Innenachsige Drehkolbenmaschine

Abstract

 Für eine gute Abdichtung an den Dichtspalten einer innen­achsigen Drehkolbenmaschine bei möglichst geringen Reibungs­verlusten ist die Breite der Dichstpalte derart unterschied­lich gewählt, dass die engeren Dichtspalte an den radial äusseren Umfangsflächen (12a,12b) des Innenläufers (3) ge­genüber den Eingriffsteilen (2a,2b,2c) des Aussenläufers auftreten. An den Uebergangsflächen (34) zwischen radial inneren (32,33) und radial äusseren (12a,12b) Umfangsflä­chen des Innenläufers (3) treten die relativ dazu breiteren Dichtspalte auf.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine innenachsige Drehkolbenmaschine gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Bei bekannten Maschinen dieser Art stellt die Bemessung der Dichtspalte zwischen beiden Läufern einen unbefriedigenden Kompromiss zwischen der Grösse der Dichtverluste und der Reibungsverluste dar, wobei kleine Dichtspalte neben ent­sprechend hohen Reibungsverlusten auch hohe Anforderungen an die massgenaue Herstellung und Montage mit sich bringen. Die Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Maschine dieser Art diesen Kompromiss zu verbessern, indem bei ver­hätnismässig geringen Verlusten an den Dichtspalten eine gute Abdichtung zwischen den Läufern der Maschine erzielt wird. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt aufgrund der kenn­zeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.

[0003] Der verbesserte Kompromiss beruht auf der unterschiedlichen Bewertung der verschiedenen Oberflächenbereiche des Innen­läufers bei ihrer Dichtspaltbildung zusammen mit dem Aussen­läufer, um die Druckseite der Drehkolbenmaschine von ihrer Seite niederen Druckes abzudichten, sowohl hinsichtlich der Form der Dichtspalte bzw. der sie bildenden Flächen als auch hinsichtlich der Bedeutung der örtlichen und zeitlichen je­weiligen Dichtspaltposition während der Umdrehung der Dicht­spalte bildenden Läufer.

[0004] Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und werden im folgenden an­hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 einen Axial- und Radialquerschnitt eines Aus­führungsbeispieles einer innenachsigen Dreh­kolbenmaschine,

Fig.3a bis 31 Drehpositionen der Drehkolbenmaschine nach Fig. 1 und 2,

Fig. 4 bis 6 Ausführungsformen der Erfindung an einer Ma­schine entsprechend den Fig. 1 bis 3 und

Fig. 7 eine weitere Ausführungsform der Erfindung an einer anderen innenachsigen Drehkolbenmaschi­ne.

[0005] Die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele von Drehkolbenmaschinen entsprechend den Fig. 1 bis 6 und 7 sind sich ähnlich, da bei beiden das Drehzahlverhältnis zwischen Aussenläufer 2 und Innenläufer 3 2:3 beträgt, mit entsprechendem Verhältnis der Anzahl von Eingriffsteilen 2a, 2b, 2c am Aussenläufer und am Innenläufer 3a, 3b. Die Erfin­dung ist jedoch allgemein an innenachsigen Drehkolbenmaschi­nen anwendbar, beispielsweise auch mit einem Drehzahlver­hältnis von 4:3, 5:4 u.a..

[0006] Entsprechend dem Grundprinzip innenachsiger Drehkolbenma­schinen umschliesst der äussere Umfang 4 des Aussenläufers 2 die feststehend relativ zum Maschinengehäuse 1 angeordne­te Achse 5 des Innenläufers 3, und die Achsen 5,6 beider Läu­fer 2,3 sind mit Abstand voneinander angeordnet. Die gegen­seitige Anordnung der Läufer 2,3 bzw. ihrer Achsen 5,6 ist folglich mit derjenigen an einem Getriebe mit innenverzahn­tem Stirnzahnrad vergleichbar.

