CH677133A5

CH677133A5 -

Info

Publication number: CH677133A5
Application number: CH4554/89A
Authority: CH
Inventors: Viktor Viktorovich Domogatsky; Boris Mikhailovich Levin; Fedor Petrovich Tsurgan; Yakov Yakovlevich Urisman; Valentina Fedorovna Boiko; Vyacheslav Nikolaevi Stobetsky; Alexandr Ivanovich Kravtsov; Alexei Dmitrievich Bukhonov
Original assignee: Mo I Inzhenerov Zheleznodorozh
Priority date: 1988-04-18
Filing date: 1988-04-18
Publication date: 1991-04-15
Also published as: JPH03500566A; GB8927798D0; WO1989010487A1; US5071330A; DE3891310T1; GB2227794A

Description

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Beschreibung

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen, die als Motor oder Pumpe mit Flüssigkeit oder Gas als Arbeitsmedium betrieben werden, insbesondere auf Rollen-Flügelzellenhydromaschinen.

Stand der Technik

Bekannt ist eine Rollen-FIügelzellenhydromaschi-ne (SU, A, 567 844), enthaltend ein hohles Gehäuse, das Kanäle für den Einlauf und Auslauf des Ar-beitsmediums aufweist.

Im Gehäuse sind ein Läufer mit Flügeln und Nuten aufweisende Rollen gelagert. Die Drehbewegungen des Läufers und der Rollen sind synchronisiert und erfolgen durch die zugeführte Energie. Gehäuse-und Läuferflächen bilden einen Arbeitsraum, welcher durch die Rollen in grosse und kleine Zwischenräume aufgeteilt ist. Die kieinen Zwischenräume zwischen den Rollen sind über im Gehäuse ausgebildete Kanäle für hydraulische Entlastung miteinander verbunden. Bei der Hydromaschine ist die hydraulische Entlastung aus dem folgenden Grund unvollständig. Bei Drehung des Läufers kommt es vor, dass die grossen Zwischenräume zwischen den Rollen verschlossen sind. In diesen Räumen kann dabei eine Druckdifferenz vorliegen, die beträchtliche Grössen erreichen kann.

Dies führt zum einseitigen Andrücken des Läufers an das Gehäuse und zur Änderung von Dichtungsspalten. Die Folgen davon sind gesteigerte innere Uberströmungen bei Arbeitslauf und vergrös-serte Druckverluste bei Leerlauf.

Der mechanische und volumetrische Wirkungsgrad hängen massgebend von der Länge der Läuferflügel ab, da nämlich diese Grösse die Länge der Kontaktfläche zwischen Läufer und Gehäuse bei Andrücken des Läufers und die Länge der Dichtungsspalte bedingt, über die die Überströmungen des Arbeitsmediums erfolgen. Dadurch führt das einseitige Andrücken des Läufers an das Gehäuse zu Verringerung des Drehzahlbereiches (der Langsamlaufbetrieb wird praktisch nicht möglich), der Lebensdauer und Betriebssicherheit.

Bekannt ist eine Rolien-FIügelzellenhydromaschi-ne (SU, A, 992 821), enthaltend ein hohles Gehäuse, das Kanäle für den Einlauf und den Auslauf des Arbeitsmediums sowie Ausnehmungen aufweist, die offen zum Gehäusehohlraum hin ausgebildet sind. In den Ausnehmungen sind Rollen gelagert, die mit einem im Innern des Gehäuses angeordneten Läufer unmittelbar in Wirkverbindung stehen. Der Läufer weist Flügel auf und bildet mit dem Gehäuse einen Arbeitsraum, der durch die Rollen in grosse und kleine Zwischenräume unterteilt ist, die über im Läufer ausgebildete radiale Kanäle für hydraulische Entlastung paarweise verbunden sind. Die Rollen sind mit Nuten zum Durchlassen der Flügel des Läufers ausgebildet, welcher mit Möglichkeit zum Gleichlauf mit den Rollen durch die Wirkung der zugeführten Energie angeordnet ist. Die Oberflächen der Rollen bilden mit der Gehäuse- und mit der Läuferfläche Dichtungsspalte. Im Augenblick, in dem die Rollen die Öffnungen der Kanäle für hydraulische Entlastung durchlaufen, die radial im Läufer verlaufen, vergrössern sich die Dichtungsspalte erheblich, die von den Rollen und Läuferflächen gebildet sind. Dies führt zu einer beträchtlichen Steigerung von Überströmungen des Arbeitsmediums, wodurch es zum Stillsetzen des Läufers oder bestenfalls zu dessen aussetzender Bewegung kommen kann. Der Langsamlaufbetrieb wird in diesem Fall wegen der Überströmungen des Arbeitsmediums praktisch unmöglich.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rollen-Flügelzellenhydromaschine zu schaffen, bei der durch Umverteilung der hydraulischen Entlastung und optimale Wahl der Läuferflügellänge ein breiter Läuferdrehzahlbereich erzielt werden könnte.

Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, dass bei einer Rollen-Flügelzellenhydromaschine, enthaltend ein hohles Gehäuse, das Kanäle für den Einlauf und den Auslauf des Arbeitsmediums sowie Ausnehmungen aufweist, die offen zum Gehäusehohiraum hin ausgebildet sind und in denen Rollen gelagert sind, welche mit einem im Innern des Gehäuses angeordneten, Flügel aufweisenden Läufer unmittelbar in Wirkverbindung stehen, der mit dem Gehäuse einen Arbeitsraum bildet, welcher durch die Rollen in grosse und kleine Zwischenräume unterteilt ist, die über Kanäle für hydraulische Entlastung paarweise miteinander verbunden sind, wobei die Rollen mit Nuten für den Durchlauf der Läuferflügel durch diese hindurch ausgebildet sind und der Läufer mit Möglichkeit zum Gleichlauf mit den Rollen durch die Wirkung der zugeführten Energie gelagert ist, erfindungsge-mäss die grossen und die kleinen Zwischenräume zwischen den Rollen über im Gehäuse ausgebildete Kanäle für hydraulische Entlastung paarweise miteinander verbunden sind, bei denen die geometrischen Mittelpunkte der Bohrungen diametral entgegengesetzt in einer senkrecht zur Längssymmetrie-ebene des Gehäuses verlaufenden Ebene in einem Bereich liegen, welcher durch die Ebenen begrenzt ist, die durch die geometrischen Mittelpunkte der benachbarten Flügel und die Läuferdrehachse gehen.

Es ist sinnvoll, dass die grossen und die kieinen Zwischenräume zwischen den Rollen über zusätzliche Kanäle für hydraulische Entlastung paarweise miteinander verbunden sind, die in einer Längsebene des Läuferkörpers verlegt sind und paarweise Nuten verbinden, die an den Läuferstirnflächen ausgebildet sind.

Es ist auch zweckmässig, dass die Länge der Läuferflügel in einem Bereich von 0,8 bis 3 Rollendurchmesser gewählt wird.

Die paarweise Verbindung der grossen und der kieinen Zwischenräume zwischen den Rollen miteinander über die im Gehäuse ausgebildeten Kanäle für hydraulische Entlastung und die zusätzlichen Kanäle für hydraulische Entlastung, die in einer Längsebene des Läuferkörpers verlegt sind und

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die an den Läuferstirnflächen ausgebildeten Nuten paarweise verbinden, gestattet es, den Läufer in axialer und radialer Richtung voll zu entlasten. Die Wahl der Läuferflügellänge in einem Bereich von 0,8 bis 3 Rollendurchmesser sichert die Funktionsfähigkeit der Hydromaschine bei auf ein Mindestmass reduzierten Überströmungen des Arbeitsmediums. Das hat eine Erweiterung des Läuferdrehzahlbereiches, eine Steigerung des Wirkungsgrades der Hydromaschine und eine Erhöhung der Zuverlässigkeit und der Lebensdauer zur Folge.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird die Erfindung durch Beschreibung eines Ausführungsbeispieles derselben und anhand von Zeichnungen veranschaulicht; in den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemässe Rollen-Flügelzel-lenhydromaschine im Querschnitt in schematischer Darstellung;

