraum des Pumpengehäuses exzentrisch gelagerten Rotors durch ebene Metallplättchen gebildet, die im Rotor radial verschieblich geführt sind.

Diese bewegliche Anordnung der Rotorflügel erfordert die Anfertigung entsprechend eng tolerierter Radialschlitze im Rotor sowie geschliffene, auf die Schlitzbreite präzise abgestimmte Metallplättchen, was sich in entsprechend hohen Fertigungskosten niederschlägt.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, den Aufbau und damit die Herstellung von Flügelzellenpumpen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 erläuterten Art wesentlich zu vereinfa­ chen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnen­ den Merkmale dieses Anspruchs gelöst.

Die Erfindung ermöglicht es damit, auf eine eng zu tolerie­ rende Anordnung der Rotorflügel im Rotor zu verzichten, in­ dem diese zur Erfüllung ihrer Funktion zur Trennung der sich zwischen ihnen befindenden Förderkammern während der Rotorrotation keine lineare Radialbewegungen im Rotor mehr auszuführen haben. Die gewünschte Funktion der Rotorflügel, ohne diesen im Rotor eine radiale Verschiebebewegung ertei­ len zu müssen, läßt sich in vorteilhafter Weise gemäß den Ansprüchen 2 oder 9 realisieren.

Im Falle einer konstruktiven Ausbildung gemäß Anspruch 2 sind die Rotorflügel elastisch biegsam ausgebildet, so daß sie sich mit ihrem freien Flügelende unter entsprechender Vorspannung Innenumfang des zylindrischen Gehäuseraumes ab­ stützen.

Damit passen sich die Rotorflügel bei der Rotordrehung selbsttätig dem sich aufgrund der Exzentrizität zwischen Rotor und Umfangswand des Gehäuseraumes des Pumpengehäuses kontinuierlich verändernden Radialabstands zwischen der letzteren und den die Rotorflügel tragenden Rotorumfangs­ abschnitten durch sich entsprechend verstärkende oder ver­ mindernde Krümmung an, so daß die Rotorflügel im Rotor ra­ dial festgelegt werden können. Somit erübrigt sich die Ein­ haltung von engen Fertigungstoleranzen bei der Rotor- und Flügelherstellung, was eine erhebliche Kostenverminderung ermöglicht.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung in einer Aus­ führung gemäß Anspruch 2 ist Gegenstand des Anspruchs 3, wobei als Kunststoffmaterial insbesondere PPS (Teflon) ge­ eignet ist.

Eine vorteilhafte Anordnung der Rotorflügel im Rotor läßt sich in diesem Falle nach Anspruch 4 und 5 erzielen, wobei es günstig ist, die in den Rotor einzuarbeitenden Schlitze zur Flügelanordnung in einer Konfiguration nach Anspruch 6 vorzusehen. Dadurch ist sichergestellt, daß die am Pumpen­ gehäuse üblicherweise in seitlichem Abstand vorgesehenen Saug- und Druckanschlüsse über einen relativ großen Um­ fangsbereich des Gehäuseraumes durch formschlüssigen, glei­ tenden Kontakt mit der Umfangsfläche des Rotors voneinander druckdicht abtrennbar sind, indem über diesen Umfangs­ bereich die Rotorflügel mit ihren an der Umfangswand des Gehäuseraumes entlanggleitenden Flügelendstücken in die Rotorumfangsfläche gänzlich einzutauchen vermögen.

In weiterer, vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann auf die elastisch biegsamen Rotorflügel gemäß Anspruch 7 eine Speicherkraft einwirken, wodurch diese in ihrer Öff­ nungskraft noch unterstützt werden. Hierzu ist es günstig, gemäß Anspruch 8 eine Feder vorzusehen, wobei es sich be­ vorzugt um eine Druck-Schenkel- oder Torsionsfeder handeln kann.

Im Falle einer Ausgestaltung der Pumpenkonstruktion nach Anspruch 8 sind die Rotorflügel innerhalb des Rotors um eine zur Rotorachse parallele Achse verschwenkbar gelagert, wobei sich dann vorteilhafterweise die auf sie einwirkende Anpreßkraft gemäß Anspruch 10 erzeugen läßt.

