DE1553050C3 - Rotationskolbenmaschine mit einem Ringzylinder - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Rotationskolben-, maschine mit einem Ringzylinder und einem Rotor, der an seinem Umfang mindestens zwei Kolben aufweist, die mit mindestens einem den Ringzylinder durchschneidenden scheibenförmigen, Einlaß- und Auslaßöffnungen voneinander trennenden Absperrad geringer Dicke Arbeitskammern begrenzen, das an seinem Umfang Aussparungen für den Durchlaß der Kolben hat und das von der Rotorwelle unter Zwischenschaltung eines Zahnradgetriebes angetrieben wird.

Eine solche Rotationskolbenmaschine, allerdings mit zwei Absperrädern, ist z. B. aus der US-PS 13 05 133 bekannt. Bei der dort offenbarten Konstruktion sind die Absperräder so angeordnet, daß ihre Rotationsebenen eine Ebene bilden, in der auch die Welle des Pumpenrotors liegt. Die Flüssigkeitszuführung erfolgt durch ein Kanalsystem durch den sich drehenden Rotor, die Flüssigkeitsabführung jeweils durch seitlich vor den Absperrädern vom Ringzylinder abzweigende Bohrungen. Sowohl bei der Flüssigkeitszuführung als auch bei der Flüssigkeitsabführung sind durch die Umlenkung der Strömung erhebliche Drosselverluste zu erwarten. Darüber hinaus erfordert die Herstellung insbesondere des Kanalsystems für die Flüssigkeitszuführung beträchtlichen Aufwand.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Rotationskolbenmaschine obengenannter Art so auszubilden, daß auf den Zu- und Abströmwegen des Arbeitsmediums zum bzw. vom Ringzylinder nur geringe Strömungsverluste entstehen, wobei gleichzeitig einfachste Bauart gefordert ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß bei einer solchen Rotationskolbenmaschine der sich an die Auslaßöffnung anschließende Auslaßkanal am Außenumfang des Ringzylinders tangential angeschlossen ist und das Absperrad im benachbarten Bereich der Auslaßöffnung derart angeordnet ist, daß eine Rotationsebene parallel zu den Achsen des Auslaßkanals und des Rotors verläuft und sich daran die im Innenumfang des Ringzylinders befindliche Einlaßöffnung unmittelbar anschließt.

Durch die Strömungsabführung tangential am Außenumfang des Ringzylinders wird eine Umlenkung der Strömung praktisch vollständig vermieden, so daß dementsprechend nahezu keine Drosselverluste auftreten. Dabei wird diese tangentiale Abströmung aufgrund y der erfindungsgemäßen Anordnung des Absperrades nicht etwa mit einem großen Totraum zwischen der Auslaßöffnung und dem Absperrad erkauft, sondern es kann das Absperrad sich in unmittelbarer Nähe der Auslaßöffnung befinden. Auch die Einlaßöffnung kann sehr nahe an das Absperrad gelegt werden, so daß der Ringzylinder nahezu über seinen ganzen Umfang als Arbeitsraum ausgenutzt wird.

Zwar ist aus der FR-PS 9 08 371 eine tangentiale Strömungszu- und -abfuhr bei einer Rotationskolbenmaschine bekannt. Diese tangentiale Zu- und Abführung der Strömung wird aber nur dadurch möglich, daß das Absperrad eine übermäßige Dicke aufweist, die etwa '/3 des Durchmessers des Ringzylinders beträgt. Dadurch ergibt sich der Nachteil, einen großen Teil des Ringzylinders nicht als Arbeitsraum nutzen zu können.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung kann dagegen das Absperrad geringe Dicke aufweisen und braucht dementsprechend wenig Platz. Ein weiterer Vorteil der Anordnung des Absperrades bei der erfindungsgemäßen Lösung liegt in dem geringen erreichbaren Abstand U von Rotorachse und Drehachse des Absperrades. Dieser geringe Abstand eignet sich besonders für die Anwendung eines Schraubradgetriebes als Zahnradgetriebe zwischen der Rotorwelle und der Welle des Absperrades, weil vergleichsweise kleine Schraubzahnräder eingesetzt werden können.

