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Arbeitsschieber (Flügel) für Drehkolbenmaschinen Zusatz zum Patent:
1217 713
Die Erfindung bezieht sich auf zur Abtrennung einzelner Arbeitskammern
voneinander dienende Arbeitsschieber (Flügel) für Drehkolbenmaschinen mit in Schlitzen
der mit dem Rotor umlaufenden Seitenwände gleitenden axialen Verlängerungen, die
für den tangentialen Druckausgleich jeweils mit der jenseits des Arbeitsschiebers
befindlichen Arbeitskammer durch Verbindungsleitungen, insbesondere Bohrungen, verbundene
Ausnehmungen aufweisen, nach Patent 1217 713.
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Beim Betrieb derartiger Drehkolbenmaschinen treten zwischen den mit
Druckfluidum beaufschlagten und durch die Arbeitsschieber lyetrennten Arbeitskammern
Druckdifferenzen auf, deren Größe sich während des Rotorumlaufs verändert. Die Arbeitsschieber
zwischen den Kammem erfahren daher durch die Druckdifferenzen verursachte, tangential
zur Umlaufrichtung gerichtete Kraftwirkungen (Tangentialkräfte), welche die axialen
Verlängerungen der Schieber einseitig gegen die Gleitflächen der Schlitzführungen
pressen. Der radialen Ein- und Auswärtsbewegung der Arbeitsschieber beim Rotorumlauf
wirken deshalb in den Schlitzführungen an den Gleitflächen der Schieberverlängerungen
angreifende starke Reibungskräfte entgegen, welche den Wirkungsgrad der Drehkolbenmaschine
verringern und einen erhöhten Verschleiß an den Gleitflächen verursachen.
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Eine Verringerung bzw. Beseitigung dieser Reibungskräfte durch einen
teilweisen oder völligen Taugentialkraftausgleich an den einzelnen Arbeitsschiebern
wird im Hauptpatent dadurch erstrebt, daß in den Gleitflächen der in den Schlitzführungen
gleitenden Schieberverlängerungen Ausnehmungen vorgesehen sind, die jeweils mit
der jenseits des betreffenden Arbeitsschiebers befindlichen Arbeitskammer in Verbindung
stehen. Der Fluiddruck jeder Kammer wirkt dadurch einerseits unmittelbar auf die
angrenzende Schieberfläche und andererseits infolge gleichmäßiger Druckfortpflanzung
durch geeignete Verbindungskanäle im Schieber in entgegengesetzter Richtung im Bereich
der jenseitigen Ausnehmungsflächen auf den Schieber. Durch geeignete Bemessung dieser
Flächen läßt sich ein bestimmter Tangentialkraftausgleich an den Schiebern erzielen.
Schwierigkeiten bereitet jedoch ein vollständiger oder nahezu vollständiger Tangentialkraftausgleich
am einzelnen Schieber deshalb, weil sich die an jede Arbeitskammer angrenzende Schieberfläche,
d. h. die unmittelbare Angriffsfläche des Kammerdrucks, ständig verändert,
wenn der Schieber beim Rotorumlauf eine Radikale Ein- bzw. Auswärtsbewegung in seiner
Nut C
ausführt. Die von einer angrenzenden Kammer auf den Arbeitsschieber
ausgeübte Tangentialkraft ist also insbesondere von der sich beim Umlauf ändernden
radialen Lage des Schiebers abhängig.
