[0001] Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Abdichtung des Rotationskolbens
gegen die umgebenden Gehäusewand von Rotations-Kompressions- und -Expansionsmaschinen.
Stand der Technik
[0002] Für Rotationskolbenmaschinen sind unterschiedliche Lösungswege zur Herstellung der
Dichtheit des Kolbens gegen die umgebenden Gehäusewand beim Bewegungsablauf bekannt.
Sogenannte Flügelzellenmaschinen erreichen eine fast gute Dichtheit durch die hohe
Maßgenauigkeit der Bauteile Rotor, Gehäuse und Flügel, die den Arbeitsraum umschließen
und die zur Funktion notwendigen kleinstmöglichen Spalte zwischen den Bauteilen ergeben.
In bestimmten Anwendungsfällen lässt sich die Dichtheit noch verbessern, indem ein
geeignetes Fluid in die Maschine gebracht wird und ein geringer Fluidfilm als Dichtkörper
zwischen den Bauteilen entsteht. Bei der Durchführung von Kompressionsaufgaben solcher
Maschinen werden die verbleibenden Spaltverluste in Kauf genommen. Sie wirken sich
als Verminderung der Förderleistung aus, die durch Erhöhung der Antriebsleistung des
Kompressors ausgeglichen werden kann. Bei Expansionsmaschinen können die Spaltverluste
zum Funktionsverlust führen, insbesondere dann, wenn eine schädliche Expansion überwiegend
über die Spalte erfolgt und sich nicht als Nutzdrehkraft des Rotors auswirkt.
[0003] Hingegen können expandierende Medien in höheren Temperaturbereichen, wie sie bei
thermischen Kraftmaschinen auftreten, zur Zerstörung der Maschine führen, indem die
durchtretenden heißen Gase an diesen Stellen zerstörende Materialabtragungen bewirken,
die die Spalte noch vergrößern.
[0004] In grundlegenden Untersuchungen von F. Wankel wurde gefunden, dass insbesondere Rotationsbrennkraftmaschinen,
die mehr als drei relativ zueinander bewegte Bauteile wie Rotor, am Rotor angeordnete
bewegliche Kolbenteile und Gehäuse benutzen, nicht funktionieren können, da Dichtelemente
nicht so angeordnet werden können, dass im Bewegungsablauf der Maschine ein in sich
geschlossenes räumliches Dichtliniensystem mit gleicher geometrischer Gestalt möglich
ist. Anschaulich tritt dieser Defekt bei einer Flügelzellenmaschine auf. Zwar kann
durch federnde Dichtleisten entlang der Flügelkanten eine radiale und axiale Abdichtung
gegen die Gehäusewand hergestellt werden, aber die Dichtlinie wird im Bereich der
Rotornabe durch eine bleibende Unstetigkeit unterbrochen und führt zur Undichtheit
der Maschine. Schlussfolgernd aus diesem Erfahrungssatz wurde als bislang einzige
funktionierende Rotationskolbenmaschine mit innerer Verbrennung durch F. Wankel ein
Motortyp entwickelt, der nur 2 relativ zueinander bewegte, den Arbeitsraum umschließende
Bauteile aufweist: ein Gehäuse mit einer trochoidenförmigen Laufbahn und ein ebenfalls
von einer Trochoide abgeleiteter Rotationskolben als innerer Hüllkörper der Gehäuselaufbahn.
Auf diesem Kolben lassen sich Dichtleisten anordnen, die die Bedingung der unveränderten
geometrischen Gestalt erfüllen. Der Motortyp ist als Wankelmotor bekannt geworden.
[0005] Trotz der Vorzüge und der erfolgreichen Entwicklung dieses Motortyps konnten einige
technische Zielstellungen nicht erreicht werden. Dies betrifft die geometrisch bedingte
Volumenänderung mit der benutzten Trochoide, die die Durchführung eines üblichen Dieselprozesses
nicht gestattet. Dies betrifft auch, weniger einschneidend, die Schmierung der Dichtleisten
sowie damit in Zusammenhang stehend die Wärmeabfuhr vom Kolben an die Gehäusewand.
