Flügelzellenpumpe oder -motor

Abstract

 Flügelzellenpumpe oder -motor mit in den Flügeln (4) eingearbeiteten Kanälen (7, 9), die wechselseitig zu den Fußräumen (3) freigegeben bzw. gesperrt werden. Beim Passieren der Trennstege zwischen Einlaß (11, 12) und Auslaß (13, 14) gelangt so der jeweils höhere Druck in dem betreffenden Fußraum (3), und nur dann wirkt der Flügel (4) als Differenzdruckkolben und wird an den Hubring (10) gedrängt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Flügelzellenpumpe oder -motor mit den Merkmalen a bis e des Anspruchs 1.

[0002] Bei derartigen Maschinen sind zu den Fußräumen der Flügel führende, kleinere, nierenförmige Ein- und Auslaßöffnungen vorgesehen, die mit der Saugkammer bzw. der Druckkammer verbunden sind. Im letzteren Fall wird auf die Flügel ein hydraulischer Druck ausgeübt, der im Übergangsbereich zwischen Saug- und Druckniere zu einer erhöhten Reibung des Flügelkopfes an dem Hubring führt, da der in seinem Schlitz geführte Flügel als Kolben wirkt. Nachteilig ist ferner, daß der Anpreßdruck schlagartig einsetzt, wenn der betreffende Fußraum mit der Druckkammer in Verbindung kommt. Dies kann zu Flügelhämmern führen. Bei der Bauart der Maschine als Pumpe kommt es bei dem eingeschlossenen Volumen eines sich verkleinernden Zellenraumes zu einem Druckanstieg, der zum Abheben des einem Niederdruckraum benachbarten Flügels von der Hubkurve fürhen kann, wodurch nicht nur Leckverluste entstehen, sondern auch das spätere erneute Aufsetzen des Flügelkopfes starkes Geräusch erzeugt.

[0003] Zur Bekämpfung dieser Nachteile ist es bereits bekannt (DE-AS 26 46 635), den Fußraum jedes Flügels mit einem durch den Rotor geführten zusätzlichen Verbindungskanal mit dem rückseitigen Flügelzellenraum zu verbinden und auf diese Weise gegebenenfalls mit Druck zu beaufschlagen, ferner auf der Vorderseite jedes Flügels eine absperrbare Nut zu schaffen, die zusammen mit einer Schlitzerweiterung und dem Fußraum einen abgegrenzten Raum bildet. Jeder Flügel hat dabei einen hakenartigen Vorsprung, der als Differenzdruckkolben wirkt, so daß die Anpreßdrücke der Flügel in bestimmter Weise gesteuert werden können.

[0004] Nachteilig ist dabei jedoch die relativ aufwendige Bauweise und der Umstand, daß die Anpressung der Flügel an die Hubkurve im Bereich zwischen Einlaß und Auslaß, also Niederdruck und Hochdruck, relativ spät einsetzt bzw. ein relativ großer Abstand zwischen nierenförmiger Einlaßöffnung und zugeordneter Auslaßöffnung verbleiben muß, um zu dem benötigten Druckaufbau zu gelangen.

[0005] Die Erfindung löst die Aufgabe, daß eine Flügelzellenpumpe oder -maschine mit den Merkmalen a) bis e) gerade die erforderliche Anpreßkraft der Flügel an den Hubring entwickelt, wobei eine hydraulische Unterstützung. gerade an den Stellen erfolgt, an welchen eine Abdichtung benötigt wird, während an anderen Stellen keine derartige zusätzliche hydraulische Anpreßkraft entwickelt wird. Auf diese Weise wird der mechanische Reibungsverlust der Maschine herabgesetzt.

[0006] Die Lösung der gestellten Aufgabe ergibt sich aus dem Hauptanspruch und wird durch die weiteren Ansprüche weiterentwickelt und ausgestaltet.