[0007] Um die am Umfang des Gehäuses 1 vorgesehenen Kanäle, d.h. den Einlasskanal 7 und den Auslasskanal 8 in der Maschine gegeneinander abzudichten, befinden sich beide Läufer 2,3 an mehreren Dichtstellen bzw. Dichtbereichen D₁, D₂, D₃, D₄, D₅... in dichtspaltbildender Annäherung aneinander, und ent­lang von zwei einander gegenüberliegenden Umfangsbereichen 10, 11 befindet sich der äussere Umfang 4 der Eingriffsteile 2a,2b,2c des Aussenläufers und/oder der äussere Umfang 12 der Eingriffsteile 3a,3b des Innenläufers 2 in dichtspalt­bildender Annäherung an der Innenfläche des Maschinengehäu­ses 1. Diese Annäherung bzw. die Breite dieser Dichtspalte beträgt je nach Fertigungsqualität oder abhängig vom Anwen­dungszweck der Maschine bzw. von der Dichte des die Maschine durchströmenden Mediums in der Grössenordnung von beispiels­weise 0,05 bis 0,1 mm.

[0008] Der Darstellung der Fig.1 ist zu entnehmen, dass die Umfangs­flächen der Läufer 2,3 und des Gehäuses 1, die sich örtlich bzw. zeitlich verändernde Dichtspalte miteinander bilden, parallel zu den ebenfalls zueinander parallelen Achsen 5,6 der Läufer 2,3 verlaufen. Die Wellenzapfen 14,15 des Innen­läufers 3 sind durch Wälzlager 16,17 an den seitlichen Ge­häuseplatten 1a,1b gelagert,während der Aussenläufer 2 mit seinen nabenförmigen hohlen Achszapfen 18,19 auf Wälzlagern 20,21 an diesen Gehäuseseitenplatten 1a,1b gelagert ist, die die Wälzlager 16,17 des Innenläufers 3 umschliessen. An der Innenseite der Gehäuseseitenplatten 1a,1b befestigte statio­näre Abdichtplatten 22,23 dichten die zwischen beiden Läu­fern 2,3 gebildeten Arbeitsräume der Maschine in axialer Richtung ab, so dass die zueinander parallelen Seitenflächen 24,25 des Innenläufers 3 sich in dichtspaltbildendem Abstand an diesen Abdichtplatten 22,23 parallel zu ihnen entlangbe­wegen. Obwohl es aufgrund des zahnradartigen gegenseitigen Eingriffs zwischen beiden Läufern nicht grundsätzlich erfor­derlich ist, stehen beide Läufer 2,3 über Zahnräder 26,27 in Antriebsverbindung, von denen eines an der Innenseite des nabenförmigen hohlen Achszapfens 19 durch eine Innenverzah­nung gebildet ist. Das aussen auf dem Wellenzapfen 15 des Innenläufers 3 aufgesetzte Zahnrad 28 dient dem An- oder Ab­trieb, je nachdem, ob die Maschine durch einen Gasstrom an­getrieben wird oder einen solchen als Kompressor fördert.

[0009] Das Arbeitsprinzip sowie der kinematische Aufbau der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Maschine sind in der nichtvorver­öffentlichten älteren Patentanmeldung entsprechend der DE-A-­3 432 915 näher beschrieben.

[0010] In den Fig. 4 bis 7 ist die Breite der sich an den jeweili­gen Dichtstellen bzw. Dichtbereichen D₁ bis D₅ ergebenden Dichtspalte mit örtlichem Bezug auf den Innenläufer (Fig.4, Fig. 5 und Fig.7) oder Aussenläufer (Fig.6) durch Strichli­nien in starker Vergrösserung, d.h. schematisch dargestellt, indem die Strichlinien die Grösse des Innen- oder Aussen­läufers abgeben, bei der sich gegenüber dem anderen Läufer kein Dichtspalt ergeben würde. Die tatsächliche Breite der Dichtspalte beträgt an den engsten fabrikationsmässig her­gestellten Dichtspalten beispielsweise 0,05 mm und an den breitesten fabrikationsmässig hergestellten Dichtstellen beispielsweise 0,1 mm.