[0006] Für die Abdichtung des Kolbens von Rotationskolbenmaschinen, insbesondere von Kreiskolbenmaschinen
ist die Verwendung von beweglichen radialen Dichtleisten, die in den Kolben eingesetzt
werden der Stand der Technik. Beispielhaft wird auf die Verwendung radialer Dichtleisten
bei Rotationskolbenmaschinen der Bauart Wankel verwiesen. Eine weitere zweckmäßige
Art der Anordnung der Dichtleisten ist möglich, wenn der Kreiskolben quer zu seiner
Drehachse geteilt ist und die radialen Dichtleisten als ebenfalls geteilte Dichtleistenpaare
in die Spitzen des Kreiskolbens eingesetzt werden, so dass sie sich der axialen Spreizung
beider Kolbenhälften anpassen können.
[0007] Eine bekannte Lösung wird in der gattungsbildenden
DE 198 50 753 A1 gezeigt. Hier wird die zweckmäßige Verbindung zweier Scheiben eines quer geteilten
Rotationskolbens vorgeschlagen, in dem die beiden beschriebenen Seitenscheiben 8 und
22 bzw. 8' und 22' durch die mit den Seitenscheiben verbundenen Vorsprünge (,Stege'
28, ,Ecken' 9) so axial ineinander greifen, dass ein Kolben gebildet wird, der die
für die gewollte Funktion die hypotrochoidialen Kolbens erforderliche Kontur und Breite
hat.
[0008] An den genannten Beispielen wird erkennbar, dass das Dichtsystem einer solcherart
gebauten Rotationskolbenmaschine mit einem bestimmten technologischen Bauaufwand verbunden
ist, der sich relativ, in Bezug auf die Leistungsgröße einer Rotationskolbenmaschine,
erhöht, wenn die Maschine in ihren Abmessungen verkleinert wird.
Darstellung der Erfindung
[0009] Hieraus ergibt sich die Aufgabe der Erfindung eine Dichtleistenanordnung zu schaffen,
die auch bei Verringerung der Abmessungen einer Rotationskolbenmaschine in solche
Größenordnungen, die herkömmliche technologischen Fertigungen nicht mehr erlauben
bzw. in solche geringen Größenordnungen, bei denen die Funktionalität sehr kleiner
Bauteile unter den Bedingungen thermodynamischer Kreisprozesse nicht mehr gegeben
ist, eine Abdichtung zu ermöglichen.
[0010] Die erfinderische Lösung besteht darin, dass der Rotor aus zwei parallelen Rotor-Scheibensegmenten
besteht, welche durch Federkräfte so an die Gehäusewand gedrückt werden, dass sie
dort mit ihrer Fläche dichtend anliegen und eine Umströmung nicht möglich ist sowie
darin, dass die Abdichtung der zwischen den Rotor-Segmentscheiben entstehenden Fugen
durch Dichtleisten innerhalb der Fugen verschlossen werden und diese Dichtleisten
an die Dichtleisten, die an der Gehäuselaufbahn anliegen federnd so anschließen, dass
sich ein System durchgängiger ebener Dichtlinien ergibt, das keine Unterbrechungen
mehr aufweist.
[0011] Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abdichtung des Kolbens von Rotationskolbenmaschinen,
wobei der Rotationskolben aus zwei Rotorsegmenten besteht, ist dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Rotorsegment auf seiner Innenseite eine zur Kolbenmitte zentrische
Ringnute aufweist, in welche ein ringförmiger zentrischer Rezess, der auf der Innenseite
des zweiten Rotorsegments angeordnet ist, passend eingreift, und dass die beiden Rotorsegmente
mit diesen fest verbundene Dichtleisten aufweisen. Die Dichtleisten des ersten Rotorsegments
schließen an die Ringnute an und die Dichtleisten des zweiten Rotorsegments sind mit
dem Rezess verbunden. Neben den Dichtleisten in den Rotorsegmenten sind Entlastungs-Ausfräsungen
angeordnet.