[0007] .Von besonderem Vorteil ist der allmähliche Anstieg des hydraulischen Anpreßdrucks der Flügel im Zwischenbereich zwischen Einlaß- und Auslaßöffnung, ohne daß es zu einem Abheben der Flügel und Leckverlusten infolge Rückströmung kommt. Ferner werden Flügelstöße gegen den Hubring vermieden und damit die Geräuschentwicklung herabgesetzt.

[0008] Zwei Ausführungsbeispiele werden anhand der Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch das Innere einer Flügelzellenpumpe für konstantes Fördervolumen,

Fi^g. 2 eine Ansicht auf die Vorderseite eines Flügels,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III der Fig. 2,

Fig. 4 eine Rückansicht des Flügels,

Fig. 5 einen Schnitt durch das Innere einer Flügelzellenpumpe für variablen Förderstrom,

Fig. 6 die Rückansicht eines Teilflügels,

Fig. 7 einen Schnitt entlang der Linie VII-VII in Fig. 6,

Fig. 8 eine Vorderansicht eines Teilflügels und

Fig. 9 einen Schnitt entlang der Linie IX-IX in Fig. 8.

[0009] In Fig. 1 ist das Innere einer Flügelzellenpumpe dargestellt, während das Gehäuse und der Antrieb fortgelassen worden sind.Die Flügelzellenpumpe enthält einen Rotor 1 mit darin angebrachten Schlitzen 2 und Fußräumen 3, die bei einer Stufe 3a ineinander übergehen. In den jeweiligen Schlitzen 2 sind einteilige Flügel 4 geführt, die einen Flügelkopf 5, einen Flügelfuß 6, ferner in Ma- schinendr.ehrichtung gesehen, einen nutenförmigen vorderseitigen Kanal 7 sowie einen nutenförmigen rückwärtigen Kanal 9 aufweisen. Der vorderseitige Kanal 7. beginnt mit einer Steuerkante 7a an der Flügelvorderseite und endigt an der Unterseite des Flügelfußes. Der rückwärtige Kanal 9 beginnt am Flügelkopf 5 und endet an einer Steuerkante 9a. Die Steuerkante 7a arbeitet mit der Oberfläche des Rotors 1 zusammen, um den Kanal 7 bei.etwa halbem Hub des Flügels zu öffnen oder zu schließen. Ungefähr gleich- zeitig kommt es zur Überdeckung der Steuerkanten 9a mit der Stufe 3a. Der Flügelkopf 5 ist asymmetrisch ausgebildet, d.h. mit einer abgerundeten Flügelspitze versehen, die zur Vorderseite hin versetzt angeordnet sein kann, so daß ungleich große Kopfflächen 5a, 5b zu beiden Seiten der Flügelspitze gebildet werden.

[0010] In der Zeichnung sind ferner die Innenkonturen eines Hubringes 10, zwei nierenförmige Einlaßöffnungen 11, 12 sowie zwei nierenförmige Auslaßöffnungen 13, 14 angedeutet, die jeweils zu einer nicht dargestellten Saugkammer bzw. Druckkammer führen. Zwischen dem Rotor 1 und dem Hubring 10 sind zwei sichelförmige Förderräume 15, 16 angeordnet, die durch die Flügel 4 in eine Mehrzahl von wandernden Zellenräumen unterteilt werden, die bei der eingezeichneten Drehrichtung des Rotors'1 sich in der Nähe der Einlaßöffnungen 11, 12 erweitern und in der Nähe der Auslaßöffnungen 13, 14 verengen.

[0011] Der Betrieb der Flügelzellenpumpe soll anhand der unterschiedlichen Stellungen α, β, γ, δ, ε der Flügel 4 erläutert werden.

[0012] In der Phase a verbindet der rückwärtige Kanal 9 den Fußraum 3 mit der Einlaßöffnung 11, so daß bei der Drehung des Rotors 1 .der betreffende Flügel 4 unter der Einwirkung der Fliehkraft der Hubkurve 10 folgen kann, wobei der sich ausdehnende Fußraum 3 über den Kanal 9 mit der nachströmenden Hydraulikflüssigkeit gefüllt wird. Noch im Bereich der Einlaßöffnung 11 nähern sichdie Steuerkante 9a der Stufe 3a und die Steuerkante 7a der Oberfläche des Rotors 1 an, so daß der Kanal 9 gesperrt und der Kanal 7 geöffnet werden. Der Fußraum 3 wird also weiterhin gefüllt.