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Zur Erzielung eines vollständigen Tangentialkraftausgleichs am Einzelschieber
wäre daher eine kontinuierliche Anpassung der Druckangriffsfläche in den Ausnehmungen
der Axialverlängerungen an die je-
weilige unmittelbare Druckangriffsfläche
auf der gegenüberliegenden Seite des sich ein- und auswärts bewegenden Arbeitsschiebers,
mindestens jedoch eine stufenweise Anpassung, notwendig. Derartige Anpassungsmaßnahmen
bringen jedoch einen nicht unbeachtlichen technischen Aufwand vor allem bei der
Herstellung der Rotorelemente einer Drehkolbenmaschine mit sich.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Arbeitsschieber
derart zu verbessern, daß die radiale Ein- und Auswärtsbewegung des Schiebers keine
oder nahezu keine Veränderung der vom Arbeitskammerdruck unmittelbar an der Schieberfläche
erzugten Tangentialkraft bewirkt.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt dadurch, daß die Arbeitsschieber
in an sich bekannter Weise an mindestens einer Längsfläche angeordnete und während
des Umlaufs in ständiger Verbindung mit den jeweils benachbarten Arbeitskammern
stehende Druckmitteltaschen aufweisen, die durch Verbindungsleitungen,
insbesondere
Bohrungen, mit den in den axialen Verlängerungen vorgesehenen Ausnehmungen verbunden
sind.
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Die Druckmitteltasche bzw. die Druckmitteltaschen können dabei mit
einer Schicht von vom Flügel unterschiedlichem Material mindestens teilweise überzogen
sein.
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Aus der französischen Patentschrift 435 286 sind in Schlitzen
eines Rotors geführte Arbeitsschieber für Drehkolbenmaschinen bekannt, deren Längsgleitflächen
im Bereich innerhalb der Schlitze großflächige Drückmitteltaschen aufweisen. Diese
Druckmitteltaschen stehen in jeder Stellung der Arbeitsschieber durch im Roter vorgesehene
Kanäle hindurch mit den jeweils benachbarten Arbeitskammern in Verbindung, so daß
eine an eine Arbeitskammer der Maschine angrenzende Schieberseite in jeder Schieberstellung
im wesentlichen gleichmäßig mit dem Arbeitsdruck der angrenzenden Arbeitskammer
belastet ist. Die Verwendung dieser Druckmitteltasche erfolgt jedoch nicht im Zusammenhang
mit dem Tangentialkraftausgleich der Schieber, sondern dient zur Erzielung einer
gleichmäßigen Anpressung von Dichtflächen bzw. zur Stabilisierung des Schiebers,
um eine erhöhte Abdichtwirkung zu erreichen.
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Durch die Verwendung der an sich bekannten Druckmitteltaschen erfährt
der einzelne Arbeitsschieber unmittelbar von der angrenzenden Kammer her stets eine
im wesentlichen nur vom Kammerdruck, jedoch nicht von der radialen Stellung der
Schieber abhängige Tangentialkraft, weil die Angriffsfläche des Kammerdrucks, nämlich
der Flächengrund der Druckinitteltasche, in jeder Schieberstellung vollständig mit
dem Kammerdruck beaufschlagt ist. Es erübrigen sich daher alle z. B, im Hauptpatent
vorgeschlagenen komplizierten Maßnahmen, um zur Erzielung eines idealen Tangentialkraftausgleichs
am Schieber die Angriffsfläche der jenseitigen, ebenfalls durch Kanäle mit dem Kammerdruck
beaufschlagten Ausnehmungen in den Schlitzführungen gestuft oder stufenlos proportional
zur Schieberstellung zu verändern. Der Wegfall dieser konstruktiv und fertigungstechnisch
aufwendigen Maßnahmen ermöglicht eine wesentlich einfachere, wirtschaftlichere Herstellung
von Arbeitsschiebern mit Tangentialkraftausgleich, so daß eine Herabsetzung der
Reibung und des Verschleißes, Erhöhung von Wirkungsgrad und Lebensdauer, bessere
Ab-
dichtung bei hohen und höchsten Arbeitsdrücken sowie deshalb Erhöhung
der möglichen Maschinenleistung auch bei z. B. spanloser Massenfertigung der Schieber
gewährleistet sind.