[0012] Die Dichtleisten sind über einen Teil ihrer axialen Erstreckung auf halber Länge
und Breite zum Innern des Kolbens gerichtet abgestuft, so dass Überdeckungsflächen
entstehen, und sich die Dichtleisten beim Zusammenfügen der Rotorsegmente mit der
abgestuften Dichtleiste der jeweiligen Gegenseite, gegeneinander gesteckt, paarig
überlappen.
[0013] Die Dichtleisten und die beiden Rotorsegmente bestehen entweder aus demselben Material
oder aus einem anderen geeigneten fest eingefügten Material als die beiden Rotorsegmente.
[0014] Ein Vorteil der Erfindung ist es, dass die Rotorsegmente so ausgebildet sind, dass
sie an den radialen Spitzen feste Dichtleisten haben, die über die ganze Breite der
Rotorsegmente reichen. Die Dichtleisten erhalten eine weiche Elastizität in Umfangsrichtung
durch die peripheren Ausfräsungen im Kolbenmaterial neben ihnen, wodurch eine gegenüber
dem umgebenden Material geringere elastische Steifigkeit bewirkt wird. Durch die Andruckkraft
des Kolbens gegen die Gehäusewand wird eine elastische Biegung der Dichtleiste entgegen
der Bewegungsrichtung des Kolbens bei gleichzeitiger Abdichtung erreicht.
[0015] Die erfindungsgemäße Dichtleistenanordnung kann vor allem, aber nicht ausschließlich,
bei miniaturisierten Rotationskolbenmaschinen Anwendung finden.
Ausführung der Erfindung
[0016] Die Erfindung wird am Beispiel mit den Figuren 1, 2 und 3 beschrieben. Dazu zeigen
die Figuren 1 und 2 die beiden Rotorsegmente in verschiedenen Blickrichtungen und
Figur 3 den zusammengesetzten Kolben.
[0017] Es bedeuten in den Bildern:
1: Rotorsegment mit Ringnute 4,
2: Rotorsegment mit Rezess 3,
3: ringförmiger Rezess am Rotorsegment 2,
4: Ringnute am Rotorsegment 1,
5: mit dem Rotorsegment 1 verbundene Dichtleiste, teilweise auf halber Länge und Breite
abgestuft,
6: mit dem Rotorsegment 2 verbundene Dichtleiste, teilweise auf halber Länge und Breite
abgestuft,
7: Überdeckungsfläche der Dichtleisten 5 und 6,
8: Aufnahmebohrungen für die Spreizfedern 9,
9: Spreizfedern, die die Rotorsegmente 1 und 2 auseinander und gegen die Gehäuseseiten
(nicht dargestellt) drücken,
10. Ausfräsung.
[0018] Die Figuren 1 und 2 zeigen den geöffneten Kolben. Der Rotor der erfindungsgemäßen
Rotationskolbenmaschine, insbesondere einer Kreiskolbenmaschine besteht aus den Rotorsegmenten
1 und 2, die eine gegen die Mittelwelle wirkende Abdichtung haben, indem ein ringförmiger
Rezess 3 in eine Ringnute 4 eingepasst wird. Dazu hat das erste Rotorsegment 1 auf
der Seite, die dem zweiten Rotorsegment 2 zugewandt ist eine zur Kolbenmitte zentrische
Ringnute 4, in welche der auf dem Rotorsegment 2 befindliche ringförmige zentrische
Rezess 3 (Ringfeder) passend eingefügt ist. Beide Rotorsegmente 1 und 2 sind mit aus
dem gleichen Material oder einem anderen geeigneten fest eingefügten Material bestehenden
Dichtleisten 5 und 6 fest verbunden. Die Dichtleisten 5 und 6 sind über einen Teil
ihrer axialen Erstreckung auf halber Länge und Breite zum Innern des Kolbens gerichtet
durch eingefräste Überdeckungsflächen 7 abgestuft, so dass beim Zusammenfügen der
Rotorsegmente 1 und 2 das wechselseitige, paarige Ineinanderstecken der Dichtleisten
5 und 6 mit ihren Überdeckungsflächen 7 ermöglicht wird. (siehe Figur 3)
[0019] Die erforderliche Elastizität der Dichtleisten 5 und 6 zur radialen Abdichtung gegen
die Gehäuselaufbahn wird dadurch erreicht, dass in den Rotorsegmenten 1 und 2 neben
den Dichtleisten 5 und 6 in das umgebende Material der Rotorsegmente 1 und 2 Ausfräsungen
(so genannte Entlastungs-Ausrundungen) 10 in einer geeigneten geometrischen Form eingebracht
werden, die die Funktion einer Spannungsentlastung haben, wenn auf die Dichtleisten
5 und 6 in Umfangsrichtung des Rotors Reibungs- und Druckkräfte wirken, die eine entgegenfedernde
Wirkung der Dichtleisten 5 und 6 erfordern.