[0013] In der Phase β hat der Flügel 4 den Bereich der Einlaßöffnung 11 verlassen und nähert sich der Auslaßöffnung 13 an, d.h. im Zellenraum 15_ß baut sich ein Druck auf, der über den Kanal 7 in den Fußraum 3. gelangt und den Flügel 4 hydraulisch gegen den Hubring 10 drängt. Der Flügel 4 wird dabei als Differenzdruckkolben wirksam, da die Flügelfußunterseite 6 und die Kopffläche 5a auf ansteigendem Druck liegen, während die Kopffläche 5b weiterhin mit dem niedrigen Druck der Einlaßseite verbunden bleibt. Die hydraulische Anpreßkraft des Flügels 4 errechnet sich aus der Differenz der Flächen 6 minus 5a, multipliziert mit der wachsenden Differenz der Drücke vor und hinter dem Flügel. Die Druckseite wird also von der Saugseite gut abgedichtet, und zwar umso besser, je höher die Differenz der Drücke ist.

[0014] Der im Zellenraum 13b erzeugte Druck hängt von der Ver- engung des Zellenraumes ab und kann Spitzenwerte erreichen, die über dem Druck im Auslaß 13 liegen.

[0015] In der Phase γ kann deshalb der auf der Kopffläche 5b liegende Differenzdruck überwiegen und den Flügel 4 rascher nach innen drängen als es der Hubkurve 10 entspricht. In einem solchen Fall hebt der Flügelkopf 5 ein wenig von der Hubkurvc 10 ab, wodurch der Zellenraum 15β entlastet wird. Wenn man dieses Abheben vermeiden will, kann man Entlastungsnuten 13a in den Seitendeckeln oder Druckplatten der Flügelzellenpumpe vorsehen, die in die Auslaßöffnung 13 einmünden.

[0016] Beim Passieren der nierenförmigen Auslaßöffnung 13 wird der Flügel 4 erneut umgeschaltet, d.h.der Kanal 7 wird geschlossen und der Kanal 9 geöffnet, wie in der Phase δ dargestellt. Beidseitig des Flügels herrscht der gleiche Druck.

[0017] Wenn sich der Flügel 4 der zweiten Einlaßöffnung 12 annähert, wie in der Phase e dargestellt, gelangt die Kopffläche 5a auf niedrigen Druck, während die Differenzfläche 6 minus Sb auf höherem Druck verbleibt, so daß der Flügel an-die Hubkurve 10 hydraulisch angepreßt wird. Die Abdichtung zwischen dem Druckbereich 13 und dem Saugbereich 12 ist somit gut.

[0018] Der Flügel bewegt sich weiter in die Lage α', welche der Phase α entspricht und deshalb nicht weiter erläutert werden muß.

[0019] Die in Fig. 5 schematisch angedeutete Flügelzellenpumpe ist für einen variablen Förderstrom eingerichtet. In einem Gehäuse 20 sind ein Rotor 21 und ein verschieblicher Hubring 30 untergebracht. Der Rotor 21 enthält Schlitze 22 und Fußräume 23 sowie aus Teilflügeln 24a und 24b zusammengesetzte Flügel. Die Teilflügel 24a, 24b besitzen je einen asymmetrisch ausgebildeten Kopf, deren außenliegende Kopfflächen mit 25a bzw. 25b bezeichnet sind, zwischen denen sich ein Kopfraum 25c erstreckt. Ferner ist je ein Flügelfuß 26a und 26b vorgesehen. Der Gesamtflügel besitzt einen vorderseitigen Kanal 27, 28 und einen rückwärtigen Kanal 29. Der vorderseitige Kanal wird durch eine zwischen Fußraum 23 und Kopfraum durchgehende Nut 27 und eine Steuerbohrung 28 gebildet, die bei Halbem Flügelhub sich quer durch den Teilflügel 24a erstreckt. Der rückwärtige Kanal 29 wird durch eine Nut im Teilflügel 24b gebildet und weist eine Steuerkante 29a auf.