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Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert;
und zwar zeigt F i g. 1 eine Ansicht des erfindungsgemäßen Arbeitsschiebers
bzw. Flügels, F i g. 2 eine Draufsicht auf den in F i g. 1 dargestellten
Arbeitsschieber, F i g. 3 einen Schnitt durch den Arbeitsschieber entsprechend
Linie 111-III der F i g. 1,
F i g. 4 einen Schnitt durch den Arbeitsschieber
entsprechend Linie IV-IV der F i g. 1,
F i g. 5 einen Schnitt durch
den Arbeitsschieber im Bereich der Druckmitteltaschen entsprechend Linie V-V der
F i g. 1,
F 1 g. 6 einen Schnitt durch den Arbeitsschieber im
Bereich der Ausnehmungen in den axialen Verlängerungen, entsprechend Linie VI-VI
der F i g. 1,
C
F i g. 7 einen Schnitt durch eine Abwandlungsfonn
des in den F i g. 1 bis 6 dargestellten Arbeitsschiebers, entsprechend
der Linie III-III der F i g. 1,
F i g. 8 einen weiteren Schnitt durch
die Abwandlungsforni des Arbeitsschiebers, entsprechend Linie IV-IV der F i
g. 1,
F i g. 9 einen Hauptschnitt durch eine beispielsweise Ausführungsforin
einer mit den erfindungsgemäßen Arbeitsschiebem bzw. Flügeln ausgerüsteten Drehkolbenmaschine,
F i g. 10 einen Querschnitt durch die in F i g. 9 dargestellte Drehkolbenmaschine
im Bereich der Schlitzführungen für die axialen Verlängerungen der Arbeitsschieber,
entsprechend Linie X-X der F i g. 9,
F i g. 11 einen weiteren Querschnitt
durch die in F i g. 9 dargestellte Drehkolbenmaschine im Bereich der Druckinitteltaschen
der Arbeitsschieber, entsprechend Linie XI-XI der F i g. 9.
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Die erfindungsgemäßen Arbeitsschieber bzw. Flügel können in verschiedenartigen
Drehkolbenmaschinen für Flüssigkeits- bzw. Gasbetrieb, wie z. B. Hydraulik-Motoren
bzw. -Getrieben, Flüssigkeitspumpen, Kompressoren, Luft-, Gas- und Dampfmotoren,
insbesondere auch in Verbrennungsmotoren mit Drehkolben, Verwendung finden. Im folgenden
wird daher lediglich beispielsweise Funktion und Anordnung der erfindungsgemäßen
Arbeitsschieber in einer z. B. als Hydraulik-Motor bzw. Hydraulik-Getriebe verwendbaren
Drehkolbenmaschine erläutert: Die F i g. 9 bis 11 zeigen in verschiedenen
Schnittdarstellungen eine Drehkolbenmaschine, die ein feststehendes, geschlossenes
äußeres Gehäuse 48 aufweist, in dessen Innem in bekannter Weise ein Roter drehbar
gelagert ist. Der Roter weist ein Mittelteil 29
auf, das (F i g. 11)
kreisseheibenförmig ausgebildet ist und mit an beiden Enden vorgesehenen Wellenansätzen
von den Lagern 49 aufgenommen wird (F i g. 9). Ein Wellenansatz durchsetzt
das Gehäuse 48 nach außen und dient als Anschlußzapfen 52 für die mechanische
Kraftübertragung. In bekannter Weise ist das Rotormittelteil 29 ferner mit
einer Axialbohrung versehen, die einen fest im Gehäuse 48 angeordneten und aus diesem
bei 45 nach außen ragenden Rohrstutzen 47 mit einem Zufuhrkanal 44 sowie mit einem
Abfuhrkanal 42 für das Druckfluidum aufnimmt. An den Abfuhrkanal 42 schließen sich
weitere Kanäle 43 an, durch die das Druckfluidum in das Gehäuse 48 entweichen kann,
das mit einem Anschlußstück 46 versehen ist. Die Arbeitskammern 34 der Maschine
werden in ebenfalls bekannter Weise (F ig. 11) zwischen dem scheibenförmigen
Teil des Rotormittelteils 29, zwei ebenfalls kreisseheibenförmig ausgebildeten
Rotorseitenteilen 30, 31 (die z. B. auf beiden Wellenenden des Rotermittelteils
29 fest angeordnet oder mit diesem aus einem Stück hergestellt sind) und
einen Kapsehing 28
gebildet, der sich zwischen die Rotorseitenteile
31, 32
einfügt. Der Kapselring 28 ist an seinem Außenumfang mit Hilfe
eines weiteren Rollenlagers 49 gegen den Exzenterring 57 abgestützt, der
am Gehäuse 48 anliegend, eine Exzentrizitätsverstellung des Kapsehings bezüglich
der Umlaufachse der Roteranordnung in bekannter Weise ermöglicht.