Eine weitere Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß das Absperrad mit zwei einander diametral gegenüberliegenden, jeweils einem der beiden Kolben angepaßten Aussparungen versehen ist. Dadurch wird erreicht, daß die Drehzahlen von Rotor und Absperrad gleich sind, was eine besonders günstige Bedingung für ein Schraubradgetriebe darstellt.

Schließlich wird vorgeschlagen, daß der äußere periphere Teil des scheibenförmigen Absperrades in einem, ringförmigen Kanal liegt, der in seiner Weite und in seinem Durchmesser größer ist als die Dicke und der Durchmesser des Absperrades und der mit einer öffnung zum Eintritt von Arbeitsmedium versehen ist, derart, daß der Druck innerhalb des Kanals, beiderseits des scheibenförmigen Absperrades gleich ist. Durch diese Maßnahme wird der Bereich des Absperrades, der einseitig mit Überdruck beaufschlagt ist, sehr gering gehalten, so daß entsprechend geringe Biege- und

Beulspannungen auftreten, so daß auch im Hinblick auf die Festigkeit ein sehr dünnes Absperrad eingesetzt werden kann.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch die Mittelachse des Ringzylinders einer Rotationspumpe für das Arbeitsmedium Wasser oder eine andere Flüssigkeit,

Fig.2 eine Seitenansicht des Absperrades der in F i g. 1 dargestellten Pumpe und

Fig.3 einen Querschnitt der Rotationspumpe aus F i g. 1 in einer Ebene parallel zur Schnittebene gemäß F i g. 1 und durch die Rotationsachse des Absperrades.

Die in F i g. 1 dargestellte Rotationspumpe weist ein

Gehäuse 10 mit einem Ringzylinder 11 auf, wobei das Gehäuse einen Rotor 12 enthält, der mit zwei diametral gegenüberliegenden Kolben 13a, 136 versehen ist, welche im Ringzylinder 11 laufen. Der Rotor 12 ist mit einer Rotorwelle 18 drehfest verschraubt. Die Pumpe ist weiterhin mit einem Absperrad 14 versehen, welches den Ringzylinder 11 durchschneidet und von der

~ Rotorwelle 18 über ein Schraubradgetriebe (Zahnräder W 21,22 in F ig. 3) angetrieben wird.

Die Pumpe ist mit einer Unterdruck- oder Einlaßöffnung 15 und einer Überdruck- oder Auslaßöffnung 16 versehen. Die Einlaßöffnung 15 befindet sich im Innenumfang des Ringzylinders 11 und schließt sie ι unmittelbar an das Absperrad 14 an. An die Auslaßöftnung 16, die sich im Außenumfang des Ringzylinders 11 befindet, schließt sich in tangentialer Richtung ein Auslaßkanal 30 an.

Der Rotor 12 ist mit einem zentralen Nabenteil 12a versehen, das über Speichen 120 mit einem Außenrand in Verbindung steht, an dem die zwei diametral einander gegenüberliegenden Kolben 13a und 13b befestigt sind, welche wie der Ringzylinder 11 rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweisen. Die Zwischenräume zwischen den Speichen 12Z> des Rotors 12 bilden einen Durchgang für das Wasser oder eine andere Flüssigkeit von einem axialen Einlaßkanal, der mit einer ringförmigen Einlaßkammer 20 in Verbindung steht. Die Einlaßöffnung 15 führt von dieser Einlaßkammer 20 in den Ringzylinder 11.

fc Wird der Rotor 12 in Richtung des im Ringzylinder

eingezeichneten Pfeiles angetrieben, so wird das Wasser zwangsläufig durch den Ringzylinder 11 in dieser Drehrichtung von der Einlaßöffnung 15 zu der Auslaßöffnung 16 getrieben bzw. gedrückt.