Fig. 2 einen Schnitt nach Linie II-II der Fig. 1, im Längsschnitt;

Fig. 3 eine Einzelheit A in vergrössertem Massstab, im Längsschnitt.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Die Hydromaschine enthält ein hohles Gehäuse 1 (Fig. 1) das Kanäle 2, 3 für den Einlauf und Auslauf des Arbeitsmediums sowie Ausnehmungen aufweist, die zum Hohlraum des Gehäuses 1 hin offen ausgebildet sind. In den Ausnehmungen sind Rollen 4 gelagert, die mit einem im Innern des Gehäuses 1 angeordneten und Flügel 6 aufweisenden Läufer 5 unmittelbar in Wirkverbindung stehen. Der Arbeitsraum 7 ist von der Innenfläche des Gehäuses 1 und der Oberfläche des Läufers 5 gebildet. Der Arbeitsraum 7 ist von den Rollen 4 in grosse und kleine Zwischenräume 8,9 unterteilt.

Die Oberflächen der Rollen 4 bilden mit der Fläche des Gehäuses 1 Dichtungsspalte 10 und mit der Fläche des Läufers 5 Dichtungsspalte 11. Die Fläche des Gehäuses 1 bildet mit der Fläche des Läufers 5 stirnseitige Dichtungsspalte 12 (Fig. 2) und mit der Fläche der Flügel 6 Dichtungsspalte 13 (Fig. 1).

Der Läufer 5 weist sechs Flügel 6 - bevorzugte Anordnung - auf. Der Winkel <*, der von den Geraden eingeschlossen ist, die durch die geometrischen Mittelpunkte der benachbarten Flügel 6 und die Drehachse des Läufers 5 verlaufen, beträgt 60°. Es sind auch andere Anordnungen der Hydromaschine möglich, beispielsweise mit einer Flügelzahl gleich 4, 8,10 etc., für die der genannte Winkel jeweils 90°, 45°, 36° usw. beträgt.

Die grossen und die kleinen Zwischenräume 8, 9 zwischen den Rollen sind über Kanäle 14,15 (Fig. 1), 16,17 (Fig. 3), die zur radialen hydraulischen Entlastung des Läufers 5 bestimmt sind, paarweise miteinander verbunden.

Die Kanäle 16, 17 sind zwischen dem Gehäuse 1 und den Aussenringen der Lager 18 ausgebildet. Die Bohrungen der Kanäle 14,15 (Fig. 1) liegen auf dem Kreis mit einem Halbmesser Ri, dessen Grösse in einem Bereich von von R2 < Ri < R3 liegt, wobei mit R2 Wälzhalbmesser des Läufers 5 und mit R3 Halbmesser der Flügel 6 des Läufers 5 bezeichnet sind. Die Kanäle 14, 15 für hydraulische Entlastung sind dabei paarweise verbunden und liegen diametral entgegengesetzt, während ihre Achsen in einer durch die Drehachse des Läufers 5 gehenden Ebene liegen. Der Durchmesser der Bohrungen der Kanäle 14,15 darf die Breite der Flügel 6 auf dem Kreis mit dem Halbmesser Ri nicht übersteigen, denn anderenfalls kommt es zur Verbindung der Drücke am Einlauf und Auslauf der Hydromaschine. Von den Kanälen 15 können ein Paar oder mehrere Paare ausgebildet sein. Die Kanäle 16,17 (Fig. 3) können in anderen Teilen, beispielsweise in den Zapfen des Läufers 5 ausgebildet sein. Die geometrischen Mittelpunkte der Bohrungen der Kanäle 14, 15 (Fig. 1) für hydraulische Entlastung liegen in einer Ebene, die senkrecht zur Längssymmetrieebene des Gehäuses 1 verläuft. Die geometrischen Mittelpunkte der Bohrungen der Kanäle 15 liegen in einem Bereich, der von den Ebenen begrenzt ist, die durch die geometrischen Mittelpunkte benachbarter Flügel 6 und die Drehachse des Läufers 5 gehen.