[0020] Der Hubring 30 weist eine kreiszylinderförmige Innenkontur auf, so daß zur ebenfalls kreiszylindrischen Außenkontur des Rotors 21 ein sichelförmiger Förderraum 35 gebildet ist, der durch die Flügel in eine Mehrzahl von Zellenräumen unterteilt ist, die zwischen einer nierenförmigen Einlaßöffnung 31 und einer ebenfalls nierenförmigen Auslaßöffnung 33 wandern und sich dabei erweitern bzw. verengen. Die Exzentrizität des Hubrings 30 kann mittels zweier Kolben 36, 37 eingestellt werden, wobei der kleinere Kolben 36 ständig an Pumpendruck angeschlossen ist, während der Zylinderraum 38 des größeren Kolbens 37, der gegebenenfalls noch mit einer Feder 39 belastet ist, über ein Ventil 40 gesteuert wird. Das Ventil 40 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Druckwaage ausgebildet, d.h. es ist ein Schieberkolben 41 vorgesehen, der einerseits dem Pumpendruck und andererseits dem Druck einer einstellbaren Feder 42 ausgesetzt ist. Bei niedrigem Pumpendruck erhält der Zylinder 38 Hydraulikflüssigkeit über eine Drossel 43, während bei zu hohem Druck der Zylinderraum 38 über das Ventil 40 mit einer Tankleitung 44 verbunden ist. Mit der dargestellten Schaltung wird ein bestimmter Pumpendruck eingeregelt, wobei die Fördermenge entsprechend der Exzentrizität des Hubrings 30 zwischen einer minimalen und maximalen Fördermenge schwankt. Es versteht sich, daß die Pumpe auch nach anderen Kriterien geregelt werden kann.

[0021] Der Betrieb der Flügelzellenpumpe wird anhand der Flügelstellungen a bis x erläutert:

In der Phase a am Trennsteg zwischen Auslaßöffnung 33 und Einlaßöffnung 31 ist der Fußraum 23 über den Kanal 29 mit dem rückwärtigen Zellenraum verbunden, während der.Kanal 27, 28 gesperrt ist. Die an dem Flügel angrenzenden Zellenräume - auf der einen Seite Hochdruck und auf der anderen Seite Niedrigdruck - sind somit gegeneinander abgedichtet. Dabei wird die Flügelfußunterseite 26a, 26b, die äußere Flügelkopffläche 25b und der Flügelzwischenraum 25c vom Druck beaufschlagt, die äußere Flügelkopffläche 25a liegt jedoch auf niedrigem Druck, so daß der Teilflügel 24a mit einer geringen hydraulischen Kraft an den Hubring 30 angepreßt wird.

[0022] Durch Wahl der Asymmetrie des Teilflügels 24a kann die . Größe dieses hydraulisch erzeugten Anpreßdrucks bestimmt werden, um den sich widerstreitenden Forderungen nach guter Abdichtung und geringem Reibverlust zu genügen.

[0023] In der Phase β hat der Flügel den gleichen Schaltzustand wie in Phase a , über die Einlaßöffnung 31 sind jedoch die beiden Flügelseiten miteinander verbunden. Es findet somit keine hydraulische Anpressung des Flügels statt. Das gleiche gilt hinsichtlich der Phase γ.

[0024] In der Phase δ - etwa in Bogenmitte des Einlasses 31 - findet der Umschaltvorgang zwischen dem Kanal 27, 28 und dem Kanal 29 statt, d.h. die Steuerkante 29a tritt .in den Führungsschlitz 22 ein, während die Steuerbohrung 28 aus dem Umriß des Rotors 21 auftaucht und über die mittig angeordnete Nut 27 die Verbindung zum Fußraum 23 herstellt.