Wenn sich der eine Kolben 13a in die gestrichelte Position 13a/ bewegt, wodurch die Hinterkante 16a der Auslaßöffnung 16 geöffnet wird, befindet sich der andere Kolben 13b infolge der anhaltenden Rotation des Rotors 12 in der gestrichelt dargestellten Position 13bi, die, wie die voll ausgezogene Position 136, zwischen Auslaßöffnung 16 und Einlaßöffnung 15 liegt. Auf diese Weise wird ein Rückfluß vom Druckwasser durch den Spalt S und den Ringzylinder 11 in einer entgegengesetzt zur Richtung der Rotation des Rotors 12 liegenden Richtung zu der Einlaßöffnung 15 verhindert, und zwar durch das Vorhandensein des zweiten Kolbens 136 zwischen der Auslaßöffnung 16 und der Einlaßöffnung 15.

Auf der Rotorwelle 18 ist ein Zahnrad mit Schraubverzahnung 21 befestigt, das, wie in F i g. 3 dargestellt, direkt mit einem zweiten Schraubzahnrad 22 in Eingriff steht, das auf der Welle 23 des Absperrades 14 angeordnet ist, die im rechten Winkel windschief zur Rotorwelle 18 verläuft und die an ihrem einen Ende das Absperrad 14 trägt. Die Welle 23 des Absperrades 14 ist in einem Teil des Gehäuses 10 mittels geeigneter Lager 24, 25 gelagert, wobei das Lager 25 an dem Ende der Welle 23 angeordnet ist, welches von dem Absperrad 14 am weitesten entfernt ist.

Das Absperrad 14 wird in der dargestellten Anordnung über die Zahnräder 21, 22 mit einer Winkelgeschwindigkeit angetrieben, die derjenigen des

ίο Rotors 12 gleich ist, und da der Rotor 12 mit zwei Kolben versehen ist, weist das scheibenförmige Absperrad 14, wie in F i g. 2 gezeigt, zwei einander gegenüberliegende Aussparungen 26a, 266 auf, die jeweils hintereinander in den Bereich der Kreuzungsstelle 27 des Absperrades 14 mit dem Ringzylinder 11 gelangen, und zwar jeweils in dem Augenblick, in dem jeder der Kolben diese Kreuzungsstelle durchläuft.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Absperrades 14 bezüglich des Auslaßkanals 30 und der Rotorwelle 18 ist die Radiuslinie R zwischen der Rotationsachse des Rotors 12 und jedem Kolben 13a, 136 in der jeweiligen Stellung an der Kreuzungsstelle 27 gegenüber der Rotationsebene des scheibenförmigen Absperrades 14 geneigt, während das letztere beim Durchgang jedes der Kolben 13a, 136 durch die Aussparung 26a, 266 rotiert. Dementsprechend ist es notwendig, daß jeder Kolben, wie in F i g. 1 dargestellt, schraubenlinienförmig gekrümmt ist, wobei gleichzeitig die Wände jeder Aussparung des Absperrades 14 in gleicher Weise gestaltet sind.

Der äußere Rand des scheibenförmigen Absperrades 14 liegt innerhalb eines ringförmigen Kanals 28, der mit der ringförmigen Einlaßkammer 20 über eine schlitzähnliche öffnung 28a, siehe F i g. 1, in Verbindung steht.

Die Weite sowohl der schlitzähnlichen öffnung 28a als auch des ringförmigen Kanals 28 ist größer als die Dicke des scheibenförmigen Absperrades 14, während der Außendurchmesser des letzteren geringer ist als der Innendurchmesser des ringförmigen Kanals 28. Auf diese Weise ist ein Zwischenraum für Flüssigkeit an jeder Seite des peripheren Teils des Absperrades 14 wie auch um den äußeren Umfang desselben geschaffen, in den Flüssigkeit frei durch den Schlitz 28a von der Einlaßkammer 20 eintreten kann, so daß ein gleicher Druck auf jeder Seite des äußeren Teils des scheibenförmigen Absperrades 14 aufgebaut wird, wodurch eine Verwindung der äußeren Peripherie des scheibenförmigen Absperrades unter der Wirkung einer einseitigen Flüssigkeitsdruckes vermindert wird.

