DD139885A5 - Mehrzweck-stroemungseinrichtung - Google Patents

Description

Mehrzjseckatrömungseinrichtung mit axialem Durchfluß

Anwendun^e^ebiet der Erfindung::.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mehrzweckströmungseinrichtung mit axialem Durchfluß, die nach dem Prinzip der Volumenverdrängung betrieben und als Kraftmaschine, Arbeitsmaschine oder als Strömungsmeßgerät eingesetzt werden kann«

Charakteristik der bekannten technischen Lösungent

Strömungseinrichtungen der eingangs genannten Art sind bereits bekannt«

Die nach dem Prinzip der Volumenverdrängung arbeitenden Maschinen besitzen einen verhältnismäßig hohen Reibungsverlust, wobei die durchströmenden Medien zur Y/irbe!bildung neigen und zu einer Richtungsänderung und

zu einer Beschleunigung gezwungen werden. Eine genaue Abgrenzung des Volumens ist komplizierte Für die Volumetrie können die Einrichtungen nur unter Einräumung von Kompromissen eingesetzt werden. Die nach dem Strömungsprinzip arbeitenden Einrichtungen können nur unter bestimmten Betriebsverhältnissen wirtschaftlich betrieben werden. Ihr Y/irkungsgrad ist von der Strömungsgeschwindigkeit bzwo von der Drehzahl abhängig·

Alle bekannten Einrichtungen, die nach dem Prinzip der Volumenverdrängung oder auf der Grundlage der Strömungstechnik arbeiten sind daher mit bedeutenden mechanischen, hydraulischen und volumetrischen Verlusten behaftet.

Ziel der Erfindung:

Durch die Erfindung werden die vorstehend genannten Nachteile beseitigt und eine Einrichtung zur Umwandlung der kinetischen und potentiellen Energie von strömenden Gasen und Flüssigkeiten in mechanische Arbeit und umgekehrt vorgeschlagen» die einen hohen \7irkungsgrad besitzt.

Infolge des statischen und dynamischen Ausgleichs der sich drehenden Bestandteile und der Einhaltung eines konstanten Volumens ist bei der vorgeschlagenen Einrichtung die Drehzahl bzw. die Winkelgeschwindigkeit der sich drehenden Bauteile zur Geschwindigkeit des strömenden Mediums immer proportional. Die Einrichtung ist daher für hochgenaue Messungen der Strömungsgeschwindigkeiten von Gasen und Flüssigkeiten besonders geeignet.

Darlegung des Wesens der Erfindung;

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung mit einem konstanten Verhältnis zwischen dem Volumen dea strömenden Mediums und der Drehzahl der Einrichtung in gesamten Punktionsbereich zu entwickeln·

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in einem druckfesten Gehäuse, parallel zur Strömungsrichtung eine rohrförmige Kammer mit einer inneren schraubenförmigen Kontur drehbar gelagert und in der Kammer eine Spindel mit einer schraubenlinienförmigen äußeren Kontur ebenfalls drehbar angeordnet ist.

Zur Abnahme bzw« Übertragung einer mechanischen Arbeit ist zwischen der Kammer und der Spindel eine Zwangsverbindung vorgesehen, vorzugsweise ein Zahnradgetriebe. Die Einrichtung enthält ferner ein die Drehbewegung abtastendes Gerät z.B. ein Impulsgeber und erforderlichenfalls eine weitere Zwangsverbindung zwischen der Kammer und der Spindel. Das innere Profil des Querschnittes der Kammer wird durch eine Epizykloide z^ oder durch zwei, mit zwei parallelen Linien verbundene Kreissegmente gebildete Das äußere Profil des Querschnittes der Spindel wird durch die, während der relativen Bewegung des zugehörigen Kammerquerschnittes entstehenden Abdeckkurve der gestreiften Oberfläche gebildete Betrachtet man die Bogenanzahl der Zykloidkurve als Gewindeausläufe, so wird einer Kammer, die eine kontinuierliche oder veränderliche Ausläufe aufweisende Gewindeoberfläche besitzt, eine Spindel angepaßt, deren Gewindegänge in gleicher Richtung ausgearbeitet sind, ihr Gewindeauslauf jedoch z_ = Z₁, + 1

