Innenachsige Drehkolbenmaschine

Abstract

 Die Eingriffsteile (2b) des Aussenläufers einer Drehkolben­maschine sind durch Spannschrauben (31,32) verstärkt, die sich im spitzen Winkel parallel zur Längsachse dieser Ein­griffsteile (2b) seitlich nach aussen zu den Seitenteilen (17,18) des Aussenläufers hin erstrecken. Die damit verhin­derte Ausbiegung der Eingriffsteile (2b) aufgrund von Zen­trifugalkräften ermöglicht hohe Drehgeschwindigkeiten bei engen Dichtspalten zwischen dem Aussen- und Innenläufer und gegenüber dem Maschinengehäuse (1).

Beschreibung

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

[0002] Innenachsige Drehkolbenmaschinen haben neben dem Vorteil der Rotation ihrer Läufer um feststehende Achsen den weite­ren Vorteil, dass der Aussenläufer die Ein- und Auslasskanä­le der Maschine ventilartig absteuern kann, indem seine Um­fangsflächen sich in dichtspaltbildendem geringem Abstand an der Gehäusseinnenfläche entlang bewegen. Dabei sind ver­hältnismässig grosse Durchströmungsquerschnitte möglich. Entsprechend sind solche Maschinen an sich für sehr hohe Drehgeschwindigkeiten von z.B. 40 000 bis 50 000 U/min ge­eignet, jedoch lassen bekannte Konstruktionen aufgrund der dabei auftretenden Durchbiegung der Eingriffsteile des Au­ssenläufers nur eine axial kurze Bauweise der Maschine und Formveränderungen berücksichtigende grosse Dichtspalte zu, um ein Anlaufen des Aussenläufers an der Gehäuseinnenfläche zu verhindern. Die Durchsatzmenge der bekannten Maschinen ist entsprechend gering, und grosse bzw. breite Dichtspalte führen zu einem schlechten Wirkungsgrad. Zusätzlich wirken sich auch Formveränderungen aufgrund von Wärmedehnungen nach­teilig aus, da auch diese durch ausreichend breite Dicht­spalte berücksichtigt werden müssen.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die ganannten Nachteile zu vermeiden und eine Drehkolbenmaschine zu fin­den, die bei hohem Durchsatzvolumen und kompakter Bauweise hohe Drehgeschwindigkeiten bei engen Dichtspalten und damit einen verbesserten Wirkungsgrad ermöglicht. Die Lösung die­ser Aufgabe erfolgt aufgrund der Merkmale des kennzeichnen­den Teils des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestal­tungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung von zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen zu entneh­men und bilden Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

[0004] Es zeigen:

Fig.1 und 2 einen Axial- und Radialschnitt durch ein Aus­führungsbeispiel einer erfindungsgemässen innenachsigen Drehkolbenmaschine,

Fig.3 einen axialen Teilquerschnitt durch eine zwei­te Ausführungsform eines Aussenläufers einer erfindungsgemässen Drehkolbenmaschine,

Fig.4 einen Radialschnitt durch ein Eingriffsteil des Aussenläufers nach Fig.3 entlang der Linie IV-IV der Fig.3,

Fig.5 einen axialen Teilquerschnitt durch den Aussen­läufer einer dritten Ausführungsform einer er­findungsgemässen Drehkolbenmaschine,

Fig.6 einen Radialquerschnitt durch ein Eingriffs­teil des Aussenläufers nach Fig.5 und

Fig.7 eine axialen Teilquerschnitt durch den Aussen­läufer einer vierten Ausführungsform einer er­findungsgemässen Drehkolbenmaschine.

[0005] In Fig.1 und 2 ist ein Typ einer innenachsigen Drehkolben­maschine dargestellt, der in der nicht vorveröffentlichten DE-A- 3 432 915 des gleichen Anmelders näher beschrieben ist. Andere Ausführungsformen sind in der Literatur viel­fach beschrieben. Der prinzipielle Aufbau und andere Aus­führungsformen lassen sich beispielsweise dem Buch "Eintei­lung der Rotationskolbenmaschinen" (1963, Deutsche Verlags-­Anstalt GmbH Stuttgart) bzw. "Rotary Piston Machines" (Lon­don, Iliffe, 1965) entnehmen.