Sofern die Anpreß- bzw. Speicherkraft gemäß Anspruch 11 mittels eines Druckmediums erzeugt wird, ergibt sich eine zu bevorzugende Konstruktion nach Anspruch 12, wobei es auch bei dieser Konstruktionsvariante günstig ist, die Merkmale des Anspruches 13 vorzusehen. Dadurch gestaltet sich sowohl die Herstellung der Rotorflügel als auch deren Montage im Rotor besonders einfach.

Die Flügelzellenpumpe kann als Konstantpumpe mit stabil bleibendem Fördervolumen ausgebildet sein. Ebensogut läßt sich ihr Fördervolumen aber auch variabel gestalten, sofern bei ihr das Merkmal des Anspruchs 14 verwirklicht wird. In diesem Fall ergibt sich eine technisch vorteilhaft zu realisierende Konstruktion, sofern zur Veränderung der Ex­ zentrizität der Rotor relativ zum Pumpengehäuse radial ver­ lagert wird. Die Kinematik zur Axialverlagerung von Pumpen­ gehäuse und Rotor kann aber auch umgekehrt erfolgen. Eben­ sogut kann hierzu der Rotor in einem innerhalb des Pumpen­ gehäuses radial verstellbaren Gehäusering vorgesehen sein, der in diesem Fall den Gehäuseraum definiert. Dieser Ring kann in bekannter Weise, z. B. von einer Feder oder durch den Systemdruck, beaufschlagt sein, die denselben in Richtung zur größten Exzentrizität drückt.

Die Anwendung von in Rotorumfangsrichtung flexiblen bzw. schwenkbaren Rotorflügeln erlaubt eine besonders einfache und preiswerte Pumpenfertigung, sofern die Pumpenbauteile gemäß Anspruch 15 ausgebildet sind. Dabei ist es auch denk­ bar, die elastisch biegsamen Rotorflügel an den Rotorumfang unmittelbar anzuformen, wobei für Rotorflügel und Rotor verschiedene Kunststoffe zum Einsatz gelangen können.

In diesem Fall können sich die Rotorflügel bei maximaler Förderzellenverkleinerung während einer Rotorumdrehung an den Rotorumfang anlegen, wobei die Drehrichtung des Rotors in Richtung der Flügelkrümmung oder zu dieser entgegenge­ setzt erfolgen kann. Bei beiden Konstruktionsvarianten kann außerdem die Rotoraustrittswelle mit dem Rotor einstückig aus Kunststoff gespritzt sein.

Für bestimmte Anwendungsfälle kann der Antrieb der Flügel­ zellenpumpe kinematisch umgekehrt erfolgen, so daß das Pum­ pengehäuse die Drehung ausführen wird.

Schließlich kann die Flügelzellenpumpe noch mit einer Druckbegrenzungs- oder einer Druckregelvorrichtung für den Förderstrom, sei es Flüssigkeit oder Gas, ausgestattet sein.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Flügelzellenpumpe, deren Rotor­ flügel elastisch biegsam ausgebildet sind und bei der lediglich das Pumpen­ gehäuse im Querschnitt, deren Rotor jedoch in Stirnansicht veranschaulicht sind;

Fig. 2 eine Variante der Rotorflügelanordnung gemäß Fig. 1, vereinfacht dargestellt;

Fig. 3 und 4 weitere Ausführungsbeispiele von Rotorflügelanordnungen in Flügel­ zellenpumpen in einer Darstellung ähnlich Fig. 1.

Das Pumpengehäuse der Flügelzellenpumpe gemäß Fig. 1 ist als Ganzes mit 10 bezeichnet. Es weist einen zylindrischen Gehäuseraum 12 auf, in welchen ein Saugkanal 14 einmündet und von dem ein Druckkanal 16 ausmündet. Beide Kanäle 14, 16 erstrecken sich in seitlichem Abstand parallel zueinan­ der und verlaufen tangential zum Gehäuseraum 12. Sie enden gehäuseaußenseitig jeweils in einem Anschlußstutzen 18 bzw. 20, in welche Anschlußrohre einschraubbar sind.

Mit 22 ist als Ganzes ein im Gehäuseraum 12 angeordneter Rotor bezeichnet, der eine Vielzahl von Rotorflügeln 24 trägt, die mit ihrem freien Endstück 24′ in Abhängigkeit von der Drehstellung des Rotors 22 relativ zum Umfang des Gehäuseraums 12 aus dem Rotor unter Vorspannung selbsttätig heraustreten.