[0020] Wie in Figur 1 und 2 deutlich zu sehen, schließen die Dichtleisten 5 des ersten Rotorsegments
1 an die Ringnute 4 an und die Dichtleisten 6 des zweiten Rotorsegments 2 sind mit
dem Rezess 3 verbunden. Die Rotorsegmente 1 und 2 sind in gleicher Achsausrichtung
so zueinander gewandt, dass der Rezess 3 auf die Ringnute 4 gerichtet ist. Beim Einfügen
des Rotorsegments 1 in das Rotorsegment 2 fügen sich die Dichtleisten 5 und 6 mit
ihren Überdeckungsflächen 7 so ineinander, dass in radialer und axialer Richtung des
Rotors eine dynamische, im Bewegungsablauf des Rotors wirkende Dichtheit erreicht
wird.
[0021] In den Rotorsegmenten 1 und 2 sind zwischen Kolbenmitte und Ringnute 4 bzw. Rezess
3 Aufnahmebohrungen 8 für die Aufnahme von Federn 9 angeordnet. Durch die inneren
Federn 9 werden die Rotorsegmente 1 und 2 gegen die Stirnseiten des Gehäuses auseinander
gedrückt. Sie bilden somit einen Kolben, der sich selbsttätig von innen an die Gehäuseseiten
der Rotationskolbenmaschine anlegt und die Gasräume gegeneinander abdichtet.
[0022] Die Ausfräsungen 10 an den Außenseiten der Rotorsegmente 1 und 2 bewirken, dass die
Medienkräfte, die in den Trennfugen der Rotorsegmente 1 und 2 als nach den Stirnseiten
des Rotors hin wirkende Reibkräfte wirken, weitgehend durch von außen wirkende Medienkräfte
kompensiert werden.
1. Kolben von Rotationskolbenmaschinen umfassend eine Vorrichtung zur Abdichtung des
Kolbens,
wobei der Rotationskolben aus zwei Rotorsegmenten besteht, dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Rotorsegment (1) auf seiner Innenseite eine zur Kolbenmitte zentrische Ringnute
(4) aufweist, in welche ein ringförmiger zentrischer Rezess (3), der auf der Innenseite
des zweiten Rotorsegments (2) angeordnet ist, passend eingreift, und dass die beiden
Rotorsegmente (1, 2) mit diesen fest verbundene Dichtleisten (5, 6) aufweisen.
2. Kolben nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtleisten (5) des ersten Rotorsegments (1) an die Ringnute (4) anschließen
und die Dichtleisten (6) des zweiten Rotorsegments (2) mit dem Rezess (3) verbunden
sind.
3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass neben den Dichtleisten (5, 6) in den Rotorsegmenten (1, 2) Entlastungs-Ausfräsungen
(10) angeordnet sind.