Der einzige Teil des Absperrades 14, der einem Flüssigkeitsdruck unterworfen ist, welcher unterschiedlich von dem in der Einlaßkammer 20 herrschenden Druck ist, ist der sich durch den Ringzylinder 11 erstreckenden Teil. Auf diese Weise kann das scheibenförmige Absperrad 14 von geringer Dicke sein und vermindert dadurch das Volumen des Ringzylinders 11 nur geringfügig. An der Kreuzungsstelle 27 zwischen dem Absperrad 14 und dem Ringzylinder 11 ist die der Auslaßöffnung 16 zugewandte Fläche des Absperrades 14 mit dem vollen Druck an der Auslaßöffnung 16 beaufschlagt, wodurch ein Axialdruck auf die Welle 23 in Richtung des Lagers 25 ausgeübt wird, so daß dieses Lager in entsprechender Weise ein Axialdrucklager ist.

Eine Rotationspumpe der beschriebenen Art weist einen außerordentlich hohen Wirkungsgrad auf, der, wie Berechnungen zeigen, in der Größe von 80% liegt, d. h. der Wirkungsgrad ist höher als der Wirkungsgrad einer üblichen Zentrifugalpumpe. Insbesondere lassen sich

hohe Fördermengen bei geringer Gesamtgröße der Pumpe erzielen. So zeigen z. B. Berechnungen für die als Ausführungsbeispiel dargestellte Pumpe, bei der der Rotor einen Gesamtdurchmesser von etwa 28 cm hat, daß bei 9 s-¹ die Fördermenge der Pumpe bei 495 l/min.

Wasser liegt bei einem Abgabedruck von 6,89 bar.

Eine Rotationspumpe der beschriebenen Art kann ohne wesentliche Abänderungen als Rotationsmotor, d. h. in umgekehrter Weise in Betrieb genommen werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Rotationskolbenmaschine mit einem Ringzylinder und einem Rotor, der an seinem Umfang mindestens zwei Kolben aufweist, die mit mindestens einem den Ringzylinder durchschneidenden scheibenförmigen, Einlaß- und Auslaßöffnungen voneinander trennenden Absperrad geringer Dicke Arbeitskammern begrenzen, das an seinem Umfang Aussparungen für den Durchlaß der Kolben hat und das von der Rotorwelle unter Zwischenschaltung eines Zahnradgetriebes angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß der sich an die Auslaßöffnung (16) anschließende Auslaßkanal (30) am Außenumfang des Ringzylinders (11) tangential angeschlossen ist und das Absperrad (14) im benachbarten Bereich der Auslaßöffnung (16) derart angeordnet ist, daß seine Rotationsebene parallel zu den Achsen des Auslaßkanals (30) und des Rotors (12) verläuft und sich daran die im Innenumfang des Ringzylinders (11) befindliche Einlaßöffnung (15) unmittelbar anschließt.

2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnradgetriebe (Zahnräder 21,22) ein Schraubenradgetriebe ist.

3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrad (14) mit zwei einander diametral gegenüberliegenden, jeweils einem der beiden Kolben (13a, i3b) angepaßten Aussparungen (26a, 26Z^ versehen ist.

4. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere periphere Teil des scheibenförmigen Absperrades (14) in einem ringförmigen Kanal (28) liegt, der in seiner Weite und in seinem Durchmesser größer ist als die Dicke und der Durchmesser des Absperrades (14) und der mit einer öffnung (28a^zum Eintritt von Arbeitsmedium versehen ist, derart, daß der Druck innerhalb des Kanals (28) beiderseits des scheibenförmigen Absperrades (14) gleich ist.