Die Rotorflügel 24 sind beim gezeigten Ausführungsbeispiel in jeweils einem an den Stirnseiten des Rotors 22 offenen Rotorschlitz 26 festgelegt und durch Kunststofformteile ge­ bildet, die in Rotorumfangsrichtung elastisch biegsam sind. Aufgrund dieser Flexibilität stützen sich die Flügelend­ stücke 24′ an der Umfangswand 28 des Gehäuseraums 12 stän­ dig ab, obgleich der Rotor 22 in bekannter Weise um den Be­ trag a zum Zentrum 29 des Gehäuseraums 12 exzentrisch der­ art versetzt gelagert ist, daß ein Rotorumfangsabschnitt 30 zwischen beiden Kanälen 18, 20 die Umfangswand 28 des Ge­ häuseraums 12 gleitend und dabei abdichtend berührt. Saug- und Druckseite der Flügelzellenpumpe sind damit voneinander getrennt.

In die Umfangswand 28 des Gehäuseraums 12 sind vorzugsweise noch einander diametral gegenüberliegende, mit jeweils ei­ nem der Kanäle 14 bzw. 16 in Verbindung stehende, durch je­ weils einen nutartigen Einschnitt gebildete Kammern, näm­ lich eine Saugkammer 32 und eine Druckkammer 34, vorgese­ hen.

Die die Rotorflügel 24 aufnehmenden Rotorsehlitze 26 sind vorzugsweise entgegen der durch einen Pfeil angezeigten Drehrichtung des Rotors 22 gekrümmt ausgebildet, wobei die in Rotordrehrichtung nacheilende Schlitzwand 35 eine stär­ kere Krümmung als die gegenüberliegende Schlitzwand 36 auf­ weist.

Die Schlitzwand 35 verläuft hierbei in Richtung auf den Ro­ torumfang derart, daß durch sie eine Umfangsvertiefung 38 entsteht, in die der entsprechende Rotorflügel 24 mit sei­ nem freien Flügelendstück 24′ im wesentlichen formschlüssig einzutauchen vermag, wenn die Rotorflügel 24 am Umfangs­ abschnitt 30 des Gehäuseraums 12 entlanggleiten.

Die Rotorflügel 24 sind mit einem verdickten, vorzugsweise zylindrisch ausgebildeten Fuß 40 in formschlüssigem Ein­ griff mit dem inneren Rotorschlitzende, so daß sie im Rotor 22 radial unverschiebbarfestgelegt sind.

Bei Drehung des Rotors 22 teilen dessen Rotorflügel 24 grö­ ßer und kleiner werdende Förderzellen 25 ab. Im sich ver­ größernden Bereich des Gehäuseraums 12 werden sie mit dem Saugkanal 14 und im sich verkleinernden Bereich des Gehäu­ seraums 12 mit dem Druckkanal 18 verbunden.

Ist eine den Rotor 22 antreibende Antriebswelle 42 im Pumpengehäuse 10 stationär gelagert, arbeitet die Flügel­ zellenpumpe mit konstantem Systemdruck. Ist diese hingegen zum Zentrum 29 des Gehäuseraums 12 relativ zu dem mit dem Rotorumfangsabschnitt 30 zusammenwirkenden Umfangsabschnitt des Gehäuseraums 12 stufenlos radial verschiebbar, läßt sich dadurch das Fördervolumen variabel gestalten.

Die elastisch biegsame Ausbildung der Rotorflügel 24 in Rotorumfangsrichtung und die durch deren Vorspannung er­ zeugte Anpreßkraft stellt sicher, daß in jeder Phase der Rotordrehung eine einwandfreie, abdichtende Anlage der Ro­ torflügel am Umfang des Gehäuseraums 12 und somit die zur Förderung eines Mediums erforderliche Veränderung des Zel­ lenvolumens gewährleistet ist, wobei sich sowohl die Rotor­ flügel 24 als auch der Rotor 22 und das Pumpengehäuse 10 insbesondere im Kunststoffspritzverfahren vorteilhaft und entsprechend kostengünstig herstellen lassen.

