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Kugelkraft- oder Arbeitsmaschine mit umlaufendem und schwingendem
Kolben und zwei im Gehäuse gegeneinander geneigt liegenden Drehachsen Die Erfindung
bezieht sich auf eine Kugeldrehkolbenmaschine, die als Kraftmaschine oder Pumpe
Verwendung finden kann und aus einem Kolben mit umlaufenden bzw. schwingenden Teilen
besteht, deren Außenflächen auf einer Kugelfläche liegen, sowie aus einem Gehäuse,
dessen Innenfläche Teil einer Hohlkugel ist.
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Bei den bekannten Ausführungsformen derartiger Kugeldrehkolbenmaschinen
ist das Gehäuse, in dem der Kolben lagert, symmetrisch ausgebildet. Man hatte hierbei
bisher noch nicht die Eigenschaften der zu fördernden oder als Antriebsmittel dienenden
Stoffe (für die im wesentlichen Flüssigkeiten in Betracht kommen) berücksichtigt,
man hatte sie vielmehr ausschließlich nach dem Gesichtspunkt gebaut, daß eine genügend
gute Dichtung durch die Maschine zwischen dem vor ihr liegenden Teil (Zuflußrohr)
und dem hinter ihr liegenden Teil (Abflußrohr) erfolgte. Aus diesem Grunde sind
die bekannten Ausführungsformen so ausgebildet, daß sich in einem gürtelähnlichen
Kugelgehäuse ein Kolben um zwei Achsen (eine Antriebs- und eine Blindachse) dreht,
der gleichzeitig Schwingungen ausführt, wobei eine zum Kolben gehörige schwingungsfähige
gelagerte Zwischenscheibe an vier Stellen, die paarweise diametral einander gegenüberliegen,
vier starr an ihr befestigte Kugelkalotten trägt, so daß deren Kugelfläche in die
Hohlkugel des Gehäuses paßt. Diese Kalotten, die in der einen Ausführungsform als
Hohlkalotten (Mützen), in der anderen Ausführungsform als Vollkalotten (Kugelabschnitte)
ausgebildet sind, bewirken in Gemeinschaft mit dem Hohlkugelgehäuse eine Abdichtung
der beiden Seiten der Maschine (des Zuflußrohres vom Abflußrohr) gegeneinander.
In vier bestimmten, im folgenden als »kritischen« bezeichneten Stellungen überdecken
sich die Ränder der beiden Kalotten eines der Kalottenpaare mit den Rändern der
Hohlkugel auf beiden Seiten längs der ganzen Peripherie. Auf diese Weise wird zwar
die gewünschte gute Dichtung erzielt, jedoch ist durch die doppelseitige Dichtung
eine Flüssigkeitsmenge im Innern der Maschine zwischen den beiden Kalotten eingeschlossen.
Dieser Zustand dauert mit Rücksicht auf die Höhe des Dichtungsrandes an, während
der Kolben sich um einen bestimmten kleinen Winkel dreht. Während dieser Drehbewegung
des Kolbens verändert sich das Volumen des abgeschlossenen Raumes, und zwar zunächst
während der ersten Hälfte des fraglichen Drehwinkels im Sinne einer Volumenverkleinerung.
Selbst wenn diese bei manchen bekannten Ausführungsformen, die zwecks Förderung
unreiner Flüssigkeiten reichlich toten Raum haben, nur z oder 2 °/o beträgt, würde
dies mit Rücksicht auf die sehr
geringe Zusammendrückbarkeit der
Flüssigkeiten doch bei guter Dichtung die Erzeugung von sehr erheblichen Überdrücken
(von einigen hundert Atmosphären), die von der eingesperrten Flüssigkeitsmenge ausgehen,
zur Folge haben, vorausgesetzt, daß die Kammer ganz mitFlüssigkeit angefüllt ist.
Tatsächlich sind die auftretenden Überdrücke mit Rücksicht auf die Undichtigkeiten
wesentlich geringer, doch sind sie immer noch erheblich genug, um eine starke Ungleichmäßigkeit
des Ganges, störende Geräusche, heftigeStöße und starkeBeanspruchung der Lager zur
Folge zu haben.