4. Kolben nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtleisten (5, 6) über einen Teil ihrer axialen Erstreckung auf halber Länge
und Breite zum Innern des Kolbens gerichtet abgestuft sind, so dass Überdeckungsflächen
(7) entstehen, und sich die Dichtleisten (5, 6) beim Zusammenfügen der Rotorsegmente
(1, 2) mit der abgestuften Dichtleiste der jeweiligen Gegenseite, gegeneinander gesteckt,
paarig überlappen.
5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtleisten (5, 6) und die beiden Rotorsegmente (1, 2) aus demselben Material
bestehen.
6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtleisten (5, 6) aus einem anderen geeigneten, fest eingefügten Material als
die beiden Rotorsegmente (1, 2) bestehen.
1. Piston of rotary piston engines comprising an apparatus for sealing the piston, the
rotary piston consisting of two rotor segments, characterized in that,
on its inner side, the first rotor segment (1) has an annular groove (4) which is
centric with respect to the piston centre and into which an annular centric recess
(3) engages in a fitting manner, which recess (3) is arranged on the inner side of
the second rotor segment (2), and in that the two rotor segments (1, 2) have sealing strips (5, 6) which are connected fixedly
to them.
2. Piston according to Claim 1, characterized in that the sealing strips (5) of the first rotor segment (1) adjoin the annular groove (4),
and the sealing strips (6) of the second rotor segment (2) are connected to the recess
(3).
3. Piston according to Claim 1 or 2, characterized in that milled-out relief sections (10) are arranged next to the sealing strips (5, 6) in
the rotor segments (1, 2).
4. Piston according to Claim 1, 2 or 3, characterized in that the sealing strips (5, 6) are stepped over part of their axial extent to half the
length and width with respect to the interior of the piston, with the result that
overlap surfaces (7) are produced, and the sealing strips (5, 6) overlap in pairs,
such that they are plugged against one another, during the joining of the rotor segments
(1, 2) to the stepped sealing strip of the respective opposite side.
5. Piston according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the sealing strips (5, 6) and the two rotor segments (1, 2) consist of the same material.
6. Piston according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the sealing strips (5, 6) consist of a different suitable, fixedly inserted material
than the two rotor segments (1, 2).
1. Piston de machines à piston rotatif comprenant un dispositif pour l'étanchéification
du piston, dans lequel le piston rotatif se compose de deux segments de rotor, caractérisé en ce que le premier segment de rotor (1) présente sur son côté intérieur une rainure annulaire
(4) centrée par rapport au milieu du piston, dans laquelle s'engage de façon ajustée
un retrait centré annulaire (3), qui est disposé sur le côté intérieur du deuxième
segment de rotor (2), et en ce que les deux segments de rotor (1, 2) présentent des baguettes d'étanchéité (5, 6) solidement
assemblées à ceux-ci.
2. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que les baguettes d'étanchéité (5) du premier segment de rotor (1) se raccordent à la
rainure annulaire (4) et les baguettes d'étanchéité (6) du deuxième segment de rotor
(2) sont assemblées au retrait (3).
3. Piston selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que des fraisages de détente (10) sont disposés dans les segments de rotor (1, 2) à côté
des baguettes d'étanchéité (5, 6).
4. Piston selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les baguettes d'étanchéité (5, 6) sont étagées sur une partie de leur extension axiale
en étant orientées sur une demi-longueur et une demi-largeur vers l'intérieur du piston,
de telle manière qu'il apparaisse ainsi des faces de recouvrement (7) et que les baguettes
d'étanchéité (5, 6) se recouvrent par paires, engagées l'une dans l'autre, lors de
l'assemblage des segments de rotor (1, 2), avec la baguette d'étanchéité étagée du
côté opposé respectif.
5. Piston selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les baguettes d'étanchéité (5, 6) et les deux segments de rotor (1, 2) sont constitués
du même matériau.
6. Piston selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les baguettes d'étanchéité (5, 6) sont constituées d'un autre matériau approprié,
solidement inséré, que les deux segments de rotor (1, 2).