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Der zwischen Kapselring 28, Rotorseitenteilen 30,
31
und Rotormittelteil 29 entstehende Ringraum ist mit Hilfe der den Gegenstand
der Erfindung bildenden Arbeitsschieber 1 in die einzelnen Arbeitskammein
34
unterteilt, die beim Umlauf des Rotors ihr Volumen periodisch vergrößern und verkleinern.
Die Zu- bzw. Abfuhr von Druckmittel in die bzw. aus den Arbeitskammem 34 erfolgt
dabei durch im Bereich der Arbeitskammem im Rotormittelteil vorgesehene weitere
Kanäle 41, die während des Rotorumlaufs zeitweili- entweder mit dem Zufuhrkanal
44 oder mit dem Abfuhrkanal 42 im Zentrum des Rotormittelteils 29 in Verbindung
stehen.
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Infolge der beim Rotorumlauf auftretenden Zentrifugalkräfte werden
die leistenförmigen Arbeitsschieber 1 radial nach außen gedrückt, so daß
sie mit ihren radial äußeren Gleitflächen in jeder Rotorstellung ständig am Kapselring
28 anliegen und eine abdichtende Abtrennung der einzelnen Arbeitskammein
34 voneinander gewährleisten. Wegen der Exzentrizität des Kapselrings 28 führen
die Arbeitsschieber 1 in den radialen Längsschlitzen 32 und
33
des Rotormittelteils 29 und der Rotorseitenteile 30,
31
ständig eine radial hin- und hergehende Bewegung aus. Die Schlitze 33 bzw.
32 werden durch die Abdeckhauben 50 der Rotoranordnung nach außen
verschlossen.
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Infolge der radialen Bewegung jedes Arbeitsschiebers 1 verändert
sich die an jede Arbeitskammer 34 angrenzende und aus dem Rotormittelteil
29 herausragende, sich in radialer Richtung erstreckende Fläche am Arbeitsschieber
ständig entsprechend der Winkelstellung des Rotors und je nach Größe der
Exzentrizität des Kapselrings bezüglich der Umlaufachse mehr oder weniger stark.
Aus diesem Grund boten die seither bekannten Arbeitsschieber den aus den angrenzenden
Arbeitskammem 34 einwirkenden Arbeitsdrücken sich ständig verändernde Angriffsflächen
dar.
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Im folgenden ist an Hand der F i g. 1 bis 8 die Ausbildung
der erfindungsgemäßen Arbeitsschieber im einzelnen erläutert.