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Durch die Erfindung werden diese Nachteile vermieden; erfindungsgemäß
wird das Gehäuse unsymmetrisch ausgebildet, und zwar erfolgt die unsymmetrische
Ausbildung vorteilhaft in der Weise, daß in den kritischen Stellungen die Dichtung
gegenüber den Kalotten auf der einen Seite sehr gut ist, während sie auf der anderen
Seite weniger gut oder sogar schlecht sein kann. Auch auf diese Weise wird vermieden,
daß die Flüssigkeit aus dem einen der beiden durch die Maschine zu trennenden Bereichen
(Zufluß- und Abflußbereich) entgegen der Wirksamkeit der Maschine in den anderen
übertreten kann, es wird jedoch durch die unsymmetrische Ausbildung erreicht, daß
die in der Maschine enthaltene Flüssigkeit im Fall des Zusammendrückens leichter
austreten kann, so daß größere Überdrücke dadurch ohne Gefahr für die Wirksamkeit
der Maschine vermieden werden. Der Austritt kann dabei nach der Seite erfolgen,
auf der die Dichtung schlecht ist. Falls die Dichtung nach der einen Seite ganz
fehlt, werden Überdrucke vollkommen vermieden.
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Als diejenige Seite, nach der die Dichtung vorteilhaft weniger gut
gemacht wird, kommt bei Verwendung der Maschine für Pumpen die Austrittsseite der
Flüssigkeit (aus der Maschine) in Betracht, damit der an sich durch die Pumpen bezweckte
Austritt der Flüssigkeit nach dieser Seite ungehindert erfolgen kann. Für solche
Maschinen, die als Kraftmaschinen verwendet werden, kommt als Seite der weniger
guten Dichtung dieEintrittsseite derFlüssigkeit inBetracht (damit die Flüssigkeit
ungehindert in. die Maschine eintreten kann, um dort die von ihr zu leistende Arbeit
zu vollbringen).
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Bei den bekannten Ausführungsformen war das Gehäuse in zweifacher
Hinsicht symmetrisch ausgebildet. Es bestand aus einem Ring, der bis auf die Achsenlager
Drehungssymmetrie aufwies und der außerdem in bezug auf die durch beide Achsen gehende
Ebene symmetrisch war. Die unsymmetrische Ausbildung kann nun in der Weise geschehen,
daß ebenfalls ein drehungssymmetrisches Ringgehäuse verwendet wird, das jedoch nicht
mehr symmetrisch zu der durch beide Achsen gehenden Ebene ist. Viehmehr ist es auf
der einen Seite (für Pumpen vorteilhaft an der Austrittsseite der Flüssigkeit, für
Kraftmaschinen vorteilhaft an der Eintrittsseite) niedriger als auf der anderen.
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Nach der weiteren Erfindung ist man nicht auf drehungssymmetrische
Ausbildung des Gehäuses beschränkt, man kann vorteilhaft denselben Zweck der Verringerung
der störenden Drücke dadurch erreichen, daß man nicht nur auf die Symmetrie des
Ringgehäuses zu der Achsenebene, sondern auch auf die Drehungssymmetrie verzichtet.
Danach ist es nicht erforderlich, die Veränderung der Dichtung dadurch vorzunehmen,
daß man das Gehäuse auf der ganzen Innenseite (bei Pumpen auf der Austrittsseite)
niedriger macht als auf der anderen. Es genügt vielmehr, wenn das Gehäuse an den
Stellen niedriger gemacht wird, die in der kritischen Stellung des Kolbens der abgesperrten
Kammer (bei Pumpen an-derjenigen Stelle; die- bis zum endgültigen Abschluß Austrittsöffnung
der Flüssigkeit ist) gegenüberstehen, während man an der gegenüberliegenden Seite
(bei Pumpen auf der Eintrittsseite) an den entsprechenden Stellen das Gehäuse erhöht.
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Kugelkraftmaschinen der bekannten Ausführung sind bekanntlich mit
einer Vorrichtung versehen, die es gestattet, die Richtung der geförderten Flüssigkeit
der etwa als Pumpe arbeitenden Maschine in einfacher Weise umzukehren. Da aber bei
einer Umkehr der Förderrichtung auch die Umsymmetrie des Ringgehäuses geändert werden
muß, so wird nach dem weiteren Gegenstand der Erfindung die Maschine mit einer Vorrichtung
zum Einstellen der Umsymmetrie des Gehäuses versehen. Das kann beispielsweise dadurch
geschehen, daß. das Gehäuse zunächst symmetrisch als breiter Ring (Gürtel) ausgebildet
wird und die Umsymmetrie durch Auflegen von schmalen Ringen auf der Seite, auf der
eine Verstärkung erwünscht ist, hervorgerufen wird. Indem man etwa auf beiden Seiten
des Gehäuses derartige Ringe zum Auflegen vorsieht, kann man nicht nur die Förderrichtung
der als Pumpe wirkenden Maschine umkehren, sondern man kann die Maschine auch als
Getriebe bei jeder Richtung des Flüssigkeitsstromes verwenden unter Beibehaltung
der Vorteile der unsymmetrischen Ausbildung des Gehäuses.