[0006] Die dargestellte Maschine hat ein Drehzahlverhältnis zwi­schen dem Aussenläufer 2 und dem Innenläufer 3 von 2:3, so dass am Aussenläufer drei Eingriffsteile 2a,2b,2c und am Innenläufer zwei Eingriffsteile 3a,3b vorgesehen sind. Das Maschinengehäuse 1 hat an seinem Umfang einen Einlasskanal 4 und einen Auslasskanal 5, die durch den dichtspaltnahen Vorbeilauf der äusseren Umfangsfläche 7 der Eingriffsteile 2a,2b,2c entlang einesTeiles 8 der Gehäuseinnenfläche ge­geneinander abgedichtet sind. Dabei ist es erforderlich, dass der sich entlang dieses Flächenteiles 8 des Gehäuses 1 erstreckende Dichtspalt in Umfangsrichtung länger ist als ein Eingriffsraum bzw. Arbeitsraum 9 zwischen den Eingriffs­teilen 2a,2b,2c. Der Wirkungsgrad der Maschine ist stark be­einflusst von der Qualität der Abdichtung entlang dieses Flächenteiles 8 des Gehäuses, so dass ein möglichst enger Dichtspalt dort und selbstverständlich auch zwischen beiden Läufern 2,3 anzustreben ist. Wie sich aus der folgenden Be­schreibung ergibt, lässt sich aufgrund der Erfindung dieser Dichtspalt ohne Vergrösserungder Reibungsverluste an diesem Flächenteil 8 und zwischen den Läufern 2,3 wesentlich enger ausführen.

[0007] Die Lagerung der Läufer 2,3 erfolgt durch Wälzlager 10,11, die sich an Seitenplatten 12,13 des Gehäuses 1 abstützen. Aufgrund des Abstandes a zwischen den geometrischen Achsen 14,15 hat das innere Wälzlager 11 des Innenläufers 3 eine radial versetzte Position innerhalb des umschliessenden äu­sseren Wälzlagers 10 des Aussenläufers 2. Für die Lagerung des Aussenläufers 2 sind an dessen Seitenteilen 17,18 Naben 19,20 angeformt, die die Wälzlager 10 einschliessen. Ausser­dem bildet ein Teil einer dieser Naben 20 ein Hohlzahnrad 21, mit dem ein Stirnzahnrad 22 kämmt, das auf die Welle 23 des Innenläufers 3 aufgesetzt ist.

[0008] Die Seitenteile 17,18 des Aussenläufers 2 verbinden dessen drei Eingriffsteile 2a,2b,2c miteinander und dichten dabei zusammen mit je einem mit den Gehäuseseitenplatten 12,13 fest verbundenen Dichtkörper 25,26 die Arbeitsräume 9 der Maschine in axialer Richtung ab. Entsprechend haben diese Seitenteile 17,18 des Aussenläufers 2 die Form von Kreis­ringen, die radial aussen und radial innen je eine Radial­ dichtung 27,28 aufweisen. Die Seitenteile 17,18 des Aussen­läufers können mit den Eingriffsteilen 2a,2b,2c in einem Stück gegossen sein oder auch nachträglich mit diesen z.B. durch Schrauben oder andere Verbindungsmittel verbunden sein.

[0009] Wie der Querschnittsdarstellung der Maschine in Fig.1 und den Axialschnitten eines Teiles des Aussenläufers 2 gemäss den Fig. 3,5 und 7 am besten zu entnehmen ist, erstrecken sich gemäss der Erfindung strang- oder stabartige langge­streckte Verstärkungsteile 31,32; 33 bis 36; 37,38; 39 vom axial mittleren Bereich 40 jedes Eingriffsteils 2a,2b,2c des Aussenläufers schräg nach aussen in Richtung zu den axialen Enden des Aussenläufers 2 bzw. zu dessen Seitenteilen 17,18 hin, so dass sie die Ausbiegung der Eingriffsteile 2a,2b,2c aufgrund von Zentrifugalkräften stark verringern.

[0010] Entsprechend den Ausführungsbeispielen der Fig.1 bis 4 be­stehen die Verstärkungsteile 31,32 bzw. 33 bis 36 aus Spann­schrauben, die sich durch schräg gerichtete Bohrungen 37,38 erstrecken, die bis in die Seitenteile 17,18 hinein verlau­fen. Dabei ist der Schraubenkopf 39 am Eingriffsteil 2a,2b,­2c verankert und die zur Schraube gehörende Mutter 41 am Seitenteil 17,18 oder umgekehrt. Die Spannschrauben 31,32 bzw. 33 bis 36 bestehen aus hochfestem Stahl und stehen un­ter wesentlicher Vorspannung, indem die Schraubenmuttern 40 mit entsprechendem Drehmoment angezogen sind. Der Elastizi­tätsmodul der Spannschrauben ist hierfür wesentlich höher als derjenige des Materials der Eingriffsteile 2a,2b,2c. Die Zentrifugalkraft ist bestrebt, die Eingriffsteile in ihrem mittleren Bereich 40 radial nach aussen zu biegen, während die Spannschrauben durch ihren Verlauf von diesem Bereich aus schräg radial nach innen zu den Seitenteilen hin,dieser Ausbiegung entgegen wirken. Wie das Ausführungs­beispiel nach Fig.3 und 4 zeigt, können auch jeweils zwei radial übereinander angeordnete Spannschrauben 33,34;35,36 vorgesehen sein anstatt nur jeweils einer in symmetrischer Anordnung entsprechend Fig.1. Diese Spannschraubenpaare 33,34;35,36 sind dabei in einem Mittelsteg 43 der zur Ge­wichtsverringerung als Hohlkörper ausgeführten Eingriffs­teile 2a,2b,2c vorgesehen.