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Wie im Hauptpatent sind in den Gleitflächen der Endteile
17, 18 der Arbeitsschieber 1 beispielsweise rechteckige Ausnehmungen
3, 4, 13, 14 vorgesehen, deren Flächen jeweils einen großen Teil derjenigen
Bereiche der Gleitflächen 9, 10 des Schiebers einnehmen, die an den Gleitflächen
der Schlitze 33 in den Rotorseitenteilen 30, 31 anliegen und den wesentlichen
Anteil der auftretenden Tangentialkräfte übertragen bzw. aufnehmen. Leitungskanäle
5, 6, 7, 8,
z. B. Bohrungen, sind vorgesehen, um die genannten Ausnehmungen
mit der jeweils gegenüberliegenden Seite des Arbeitsschiebers zu verbinden. Die
Leitungskanäle münden einerseits am Grund der Ausnehmungen und bewirken wegen der
gleichmäßigen Fortpflanzung des Fluiddrucks in Rohrsystemen, daß sich in den Ausnehmungen
3, 4, 13, 14, die nach Einbau der Schieber durch die angrenzende Gleitfläche
der Schlitze 33 in den Rotorseitenteilen 30, 31 verschlossen werden,
Druckmittelpolster ausbilden, in denen der gleiche oder im wesentlichen gleiche
Fluiddruck herrscht, wie auf der gegenüberliegenden Seite des Arbeitsschiebers.
Andererseits münden die Verbindungskanäle im Gegensatz zum Hauptpatent nicht in
der Ebene der Gleitflächen 9, 10 der Schieber, sondem jeweils paarig am Grund
der mittleren Druckmitteltaschen 2, 15, die jeweils auf derjenigen Seite
eines Arbeitsschiebers vorgesehen sind, die den an die Leitungskanäle angeschlossenen
Ausnehmungen gegenüberliegen. Sie stehen also in jeder Stellung des Schiebers mit
der Arbeitskammer in Verbindung. Die mittleren Druckmitteltaschen 2, 15 sind
in die Gleittlächen 9, 10 des Arbeitsschiebers beispielsweise einige Millimeter
tief eingelassen und erstrecken sich radial einwärts (F i g. 9) bis zu restlichen
Stegen 11,
12, welche die Druckmitteltaschen bei eingebautem Schieber zusammen
mit den angrenzenden Schlitzwänden gegen den Raum 32 bzw. 33 abschließen.
In Richtung radial auswärts (F i g. 9) erstrecken sich die Druckmitteltaschen
bis zu der gegen den Kapselring 28 anliegenden Kante des Arbeitsschiebers
und können aus fertigungstechnischen Gründen mit »Bearbeitungsausläufen«
27 versehen sein. Die axiale Erstreckung der Druckmitteltasche entspricht
im allgemeinen der axialen Erstreckung der Arbeitskammern 34. Die Druckmitteltaschen
können jedoch auch über den Bereich der Arbeitskammem hinaus in gewissem Maß axial
verlängert sein (F i g. 9), d. h. ein Stück weit bis in die Schlitze
33 in den Rotorseitenteilen hinein verlaufen, wdurch sich unter anderem vorteilhafte
Kühlmöglichkeiten für die Arbeitsschieber von den Rotorseitenteilen her bei Betrieb
der Maschine mit heißen Gasen ergeben.
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Vor allem aus F i g. 11 ist zu ersehen, daß die Räume zwischen
den Ausnehmungen 2, 15 und den angrenzenden Schlitzwänden eines Rotormittelteils
29 in jeder bei Umlauf des Rotors veränderlichen radialen Stellung der Arbeitsschieber
stets in Verbindung mit der angrenzenden Arbeitskammer 34 bleiben. Der Arbeitsdruck
der angrenzenden Kammer kann daher unabhängig von der radialen Stellung eines Arbeitsschiebers
stets an einer konstanten Angriffsfläche am Arbeitsschieber, nämlich der Grundfläche
der Ausnehmungen 2, 15, angreifen, so daß die von einer Arbeitskammer infolge
des Kammerdrucks auf den Arbeitsschieber wirkende Tangentialkraft unabhängig von
der Schieberstellung nur dem Arbeitsdruck in der Kammer proportional ist. Sind,
wie im Ausführungsbeispiel, auf beiden an benachbarte Arbeitskammern angrenzenden
Seiten des Arbeitsschiebers derartige Ausnehmungen vorgesehen, so ist auch die Differenz
der Tangentialkräfte aus beiden Richtungen unabhängig von der radialen SchieberstelIung
nur noch von den Kammerdrücken der benachbarten Arbeitskammern abhängig.