Die in Fig. 2 gezeigte Variante der Rotorflügelanordnung veranschaulicht, wie sich die Anpreß- bzw. Öffnungskraft der Rotorflügel 24 in einfacher Weise verstärken läßt, in dem jedem Rotorflügel 24 eine in den Rotor 22 eingesetzte, vorgespannte Druckfeder 50 zugeordnet ist, die sich am freien Rotorendstück 24′ abstützt. Diese Konstruktion er­ laubt eine im Vergleich zu der Rotorflügelanordnung gemäß Fig. 1 wesentlich verkürzte Flügelausbildung.

Bei den Konstruktionsvarianten einer Flügelzellenpumpe ge­ mäß den Fig. 3 und 4 wird lediglich noch die Anordnung ih­ rer Rotorflügel 52 im Rotor 22 erläutert, da die übrigen Konstruktionsdetails mit denjenigen der Fig. 1 übereinstim­ men.

Die Rotorflügel 52 sind hierbei in jeweils einer Rotoraus­ nehmung 54 in Richtung auf die Umfangswand 28 des Gehäu­ seraumes 12 um eine Schwenkachse 56 verschwenkbar gelagert.

Die Rotorflügel 52 weisen vorzugsweise in etwa die Form ei­ nes spitzwinkligen Dreiecks auf, wobei sich die Schwenk­ achse 56 an deren Dreieckspitze befindet und durch einen angeformten zylindrischen Lagerzapfen 56′ definiert ist.

Die dem Lagerzapfen 56′ gegenüberliegende Dreieckseite steht mit dem entsprechenden Wandteil 58 der zugeordneten Rotorausnehmung 54 in berührungsdichtem Eingriff, wobei ein radiales Verschwenken der Rotorflügel 52 dadurch sicher­ gestellt ist, daß die sich miteinander in Eingriff befin­ denden Flächen von Dreieckseite 57 und Wandteil 58 einen konkaven Krümmungsradius aufweisen, der ihrem Abstand zur Schwenkachse 56 entspricht.

Analog zur Konstruktion gemäß Fig. 2 ist jedem Rotorflügel 52 eine in den Rotor 22 eingesetzte Druckfeder 60 zugeord­ net, die ständig versucht, die aus dem Rotor 22 austau­ chende Dreieckspitze 62 mit der Umfangswand 28 in ständi­ ger, abdichtender Berührung zu halten.

Um zwischen Federraum 64 und Förderzelle 25 einen Druckaus­ gleich zu schaffen, ist in die Rotorflügel 52 jeweils eine Ausgleichsbohrung 66 eingebracht.

Bei der Bauart gemäß Fig. 4 sind die in analoger Weise zur Konstruktion der Fig. 3 ausgebildeten und angeordneten Ro­ torflügel 52 durch ein Druckmedium, vorzugsweise durch die durch die Flügelzellenpumpe zu fördernde Flüssigkeit mit der Umfangswand 28 des Gehäuseraumes 12 in ständiger Berüh­ rung gehalten.

Zu diesem Zweck ist der innere Teilraum 54′ der Rotoraus­ nehmung 54 über einen Verbindungskanal 68 mit einem zentra­ len, ringförmigen Versorgungskanal 70 des Rotors 22 verbun­ den, der seinerseits beispielsweise mit dem Anschlußstutzen 20 in Verbindung steht.

Die flüssigkeitführenden Räume 54′, 68, 70 können dabei im Zusammenspiel mit den Rotorflügeln 52 konstruktiv derart gestaltet sein, daß unterschiedliche Unterstützungskräfte zum Verschwenken der Rotorflügel 52 nach außen über eine Drehbewegung einstellbar sind.

Die Rotorflügel 24 bzw. 52 sind durch Formteile vorzugs­ weise aus Kunststoff, insbesondere Teflon (PPS) , herge­ stellt, der ggf. mit einem geeigneten Füllstoff versetzt sein kann.

Sie können aber auch aus Keramik oder anderen, geeigneten Materialien bzw. Materialkombinationen bestehen, wobei ins­ besondere die flexiblen, aus Kunststoff bestehenden Rotor­ flügel 24 gemäß den Fig. 1 und 2 noch einen flexiblen Me­ tallkern aus bandförmigem Federstahl enthalten können.

Die durch die Erfindung erzielte technische Wirkung ist die einer Verdrängungspumpe, die im Falle einer Auslegung für variable Fördervolumen eine Kavitationsbildung durch Saug­ druckdrosselung vermeidet.