[0025] In der Phase ε verläßt der Flügel den Bereich der nierenförmigen Einlaßöffnung 31.

[0026] In der Phase t - am Trennsteg zwischen Einlaß 31 und Auslaß 33 - empfängt der Fußraum 23 über den Kanal 27, 28 wachsenden hydraulischen Druck von dem vorderseitigen Zellenraum, so daß die Flächen 25a, 25c, 26a, 26b auf Hochdruck kommen, während die äußere Flügelkopffläche 25b auf niedrigem Druck verbleibt und der Teilflügel 24b somit hydraulisch an die Hubkurve 30 angepreßt wird. Die dem Flügel benachbarten Zellenräume, welche auf unterschiedlichem Druck sind, werden somit gut voneinander abgedichtet.

[0027] In der Phase _n tritt der Flügel in den Bereich der Auslaßöffnung 33 ein, so daß beide Flügelseiten auf hohem Druck sind und keine hydraulische Anpressung des Flügels mehr erfolgt. Das gleiche gilt während der Phasen e und L, zwischen denen die Umschaltung der Kanäle 27, 28 auf 29 stattfindet. Wie ersichtlich, wird die Steuerbohrung 28 gesperrt und der Kanal 29 freigegeben. Dies erfolgt etwa zur gleichen Zeit; es kann aber auch eine geringe positive oder negative Öffnungsüberdeckung eingehalten werden, d.h. ein Zustand, in welchem beide Kanäle 27, 28 und 29 offen oder gesperrt sind. Die positive Öffnungsüberdeckung wird bevorzugt, da alsdann im Fußraum 23 kein Druckimpuls entsteht.

[0028] In den Phasen x und λ wandert der Flügel weiter in den Fußraum 23 hinein, ohne-daß sich Wesentliches gegenüber dem Zustand in der Phase Händert.

[0029] Die Ausführungsform des Flügels mit den beiden Teilflügeln 24a und 24b hat den besonderen Vorzug der guten Anschmiegbarkeit an die Hubkurve 30 sowie die Ausbildung zweier Abdichtbereiche an jedem Flügel. Ein so ausgebildeter Flügel kann auch in der Ausführungsform der Pumpe nach Fig. 1 angewendet werden. Der an sich einfachere Flügel 4 kann aber auch bei der variablen Pumpe nach Fig. 5 verwendet werden. Beiden Bauarten gemeinsam ist im übrigen der Fortfall der zusätzlichen Einlaß- und Auslaßniere zum Fußraum 23, die bei bekannten, marktgängigen Pumpenkonstruktionen vorgesehen sein müssen. Durch dieses Weglassen wird nicht nur an Herstellungskosten gespart, sondern es wird außerdem noch die Größe des Leckstroms vermindert, da wegen der engen Nachbarschaft der zusätzlichen Ein- und Auslaßniere zu den Fußräumen sich relativ starke Pumpenverluste ergeben. Bei der Erfindung werden die Fußräume 23 über die Kanäle 7 und 8 bzw. 27, 28, 29 an die sonstigen Hydraulikräume angeschlossen, ohne daß es zu diesen Leckströmungsverlusten kommt.

[0030] Bei dem zusammengesetzten Flügel berühren die Teilflügel 24a, 24b einander und sind einerseits gegeneinander verschieblich, andererseits sorgt der Schmierfilm in der Trennfläche für eine gewisse Schleppwirkung zwischen den Teilflügeln.

Ansprüche

1) Flügelzellenpumpe oder -motor, der ih einem Gehäuse folgende Bauteile enthält:

a) einen Rotor (1; 21) mit darin angebrachten Schlitzen (2; 22) und Fußräumen (3; 23),

b) Flügel (4; 24a, 24b), die in dem jeweiligen Schlitz (2; 22) geführt sind und einen Flügelkopf (5; 25a, 25b) sowie einen Flügelfuß (6; 26a, 26b) aufweisen,

c) einen Hubring (10; 30) zum radialen Antrieb der Flügel und zur Bildung - zum Rotor hin - von mindestens einem sichelförmigen Förderraum (15, 16; 35), der durch die Flügel (4; 24a, 24b) in eine Mehrzahl von Zellenräumen unterteilt ist,