[0011] Als zusätzliche Ausführungsvariante zeigt Fig.3 die Anord­nung von auf den mittleren Bereich der Spannschrauben 33,34;­35,36 aufgeschraubten oder andersartig dort befestigten Ge­wichten 44, die unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft die Spannschrauben ausbiegen und somit deren Zugspannung in Ab­hängigkeit von der Drehgeschwindigkeit erhöhen.

[0012] Die Spannschrauben 31,32;33 bis 36 können weiterhin aus ei­nem Material mit geringerer Wärmedehnung bestehen als das umgebende Material der Eingriffsteile 2a,2b,2c, so dass sie auch Wärmedehnungen der Eingriffsteile verbessert entgegen wirken.

[0013] Beim Ausführungsbeispiel nach Fig.5 und 6 sind anstelle von Spannschrauben als Verstärkungsteile Druckstäbe 37,38 vor­gesehen, die in das Material der Eingriffsteile 2a,2b,2c im Giessverfahren eingeschlossen sind. Sie haben ebenfalls einen wesentlich höheren Elastizitätsmodul, werden jedoch aufgrund ihrer schräg von radial aussen nach innen zum mitt­leren Bereich 40 hin gerichteten Anordnung auf Druck und Biegung beansprucht, indem sie die Eingriffsteile gewölbe­artig verstärken. Um einer stärkeren Ausbiegung der Ein­griffsteile 2a,2b,2c unter dem Einfluss der Zentrifugal­kraft bei Erwärmung entgegenzuwirken, haben diese Druck­stäbe 37,38 eine höhere Wärmedehnung als das umgebende Ma­terial der Eingriffsteile 2a,2b,2c.

[0014] Auch beim Ausführungsbeispiel nach Fig.7 ist das Verstär­kungsteil 39 in dem Material des jeweiligen Eingriffsteils 2a,2b,2c vollständig im Verbund eingeschlossen. Es besteht aus einem bogenförmig radial über den mittleren Bereich 40 des Eingriffsteiles 2a,2b,2c sich erstreckenden Strang, z.B. aus mehrfaserigem Stahldraht oder anderem mehrfaserigem Strangmaterial mit wesentlich höherem Elastizitätsmodul als derjenige des umgebenden Materials. Aufgrund der nach aussen gerichteten Bogenform wird das Verstärkungsteil 39 auf Zug beabsprucht. Dabei werden die Zugkräfte auf seitlich im Ein­griffsteil 2a,2b,2c eingeschlossene Ringe 46,47 übertragen, mit denen die Enden 48,49 des bogenförmigen Verstärkungs­teils 39 verschweisst sind.

[0015] Beim Ausführungsbeispiel nach Fig.7 sind die Eingriffsteile 2a,2b,2c in einem Stück mit den Seitenteilen 17,18 des Au­ssenläufers 2 verbunden und schliessen in sich die Ringe 46,­47 ein, an denen die Verstärkungsteile 39 jeweils befestigt sind. An diese Seitenteile werden nachträglich ringförmige Nabenteile befestigt, die auch in die Aussparungen 50,51 eingreifen. Dieser Aussenläufer kann beispielsweise anstatt aus Metall auch aus Kunststoff bzw. einer Kunststoffpress­masse hergestellt sein. Auch für die Verstärkungsteile kön­nen entsprechend den Festigkeitsanforderungen oder aus fer­tigungstechnischen Gründen verschiedene Materialien gewählt werden.

[0016] Aufgrund der im vorangehenden beschriebenen erfindungsgemä­ssen Massnahmen treten an den Eingriffsteilen 2a,2b,2c des Aussenläufers 2 auch bei hohen Drehgeschwindigkeiten keine wesentlichen Ausbiegungen auf, so dass engere Dichtspalte zwischen den äusseren Umfangsflächen 7 der Eingriffsteile und der Gehäuseinnenfläche 8 gewählt werden können und sich folglich ein verbesserter Wirkungsgrad der Maschine ergibt. Die Vermeidung einer Ausbiegung dieser Eingriffsteile ge­währleistet auch zwischen ihnen und dem Innenläufer 3 eine bessere Abdichtung aufgrund unveränderlicher Dichtspaltwei­ten.