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Ohne Rücksicht auf die radiale Stellung der Schieher kann nunmehr
jeweils die Gesamtfläche zweier Ausnehmungen 4, 3 oder 13, 14 in bezug
auf die Grundfläche der jenseitigen Druckmitteltasche (deren Größe die von dieser
Arbeitskammer aus hervorgerufene Tangentialkraft bestimmt) bemessen werden. Je nach
Bemessung der Flächengröße der genannten Ausnehmungen in den Endteilen
17, 18 der Schieber läßt sich ein teilweiser oder aber ein mindestens nahezu
vollständiger Ausgleich der Tangentialkräfte am Schieber erzielen.
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Bei der Bemessung der Ausnehmungen in bezug auf die jeweils zugehörige
Druckmitteltasche ist in der Praxis zu beachten, daß der Fluiddruck nicht nur im
Bereich z. B. der Ausnehmungen 3, 4 selbst wirkt, weil das Druckmittel von
jeder Ausnehmung her auch in den Spalt zwischen den die Ausnehmungen umgebenden
restlichen Stegen der Endteile 17, 18
und den angranzenden Gleitflächen der
Schlitze 33
eindringt und dort zwar kein Druckmittelpolster, jedoch einen
Druckmittelfilm bildet, so daß auch im Bereich dieses Druckmittelfilmes der jenseitige
Kammerdruck in entgegengesetzter Richtung wirksam wird. Aus diesem Grund wird auch
bei erstrebter
vollständiger Kompensation der Tangentialkräfte am
Arbeitsschieber (ideales Schwimmen der Arbeitsschieber in den Schlitzen
33 der Rotorseitenteile) praktisch die Gesamtfläche der Ausnehmungen einer
Schieberseite kleiner bemessen als die Fläche der jenseitigen Druckmitteltasche.
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Die F i g. 7 und 8 zeigen Schnitte durch einen Arbeitsschieber,
bei dem die Grundflächen der mittleren Druckmitteltaschen 2, 15 mit einer
Schicht von einem vom Flügel unterschiedlichen Material überzogen ist. Als überzugsmasse
kommt vor allem wärmeisolierendes Material in Frage, das bei Betrieb der beschriebenen
Drehkolbenmaschinen mit heißen Gasen die Korrosionseigenschaften der Arbeitsschieber
an den am stärksten beanspruchten Stellen im Bereich der Druckmitteltaschen 2,
15 verbessert. In den F i g. 7
und 8 ist - ebenfalls
bei Verwendung der Arbeitsschieber an mit heißen Gasen betriebenen Drehkolbenmaschinen
- in der Wand zwischen beiden Druckmitteltaschen ein Schlitz 21 vorgesehen,
der von den Rotorschlitzen her mit dem Druckfluidum selbst oder einem Kühlmittel
beaufschlagt werden kann, wenn die Arbeitsschieber von den Arbeitskammem her einer
besonders hohen Temperaturbeanspruchung unterliegen.
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Die F i g. 7 und 8 zeigen ferner in den Stimflächen
der Arbeitsschieber im Einbauzustand radial verlaufende Nuten, welche die Räume
radial innerhalb und außerhalb jedes Arbeitsschiebers in den Schlitzführungen
33 verbinden und die Radialbewegung der Arbeitsschieber erleichtern.
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In einer weiteren Abwandlungsform der Schieber können Ausnehmungen
in den Gleitflächen der Schieberenden 17, 18 auch nur auf einer Schieberseite
vorgesehen sein. Auch können die Druckmitteltaschen ringsum wie bei 11, 12
von einer stegartigen Leiste umgeben sein, so daß das Druckmittel in der Druckmitteltasche
radial und axial gleichmäßig auf die Randkanten der Druckmitteltasche wirkt und
ein entsprechender Kräfteausgleich erfolgt.