Die Ausführung der Kanäle 14, 15, 16, 17 (Fig. 1 und 3) gewährleistet radiale Entlastung des Läufers 5 in dessen beliebiger Lage relativ zum Gehäuse 1 und zu den Rollen 4 durch die Verbindung der kleinen Zwischenräume zwischen den Rollen über die Kanäle 14 und weiter über die Kanäle 16 und die Verbindung der grossen Zwischenräume zwischen den Rollen über Kanäle 15 und weiter über die Kanäle 17.

Die Kanäle 15 können sowohl in der Symmetrieachse der Hydromaschine als auch in einem beliebigen Bereich des Winkels a liegen. Dabei werden die gepaarten Kanäle 15 immer diametral entgegengesetzt angeordnet, und ihre Achsen liegen in einer durch die Drehachse des Läufers 5 gehenden Ebene.

Die grossen und kleinen Zwischenräume 8, 9 (Fig. 1) sind ausserdem über zusätzliche Kanäle 19, 20 für hydraulische Entlastung paarweise miteinander verbunden, die in einer Längsebene des Körpers des Läufers 5 angeordnet sind und paarweise Nuten 21, 22 verbinden, die an den Stirnflächen des Läufers 5 ausgebildet sind. Die Nuten 21, 22 sind aussetzend ausgebildet. Die aussetzende Ausbildung der Nuten 21, 22 erhöht die Wirksamkeit der hydraulischen Entlastung, weil dies einen wesentlichen Einfluss auf die Wiederherstéllung der Planparallelität des stirnseitigen Dichtungsspaltes 12 ausübt, wenn der Spalt zuvor keilförmig war. Die Nuten 21, 22 können auch als Vollnuten ausgebildet sein. Die aussetzende Ausbildung der Nuten 21, 22 ist jedoch zu bevorzugen, da eine Vollnut lediglich bei einem stirnseitigen Dichtungsspalt 12, dessen Form planparallel ist, wirksam ist und nicht wirksam ist, wenn der Spalt 12 keilförmig ist. Dabei liegen die Nuten 21 mit grösserer Fläche näher an die Achse des Läufers 5. Die Nuten 22 mit kleinerer Fläche sind über die Kanäle 19, 20 für hydraulische Entlastung, die in einer Längsebene des Körpers des Läufers 5 liegen, mit den an den entgegengesetzten Stirnflächen des Läufers 5 befindlichen Nuten 21

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mît grösserer Flache verbunden. Von den Nuten 21, 22 kann an jeder Stirnfläche des Läufers 5 mindestens je eine Nut (in diesem Fall als Vollringnut) ausgebildet sein. Sinnvolt ist jedoch, mindestens zwei bis drei Nuten 21 und mindestens zwei bis drei Nuten 22 an jeder Stirnseite des Läufers 5 auszubilden. Die Nuten 21, 22 können an den Stirnflächen des Gehäuses 1 ausgebildet sein. Jedoch ist die Ausbildung der Nuten 21, 22 an den Stirnflächen des Läufers 5 aus den folgenden Gründen vorzuziehen. Bei der Ausbildung der Nuten 21,22 an den Stirnseiten des Läufers 5 werden die Kanäle 19,20 bei Drehung des letzteren von den Verbindungsstegen 23 (Fig. 1) zwischen benachbarten Nuten 21 bzw. 22 (Fig. 2) nicht verschlossen, wie es zustandekommt, wenn die Nuten 21, 22 an den Stirnflächen des Gehäuses 1 ausgebildet sind.

Die Ausbildung der Kanäle 19, 20 im Läufer 5, die die Nuten 21, 22 verbinden, gewährleistet die axiale hydraulische Entlastung des Läufers 5 der Hydromaschine, wodurch stirnseitiges Anpressen des Läufers 5 an das Gehäuse 1 und Änderung der Grösse der stirnseitigen Dichtungsspalte 12 vermieden werden, welche die Überströmungen des Ar-beitsmediums und folglich den Drehzahlbereich des Läufers 5 massgebend bedingt.