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Die Erfindung ist nicht auf die Benutzung im Zusammenhang mit solchen
Kugelpumpen beschränkt, die vier Flüssigkeitskammern und vier einer Hohlkugel innen
anliegende Kugelkalotten besitzen und auf die die obigen Bemerkungen zum Zweck der
Erläuterung mehrfach Bezug nahmen.
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Die Abb. z bis g stellen drei beispielsweise Ausführungsformen der
Erfindung an einer als Pumpe arbeitenden Kugelmaschine dar. Die Stellung des Kolbens
ist dabei so gewählt, daß immer der mit der Blindwelle verbundene Teil des Kolbens
sich in der kritischen Stellung befindet.
Die Abb. x und 2 zeigen
eine Maschine mit einem Gehäuse, dessen Höhe in bezug auf die Ebene der beiden Wellen
unsymmetrisch ist, Abb. i im Schnitt von der Seite gesehen, Abb. 2 5 von oben gesehen
im Schnitt der Linie A -A,
senkrecht zur Ebene der Abb. i. Die Abb. 3 und
4 stellen beispielsweise eine Ausführungsform mit nicht drehungssymmetrischem Gehäuse
dar, Abb. 3 im Schnitt von oben gesehen, o Abb. 4. das Gehäuse im abgewickelten
Zustand. Abb. 5 zeigt beispielsweise eine Ausführung mit einer Vorrichtung zum Einstellen
der Unsymmetrie des Gehäuses.
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In den Abbildungen ist i die Antriebswelle, 5 2 die Blindwelle, die
um einen Winkel gegen Welle i geneigt ist. Beide Wellen sind mit Stopfbuchsen versehen,
von denen nur die an der Blindwelle liegende in den Abbildungen angedeutet ist.
Der Kolben 3 der Maschine besteht o aus einer Zwischenscheibe 4, an der zwei Kugelkalottenpaare
5 und 6 starr befestigt sind, von denen auf den Abb. i, 2, 3 und 5 jeweils nur ein
Paar sichtbar ist. Zwischen den Kalottenpaaren befinden sich zwei Keile 7 und B.
Keil 7 ist mit 5 der Antriebswelle i verbunden und ist um eine Achse g drehbar,
Keil 8 ist mit der Blindwelle 2 verbunden und um eine Achse ga drehbar, die senkrecht
zur Kante des Keiles 7, also in der Ebene der Abb. i liegt, der Deutlichkeit halber
o in Abb. i und 5 aber nicht gezeichnet ist. io ist das Zuflußrohr, ii das Abflußrohr
der geförderten Flüssigkeit. Zwischen den Rohren io und ii befindet sich das Gehäuse
i2, das auf seiner Innenfläche hohlkugelförmig ausgebildet ist.
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5 In den Abb. i und 2 ist die Höhe des Gehäuses von der Achse A-A
nach der Seite des Flüssigkeitsaustritts (siehe den Pfeil in Abb. i, der die Richtung
der geförderten Flüssigkeit angibt) geringer als nach der Seite des Flüssigkeitso
eintritts. An der Austrittsseite der Flüssigkeit schließt die Fläche 13 der Kalotte
6 genau mit der Kante =4 des Gehäuses ab, bei der die Hohlkugelfläche des Gehäuses
in das zylindrische Rohr ii übergeht. An der Eintrittsseite der 5 Flüssigkeit greift
jedoch der hohlkugelförmige Teil des Gehäuses um die Kalotte etwas herum, so daß
die Kante 15 des Gehäuses etwas tiefer liegt als die Fläche i6 der Kalotte. Dieser
übergreifende Teil des Gehäuses dichtet in der o gezeichneten kritischen Stellung
den Kolben 3 gegen die Eintrittsseite der Flüssigkeit ab, so daß sie nicht entgegen
der Wirksamkeit der Pumpe aus der Kammer 17 nach unten fließen kann.
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5 Bei einer Drehung der Antriebswelle im Sinne des Pfeiles i8 kommt
der mit der Blindwelle 2 verbundene Teil des Kolbens zweimal in eine kritische Stellung.