[0011] Erfindungsgemäss ist in jedem Fall ein Dichtspalt zwischen einer radial äusseren Umfangsfläche 12a,12b des Innenläufers 3 und einem Eingriffsteil 2a,2b,2c des Aussenläufers, wie er an den Stellen D₃, bzw. in den Fig. 3a bis 3f und Fig. 3i bis 3l, auftritt, am kleinsten, wie in den Ausfüh­rungsbeispielen der Fig.4 und 5 durch die in geringerem Ab­stand von den Umfangsflächen 12a,12b verlaufende Strichli­nie angedeutet ist, ebenso an den Umfangsflächen 12a',12b' des Ausführungsbeispieles der Fig.7. Beim Ausführungsbei­spiel der Fig.6 ergibt sich der kleinste Dichtspalt an den gleichen Eingriffstellen D₃ zwischen den Läufern 2,3 durch entsprechende kleinere Dimensionierung der Eingriffs­teile 2a,2b,2c, wie durch die ausgezogene Konturlinie im Vergleich zu der strichlierten Konturlinie dieser Eingriffs­teile angedeutet ist. An den radial inneren Eckbereichen 30 ist folglich der Abstand zwischen der theoretischen strichlierten Konturlinie und der ausgezogenen Konturlinie am kleinsten. Anstatt nur an dem Innenläufer (Fig.4,Fig.5 und Fig.7) oder nur an dem Aussenläufer (Fig.6) durch ent­sprechend kleinere, d.h. einen Dichtspalt berücksichtigen­de Dimensionierung, kann jedoch auf nicht dargestellte Wei­se eine entsprechende Unterdimensionierung gegenüber der theoretischen dichtspaltfreien Kontur zu je einem Teil auch an beiden Läufern 2,3 vorgesehen sein.

[0012] Die Auswahl kleiner Dichtspalte am äusseren Umfang des Innenläufers 3 ist durch die grössere Bedeutung einer gu­ten Abdichtung in diesem Bereich entsprechenden den Drehpo­sitionen der Fig. 3a bis 3f und Fig. 3i bis 3l begründet, da in diesen Drehpositionen die Nieder- und Hochdruckseite der Maschine nur über einen Dichtspalt D₃ voneinander ge­trennt sind und aufgrund des in Umfangsrichtung kurzen An­näherungsbereiches zwischen den Flächen beider Läufer die­ser Dichtspalt D₃ eine verhältnismässig schlechte Dicht­wirkung hat.

[0013] Die im Bereich der radial inneren Umfangsflächen 32,33 des Innenläufers 3 während der Umdrehung der Läufer zwischen beiden vorkommenden Dichtspalte D₄ haben zwar ebenfalls allein die Nieder- und Hochdruckseite der Maschine vonein­ander zu trennen, jedoch können dort zur Verringerung von Reibungsverlusten breitere Dichtspalte D₄ akzeptiert werden, da in diesem Bereich die Flächen beider Läufer 2,3 angren­zend an den Dichtspalt sich in geringem Abstand voneinander befinden und somit zur Abdichtung beitragen, bzw. den Dicht­spalt in Umfangsrichtung verbreitern. Grössere bzw. weitere Dichtspalte an den radial inneren Umfangsflächen 32, 33 er­bringen den weiteren Vorteil einer Verringerung von Ver­lusten durch Quetschströmungen, insbesondere wann die Ma­schine für hohe Drehgeschwindigkeiten von z.B. mehr als 20 000 U/min vorgesehen ist. Fig.4 zeigt das entsprechende Ausführungsbeispiel.

[0014] Falls die Maschine jedoch überwiegend für verhältnismässig geringe Drehgeschwindigkeiten und Gase geringer Dichte vor­gesehen ist, so werden vorzugsweise auch an den genannten radial inneren Umfangsflächen 32,33 des Innenläufers engere Dichtspalte D₄ vorgesehen, um eine gute Abdichtung zu erhal­ten, wie das Ausführungsbeispiel der Fig.5 zeigt.