Claims (15)

1. Flügelzellenpumpe mit einem Pumpengehäuse (10) mit ei­ nem einen Saug- und Druckanschluß (18, 20) aufweisenden Gehäuseraum (12), in dem ein Rotor (22) exzentrisch gelagert ist, der am Umfang eine Vielzahl von in glei­ chem Winkelabstand voneinander vorgesehenen Rotor­ flügeln (24, 52) aufweist, die sich am Innenumfang des zylindrischen Gehäuseraums (12) abstützen, wobei zwi­ schen Saug- und Druckanschluß (18, 20) der Rotor (22) mit einem Umfangsabschnitt (30) der Umfangswand (28) des Gehäuseraums (12) in gleitender Berührung ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorflügel (24) im Rotor (22) verschiebefrei geführt und durch eine Anpreßkraft mit der Umfangswand (28) des Gehäuseraumes (12) in ständiger Berührung ge­ halten sind.

2. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rotorflügel (24, 52) in Rotor­ umfangsrichtung federnd elastisch sind.

3. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zumindest die Rotorflügel (24, 52) des Rotors (22) durch aus Kunststoff bestehende Form­ teile gebildet sind.

4. Flügelzellenpumpe nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorflügel (24) in den Rotor (22) in Achsrichtung durchsetzenden Schlitzen (26) eingesetzt und mit einem verdickten Flügelfuß (40) in einer Schlitzerweiterung formschlüs­ sig gehalten sind.

5. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Flügelfüße (40) im Querschnitt zy­ lindrisch sind.

6. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schlitze (26) entgegen der Dreh­ richtung des Rotors (22) gekrümmt sind und daß die in Drehrichtung des Rotors (22) konvex gekrümmte Schlitz­ wand derart verläuft, daß sie am Rotorumfang eine das freie Flügelende (24′) bei maximaler Flügeleinbiegung aufnehmende Umfangsvertiefung bildet.

7. Flügelzellenpumpe nach den vorhergehenden Ansprüchen 2-6, dadurch gekennzeichnet, daß auf das freie End­ stück (24′) der federnd elastischen Rotorflügel (24) innerhalb des Rotors (22) eine auf die Umfangswand (28) des Gehäuseraumes (12) gerichtete Speicherkraft einwirkt.

8. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Erzeugung der Speicherkraft im Rotor (22) je Rotorflügel (24) eine Feder (50) vorgesehen ist.

9. Flügelzellenpumpe nach einem der vorhergehenden An­ sprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorflügel (52) in jeweils einer Ausnehmung (54) des Rotors (22) um eine zur Rotorachse (29) parallele Achse (56) verschwenkbar gelagert sind.

10. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jedem Rotorflügel (52) innerhalb des Ro­ tors (22) eine Speicherkraft zugeordnet ist, die stän­ dig versucht, den Rotorflügel (52) in Richtung auf die Umfangswand (28) des Gehäuseraumes (12) zu verschwen­ ken.

11. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 9 oder 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Rotorflügel (52) in Richtung auf die Umfangswand (28) des Gehäuseraumes (12) druckme­ diumgesteuert verschwenkbar sind.

12. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die verschwenkbaren Rotorflügel (52) in etwa die Form eines spitzwinkligen Dreiecks haben, an deren Dreieckspitze die Schwenkachse (56) vorgesehen ist und daß die Rotorflügel (52) hypothenusenseitig formschlüssig bzw. berührungsdicht mit der benachbar­ ten, konkav gekrümmten Wand (58) der Rotorausnehmung (54) in Eingriff ist, deren Krümmungsradius ihrem Ab­ stand zur Rotorflügelschwenkachse (56) entspricht.

13. Flügelzellenpumpe nach einem der vorhergehenden An­ sprüche 9-12, dadurch gekennzeichnet, daß die ver­ schwenkbaren Rotorflügel (52) durch Formteile aus Kunststoff, insbesondere PPS, gebildet sind, an deren spitzwinkliges Ende ein zylindrischer Lagerzapfen (56′) angeformt ist, der in eine zumindest an einer Stirnseite des Rotors (22) offene Lagerausnehmung formschlüssig eingreift.

14. Flügelzellenpumpe nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzentrizität zwischen Rotor (22) und Gehäuseraum (12) stufenlos veränderbar ist.

15. Flügelzellenpumpe nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Pumpengehäuse (10) und Rotor (22) durch Formteile aus PPS (Teflon) gebildet sind.