d) mindestens eine Einlaßöffnung (11, 12; 31), die mit _dem sich erweiternden sichelförmigen Förderraum (15, 16; 35) und den winkelmäßig zugeordneten Fußräumen (3; 23) in Verbindung steht und

e) mindestens eine Auslaßöffnung (13, 14; 33), die mit dem sich verengenden Förderraum (15, 16; 35) und den winkelmäßig zugeordneten Fußräumen (3; 23) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet ,
daß der Flügel (4; 24a, 24b)

f) einen vorderseitig mündenden Kanal (7; 27, 28), der an der Flügelvorderseite an einer Steuerkante oder -bohrung (7a; 28) beginnt und an der Flügelunterseite (6; 26a) endigt, sowie

g) einen rückwärtigen Kanal (9; 29) aufweist, der am Flügelkopf (5; 25b) beginnt und an einer Steuerkante (9a; 29ä) in der Nähe des Flügelfußes (6; 26b) endet, und daß

h) die Steuerkanten oder -bohrungen (7a, 9a; 28, 29a) in Abhängigkeit.von der Lage des Flügels (4; 24a, 24b) die Kanäle (7, 9; 27, 28, 29) wechselweise freigeben bzw. sperren.

2) Flügelzellenpumpe oder -motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel (4) einteilig ist, einen Flügelkopf (5) mit einer abgerundeten Flügelspitze besitzt und die.Kanäle (7, 9) sich als Nuten an den Flügelflächen erstrecken.

3) Flügelzellenpumpe oder-motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel zweiteilig (24a, 24b) sind, jeder Teilflügel (24a, 24b) je einen Kopf (25a, 25b) besitzt, zwischen welchem und dem Hubring (30) sich jeweils ein Kopfraum (25c) erstreckt, der über einen mittigen Kanal (27) mit dem jeweiligen Fußraum (23) verbunden ist.

4) Flügelzellenpumpe oder -motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vorderseitig mündende Kanal (27, 28) teilweise als Steuerbohrung (28) zu dem mittigen Kanal (27) ausgebildet ist.

5) Flügelzellenpumpe oder -motor nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf (5; 25a, 25b) jedes Flügels (4) bzw. Teilflügels (24a, 24b) randständig asymmetrisch ausgebildet ist.

6) Flügelzellenpumpe oder -motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkante oder Bohrung (7a; 28) des vorderseitig mündenden Kanals (7; 27, 28) an einer Stelle des Flügels (4; 24a, 24b) angebracht ist, welche die Oberfläche des Rotors (1) kreuzt, wenn der Flügel sich an der Einlaß- und Auslaßöffnung (11, 12, 13, 14; 31, 33) vorbeibewegt.

7) Flügelzellenpumpe oder -motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die.Steuerkante oder -bohrung (7a; 28) bei etwa halbem Hub des Flügels (4; 24a, 24b) zu der Oberfläche des Rotors (1) fluchtet.

8) Flügelzellenpumpe oder -motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkante (9a; 29a) des rückwärtigen Kanals (9; 29) an einer Stelle in der Nähe des Flügelfußes (6; 26) angebracht ist, welche eine Stufe ( 3a, 23a) zwischen Fußraum (3.; 23) und Schlitz (2; 22) kreuzt, wenn der Flügel sich an der Einlaß- oder Auslaßöffnung (11, 12, 13, 14; 31, 33) vorbeibewegt.

9) Flügelzellenpumpe oder -motor nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß bei der Freigabe und Sperrung der Kanäle (7, 9; 27, 28, 29) eine Öffnungsüberdeckung eingehalten ist.

10) Flügelzellenpumpe oder -motor nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Fußräume (3; 23) allein über die Kanäle (7, 9; 27, 28, 29) mit den Saugbereichen (11, 12; 31) und Druckbereichen (13, 14; 33) der Maschine verbunden sind.

Zeichnung