Das Bestehen der axialen hydraulischen Entlastung des Läufers 5 trägt zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Hydromaschine, ihrer Zuverlässigkeit und Lebensdauer bei. Die Rollen sind mit Nuten 14 (Fig. 1) zum Durchlauf der Flügel des Läufers 5 durch diese hindurch ausgebildet, welcher mit der Möglichkeit zum Gleichlauf mit den Rollen 4 durch die Wirkung der zugeführten Energie angeordnet ist. Die Länge i der Flügel 6 des Läufers 5 (Fig. 2) ist dabei in einem Bereich von 0,8 bis 3 Durchmesser der Rolle 4 gewählt.

Die Ausbildung der Flügel 6 des Läufers 5 von der genannten Länge gewährleistet das Funktionieren der Hydromaschine mit kleinstmöglichen Über-strömungen von Arbeitsmedium, wodurch der Drehzahlbereich des Läufers erweitert und der Wirkungsgrad der Maschine erhöht wird. Die Ausbildung der Flügel 6 des Läufers 5 von der genannten Länge lässt sich wie folgt erklären. Wenn die Länge & 5er Flügel 6 des Läufers 5 über 3d gewählt wird, wobei mit d der Durchmesser der Rolle 4 bezeichnet ist, wird die Gesamtlänge der Bohrung (einschliesslich der Bohrungen für die Lager 18) £ <5d betragen, wobei dies herstellungstechnisch schwer durchführbar ist. Ausserdem führt eine Vergrösserung der Länge der Flügel 6 über 3d zur Vergrösserung der stirnseitigen Dichtungsspalte 12. Dies wird von grösseren Überströmungen des Arbeitsmediums begleitet und bewirkt folglich eine Verringerung des Drehzahlbereiches und des Wirkungsgrades.

Die Ausbildung der Länge der Flügel unter 0,8 d ist aus dem folgendem Grund nicht empfehlenswert. Das Arbeitsvolumen V0 der Hydromaschine wird anhand der folgenden Gleichung bestimmt:

VO = jcx(RI2-R22)X^

wobei Ri der Radius des Läufers 5, gemessen an den Flügeln 6, und Bz der Wälzradius des Läufers 5 bedeuten. Das erforderliche Arbeitsvolumen kann man entweder durch Vergrösserung der Länge der Flügel 6 oder durch Vergrösserung des Durchmessers des Läufers 5 erhalten. Die zweite Möglichkeit ist weniger akzeptabel, denn dies führt zu einer übermässigen Entwicklung der stirnseitigen Dichtungsspalte 12, wodurch wiederum die Überströmungen von Arbeitsmedium vergrössert werden und als Folge der Drehzahlbereich verringert und der Wirkungsgrad der Hydromaschine herabgesetzt wird.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Hydromaschine ist wie folgt.

Durch die zugeführte Energie dreht sich der Läufer 5 (Fig. 1) mit den Flügeln 6 und überführt das Arbeitsmedium in den Kanal 3. Bei Drehung des Läufers 5 drehen sich die Rollen synchron mit diesem zusammen. Die Hydromaschine weist eine gerade Anzahl der Rollen 4, zwei grosse Zwischenräume 8 und zwei kleine Zwischenräume 9 auf, wobei diese diametral entgegengesetzt relativ zur Drehachse des Läufers 5 angeordnet sind. Bei Drehung lassen jeweils die einen Rollen 4 die Flügel 6 passieren, während die anderen Rollen 4 mit der Fläche des Gehäuses einen Dichtungsapalt 10 und mit der Fläche des Läufers einen Dichtungsspalt 11 bilden. Die Fläche des Gehäuses 1 bildet mit den Flächen der Flügel 6 Dichtungsspalte 13. Die Dichtungsspalte 10,11,12,13 (Fig. 1 und2)trennenden Druckam Einlauf 2 von dem am Auslauf 3 (Fig. 1). Gleichzeitig erfolgen die axiale und radiale Entlastung des Läufers 5. Die radiale Entlastung des Läufers 5 erfolgt durch die paarweise Verbindung der grossen und der kleinen Zwischenräume 8, 9 zwischen den Rollen miteinander über die Kanäle 14,15 (Fig. 1), 16,17 (Fig. 3) für hydraulische Entlastung, die im Gehäuse 1 ausgebildet sind.