[0015] Im Bereich der zwischen den radial äusseren Umfangsflächen 12a,12b und den radial inneren Umfangsflächen 32,33 gelege­ nen Uebergangsflächen 34 sind die gegenüber den Innenflächen 35,36 der Eingriffteile 2a,2b,2c auftretenden Dichtspalte D bei jeder erfindungsgemässen Ausführungsform weiter als im Be­reich der radial äusseren Umfangsflächen 12a,12b, so dass die dort auftretenden Reibungsverluste entsprechend gering sind. Dies ist ohne wesentliche Dichtverluste möglich, da diese Dicht­spalte D₁,D₂ entsprechend den Darstellungen der Drehpositionen in den Fig.3a bis 3l nur auftreten, wenn die radial äusseren Um­fangsflächen 12a,12b sich in dichtender Annäherung an den Um­fangsbereichen 10,11 der Gehäuseinnenfläche befinden, so dass sie nicht allein die Niederdruckseite gegenüber der Hochdruck­seite der Maschine abzudichten haben. Ausserdem ist an diesen Uebergangsflächen aufgrund ihres zahnflankenartigen Eingriffs mit den Innenflächen 35,36 und der entsprechend flacher in Rich­tung des Druckgefälles auslaufenden dichtspaltbildenden Flächen ohnehin eine bessere Dichtwirkung vorhanden.

[0016] Aufgrund der vorhandenen Eingriffspositionen bei Dichtspaltbil­dung an den Uebergangsflächen 34 in der zuvorerwähnten Art kann die Weite der Dichtspalte D₁,D₂ vorteilhaft zunehmend grösser sein, entsprechend ihrem Abstand von der Achse 5 des Innenläu­fers, wie in Fig.5 und 6 gezeigt ist, so dass das für die entsprechen­den Dichtspaltweiten am Innen- oder Aussenläufer vorzusehende Untermass radial nach aussen zunimmt.

Ansprüche

1. Innenachsige Drehkolbenmaschine mit einem Aussenläufer und einem Innenläufer, die von einem gemeinsamen, an seinem Umfang einen Ein- und Auslasskanal (7,8) aufweisenden Gehäu­se (1) umschlossen sind, wobei die Läufer durch ihren gegen­seitigen Eingriff Arbeitsräume mit veränderlichen Volumen bilden, die durch spaltbildendes Abwälzen und/oder Gleiten von wechselnden Flächenbereichen der Läufer (2,3) aneinan­der abgedichtet sind und wobei der Innenläufer (3), bezogen auf seine Drehachse, radial äussere und radial innere Um­fangsflächen (12a,12b; 32,33) sowie zwischen diesen Ueber­gangsflächen (34) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtspalte (D₃) zwischen beiden Läufern (2,3) an den radial äusseren Umfangsflächen (12a,12b) des Innenläufers (3) kleiner sind als an seinen Uebergangsflächen (34).

2. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, dass die Dichtspalte (D₃) an den radial äusseren Umfangsflächen (12a,12b) des Innenläufers (3) kleiner sind als an seinen radial inneren Umfangsflächen (32,33;Fig.4).

3. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­kennzeichnet, dass die an den radial inneren Umfangsflächen (32,33) auftretenden Dichtspalte (D₄) kleiner sind als die an den Uebergangsflächen (34) des Innenläufers (3) auftre­tenden Dichtspalte (D₅).

4. Drehkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung radial nach au­ssen die an den Uebergangsflächen (34) auftretenden Dicht­spalte (D₅) eine zunehmende Breite aufweisen.

5. Drehkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtspalte (D₁ bis D₅) durch ein entsprechendes Untermass gegenüber der kinema­tisch erzeugten dichtspaltfreien Form der Läufer (2,3) an einem oder beiden Läufern gebildet sind.

Zeichnung