Wenn sich der Kolben der kritischen Stellung nähert, verkleinert sich das o Volumen
einer Kammer und außerdem die Öffnung, durch die die Flüssigkeit aus der Kammer
nach oben abfließen kann. Um zu verhindern, daß die Austrittsöffnung der Flüssigkeit
bereits geschlossen wird, bevor das Volumen der Kammer seinen kleinsten Wert erreicht
hat, ist es nicht erforderlich, die Höhe des Gehäuses 12 längs der ganzen Peripherie
zu- verkleinern. Es genügt vielmehr, die Höhe nur an den Stellen zu verringern,
die bis zur Erreichung der kritischen Stellung Austrittsöffnung der Flüssigkeit
ist. Eine derartige Ausführungsform ist in den Abb. 3 und 4 dargestellt. Das Gehäuse
12 ist an den Stellen ig und 2o mit zwei Vertiefungen versehen. Die Aussparung ig
liegt der Stelle des Keiles 8 gegenüber, bei der die Fläche 21 des Keiles sich an
die Zwischenscheibe 4 anlegt. Ganz entsprechend bestimmt sich die Lage der Aussparung
2o.
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In Abb. 4 ist das Gehäuse im abgewickelten Zustand dargestellt. Der
Aussparung ig entspricht auf der Eintrittsseite der Flüssigkeit eine Erhöhung 22,
der Aussparung 2o eine Erhöhung 23. Diese Erhöhungen haben den Zweck, die Abdichtung
der Kammer gegenüber dem Zuflußrohr zu verbessern. Um auch die Dichtung der anderen
Kammern in den kritischen Stellungen zu verbessern, ist das Gehäuse auf der Eintrittsseite
der Flüssigkeit mit einer weiteren Erhöhung 24 versehen.
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In Abb. 5 ist eine Ausführungsform dargestellt mit einer Vorrichtung
zum Einstellen der Unsymmetrie des Gehäuses 12. Dieses besteht aus einem Teil i2,
der sowohl drehungssymmetrisch als auch symmetrisch in bezug auf die Ebene durch
die Achse A -A, senkrecht zur Ebene der Abb. 5, ist. Auf beiden Seiten des
Gehäuses ist je ein keilförmig ausgebildeter Ring 25 und 26 vorgesehen. Diese Ringe
sind so ausgebildet, daß ihre Flächen 27 und 28 sich genau auf einen Vorsprung des
Ringgehäuses auflegen, während ihre Flächen 29 und 3o sich genau an den Kolben 3
anlegen können. Um zu verhindern, daß die Ringe der strömenden Flüssigkeit breite
Angriffsflächen bieten, die eine unerwünschte Störung der Flüssigkeitsbewegung hervorrufen
würden, sind sie nach der anderen Seite keilförmig abgeschrägt. An den Ringen sind
Stifte 31 und 32 befestigt, an denen zwei Hebe133 und 34 angreifen, die um feste
Punkte 36 und 37 drehbar sind. Die freien Hebelarme sind durch eine Stange 35 miteinander
verbunden, die beispielsweise von Hand in senkrechter Richtung verstellt werden
kann. Die festen Punkte 36 und 37 befinden sich in dem Gehäuse i2, das zu diesem
Zweck besonders verstärkt ist.
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In der gezeichneten Stellung ist die Höhe des Ringgehäuses auf der
Eintrittsseite der Flüssigkeit um die wirksame Höhe des Ringes 25 vergrößert, während
auf der Austrittsseite der Flüssigkeit die Kante des Ringgehäuses mit der Fläche
der Kalotte 5 abschließt. Soll nun beispielsweise
die Maschine
als Kraftmaschine verwendet werden, und zwar so, daß die Richtung der treibenden
Flüssigkeit ebenfalls durch die Pfeile dargestellt wird, so ist es notwendig, das
Gehäuse auf der Eintrittsseite der Flüssigkeit niedriger zu machen als auf der Austrittsseite.
Diese Änderung der Unsymmetrie des Gehäuses kann in einfachster Weise dadurch erreicht
werden, daß die Stange 35 in senkrechter Richtung nach oben verstellt wird. Dadurch
wird der Ring 25 vom Gehäuse 12 entfernt, während sich der Ring 26 auf der Austrittsseite
der Flüssigkeit an das Gehäuse anlegt. Vorteilhaft wird die Stange 35 mit einer
Vorrichtung in Verbindung gebracht, die verhindert, daß beide Ringe 25 und 26 gleichzeitig
vom Gehäuse 12 abgehoben sind, wodurch das Zuflußrohr vom Abflußrohr nicht genügend
abgedichtet sein würde.