Die axiale Entlastung des Läufers 5 (Fig. 1) erfolgt durch die paarweise Verbindung der grossen und der kleinen Zwischenräume 8, 9 miteinander über die Kanäle 19, 20 (Fig. 2) für hydraulische Entlastung, die die an den Stirnflächen des Läufers 5 ausgebildeten Nuten 21,22 (Fig, 1) verbinden.

Es wurden vier Baugrössen von Hydromaschi-nen mit Arbeitsvolumen von V0 = 40, 125, 1800, 2000 cm3/U erprobt. Die Versuche ergaben, dass die Hydromaschine sowohl im Motor- als auch im Pumpenbetrieb bei Drehzahlen des Läufers 5 von 0,1 bis 3000 U/min einschliesslich Folgebetrieb mit Ölen mit einer Zähigkeit von 1 bis 2000 mm2/s sicher und stabil funktionieren. Diese Hydromaschinen entwickeln, indem sie einen hohen Wirkungsgrad in einem weiten Drehzahl- und Arbeitsdruckbereich besitzen, erhebliche Drehmomente bei kleinen Abmessungen und einer geringen spezifischen Masse, bezogen auf Einheit des Arbeitsvolumens V0. Dies Hydromaschinen gestatten es, ein konstantes Drehmoment auf der Läuferwelle bei beliebiger Lage des Läufers und für beide Drehrichtungen zu erhalten.

Diese Hydromaschinen vereinigen in sich solche schwer kombinierbaren Eigenschaften wie hohes Drehmoment und hohe Drehzahl.

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Gewerbliche Verwertbarkeit

Besondere Vorteile bietet die Erfindung bei ihrer Verwendung in hydraulischen Folgesystemen bei einem weiten Drehzahlbereich. Diese kann auch in Druckluftmotoren, Verdichtern und Brennkraftmaschinen Anwendung finden.

Claims

Patentansprüche

1. Rollen-Flügelzellenhydromaschine, enthaltend ein hohles Gehäuse (1), das Kanäle (2, 3) für den Ein- und Auslauf des Arbeitsmediums sowie Ausnehmungen aufweist, die offen zum Hohlraum des Gehäuses (1) hin ausgebildet sind und in denen Rollen (4) gelagert sind, welche mit einem im Innern des Gehäuses (1 ) angeordneten Flügel (6) aufweisenden Läufer (5) unmittelbar in Wirkverbindung stehen, der mit dem Gehäuse (1) einen Arbeitsraum (7) bildet, welcher durch die Rollen (4) in grosse und kleine Zwischenräume (8, 9) unterteilt ist, die über Kanäle (14, 15) für hydraulische Entlastung paarweise miteinander verbunden sind, wobei die Rollen (4) mit Nuten für den Durchlauf der Flügel (6) des Läufers (5) durch diese hindurch ausgebildet sind und der letztere mit Möglichkeit zum Gleichlauf mit den Rollen (4) durch die Wirkung der zugeführten Energie gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die grossen und die kleinen Zwischenräume (8, 9) zwischen den Rollen über im Gehäuse (1 ) ausgebildete Kanäle (14, 15, 16, 17) für hydraulische Entlastung paarweise miteinander verbunden sind, bei denen die geometrischen Mittelpunkte der Bohrungen diametral entgegengesetzt in einer senkrecht zur Längssymmetrieebene des Gehäuses (1) verlaufenden Ebene in einem Bereich liegen, welcher durch die Ebenen begrenzt ist, die durch die geometrischen Mittelpunkte der benachbarten Flügel (6) und die Drehachse des Läufers (5) gehen.

2. Hydromaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die grossen und die kleinen Zwischenräume (8, 9) zwischen den Rollen über zusätzliche Kanäle (19, 20) für hydraulische Entlastung paarweise miteinander verbunden sind, die in einer Längsebene des Körpers des Läufers (5) liegen und paarweise Nuten (21, 22) verbinden, die an den Stirnflächen des Läufers (5) ausgebildet sind.

3. Hydromaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Flügel (6) in einem Bereich von 0,8 bis 3 Durchmesser der Rolle (4) gewählt ist.

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