Ansprüche

1. Innenachsige Drehkolbenmaschine mit einem Aussenläufer (2) und einem Innenläufer (3), die von einem gemeinsamen, an seinem Umfang einen Ein- und Auslasskanal (4,5) aufwei­senden Gehäuse (1) umschlossen sind, wobei die Läufer (2,3) durch ihren gegenseitigen Eingriff Arbeitsräume (9) mit ver­änderlichen Volumen bilden, die durch spaltbildendes Abwäl­zen und/oder Gleiten von Flächenbereichen der Läufer (2,3) aneinander und an Gehäuseflächen (8) abgedichtet sind und wobei die Eingriffsteile (2a,2b,2c) des Aussenläufers (2) sich achsparallel zwischen Läuferseitenteilen (17,18) er­strecken, über die der Aussenläufer (2) mittels die Welle (23) des Innenläufers (3) umschliessende Lager (10) gela­gert ist, dadurch gekennzeichnet, dass in den Eingriffstei­len (2a,2b,2c) des Aussenläufers (2) mindestens ein lang­gestrecktes Verstärkungsteil (31,32;33-36;37,38;39) einge­schlossen ist, das sich vom axial mittleren Bereich (40) der Eingriffsteile (2a,2b,2c) im spitzen Winkel zur Längs­achse der Eingriffsteile in Richtung zu den Läuferseiten­teilen (17,18) erstreckt.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Verstärkungsteile (31,32;33,34;35,36;­37,38) in paarweiser symmetrischer Anordnung sich im stum­pfen Winkel voneinander weg vom mittleren Bereich (40) der Eingriffsteile (2a,2b,2c) zu den Läuferseitenteilen (17,18) erstrecken.

3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsteile (31,32;33-36) unter Vorspannung ste­hen und mit einem Ende (39) im mittleren Bereich eines Ein­griffsteils (2a,2b,2c) und mit dem anderen Ende (41) an ei­nem Läuferseitenteil (17,18) verankert sind, wobei die Ver­ankerung am Läuferseitenteil (17,18) näher zur Achse (14) des Aussenläufers (2) angeordnet ist als die Verankerung im mittleren Bereich (40).

4. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsteile (31,32;33-36) Spannschrauben sind, die sich durch Bohrungen (37,38) der Eingriffsteile (2a,2b,2c) erstrecken.

5. Maschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass an den Verstärkungsteilen (33-36) in deren mittleren Bereich jeweils ein Gewicht (44) befestigt ist, wobei eine das Verstärkungsteil und das Gewicht umschliessende Aufnah­mebohrung (37,38) einen Durchmesser hat, der grösser ist als derjenige des Gewichts (44), so dass das Verstärkungsteil durch Zentrifugalkräfte ausbiegbar ist.

6. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsteil (39) oder die Verstärkungsteile (37,38) in dem jeweiligen Eingriffsteil (2a,2b,2c) des Au­ssenläufers (2) eingegossen sind, so dass sie mit dem Mate­rial des Eingriffsteils einen Verbund bilden.

7. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsteile (37,38) Druckstäbe sind, deren radial inneres Ende im axial mittleren Bereich (40) des Eingriffs­teils (2a,2b,2c) angeordnet ist und die sich schräg radial nach aussen zu den Seitenteilen (17,18) des Aussenläufers (2) hin erstrecken.

8. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Verstärkungsteil (39) bogenförmig radial nach au­ssen gekrümmt durch das Eingriffsteil (2a,2b,2c) von einem Seitenteil (17) zum anderen Seitenteil (18) des Aussenläu­fers (2) erstreckt.

9. Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in den Seitenteilen (17,18) des Aussenläufers (2) je ein Ring (46,48) eingeschlossen ist, an dem jeweils ein Ende des bogenförmigen Verstärkungsteiles (39) befestigt ist.

10. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­kennzeichnet, dass mehrere Verstärkungsteile (31,32;33-36;­37,38;39) in radialer Richtung nebeneinander in den Ein­griffsteilen (2a,2b,2c) des Aussenläufers (2) vorgesehen sind.

11. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­kennzeichnet, dass die Verstärkungsteile (31,32;33-36;37,­38;39) einen höheren Elastizitätsmodul aufweisen als das umgebende Material der Eingriffsteile (2a,2b,2c).

12. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge­kennzeichnet, dass die Verstärkungsteile (31,32;33-36;37,­38;39) einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufwei­sen als das Material der Eingriffsteile (2a,2b,2c), so dass sie bei Erwärmung bestrebt sind, das jeweilige Eingriffs­teil radial nach innen zu biegen.

13. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge­kennzeichnet, dass die Seitenteile (17,18) des Aussenläu­fers (2) durch die Verstärkungsteile (31.32;33-36) mit den Eingriffsteilen (2a,2b,2c) verbunden sind.

14. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge­kennzeichnet, dass die Eingriffsteile (2a,2b,2c) als Hohl­körper ausgeführt sind, wobei sich die Verstärkungsteile (33-36;37,38) durch einen Mittelsteg (43) der Eingriffs­teile erstrecken.

Zeichnung