ζ ок.

und ihre Gewindesteigung U₀ = _o 1 L (kontinuierlich oder veränderlich) ist· ^zk

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist einer Kammer, deren Querschnitt aus zwei, mit zwei parallelen geraden Linien verbundenen Kreissegmenten besteht, und die eine zweigängige innere schraubenlinienförmige Kontur mit kontinuierlicher oder veränderlicher Steigung hjj. in gleicher Richtung besitzt, eine Spindel angepaßt, die einen Kreisquerschnitt besitzt, und eine eingängige Schraubenlinienkontur mit kontinuierlicher oder veränderlicher Steigung h_Q « 0,5 h^ aufweist.

Die Kammer und die Spindel sind in erster Linie durch das, in eine Ebene fallende Profil der Querschnitte miteinander verbunden. Pur die Steigerung des zu übertragenden Momentes ist ein, eine gleichsinnige Drehung vermittelndes Organ, zweckdienlich ein Zahnradpaar, dessen Übersetzung

ζ i β , bzw. i = 0,5 ist -

^zk

als separate Zwangsverbindung vorgesehen» Sowohl die Lagerung der Kammer als auch die der Spindel sind mit dem druckfesten Gehäuse starr verbunden.

Die Ausbildung einer Kammer, deren innere Kontur einen einfachen eingängigen Auslauf z_k = 1 und einer Spindel, die einen zweifachen (zweigängigen) Auslauf Z₀ = z_k + 1 = 2 aufweist, besitzen je einen Querschnitt, deren Anpassung nach einer, in dem HU-Patent 152 615 vorgeschlagenen Weise erfolgt, jedoch mit der Abweichung, daß nach dem erwähnten Patent infolge einer tangentialen Durchstrb'mung, die den Kammerquerschnitt von innen umgetmde Epizykloidkurve unterbrochen ist·

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die in einer Ebene befindlichen Querschnitte der

Kammer und der Spindel derart ausgebildet, daß sie Bauteile einer gewöhnlichen, bekannten Pumpe sind. Der Querschnitt der Spindel ist ein Kreis und der der Kammer ein, durch zwei parallele gerade Linien verbundenes Kreissegment, wobei die Länge der parallelen Linien zu der relativen Bewegung des Spindelkreises gleich sind.

Infolge der Ausbildung der £&af Kammer und der Spindel mit einer schraubenlinienförmigen Oberfläche weichen die Kammerquerschnitte zwischen den, in einem Abstand dl befindlichen Ebenen um einen Winkel άφ und die Spin delquerschnitte um einen Winkel

^ ab.

Der Kammerquerschnitt und der Spindelquerschnitt werden daher auf der Länge dl zueinander um einen Y/inkel (1 - fk) dfa gedreht. Da die Querschnitte zueinander re-

^zo ^f

lativ verwunden sind, entstehen entsprechend den kontinuierlichen oder veränderlichen Gewindesteigungen zwischen der Kammer und der Spindel Hohlräume gleicher oder abweichender Länge für die zu befordernden flüssigen oder gasförmigen Medien« Diese Hohlräume wiederholen sich kontinuierlich entsprechend den Verwindungen der Kammer und der Spindel, jedoch voneinander abgetrennt nach einer gleichen Phase.

Um ein exaktes Ein- und Auströmen des Mediums in die erfindungsgemäße Einrichtung zu gewährleisten, sind sowohl die Kammer, als auch die Spindel länger als der oben erwähnte Hohlraum bemessen. Im Falle einea Stillstandes der Kammer und der Spindel kann theoretisch kein Medium durchströmen.

Während des Betriebes dreht sich infolge der Zwangsverbindung bzw· der Änderung des, die Drehbewegung übertragenden Organes die Kammer mit einer Drehzahl und die Spindel mit einer Drehzahl

Das durchströmende Medium wird in der Achsenrichtung ohne Drehbewegung und ohne Änderung der Form und seines Volumens vorwärtsbewegt. Seine Geschwindigkeit ν » n_k « hjj. = n₀ · h_Q ist entweder konstant oder veränderlich»

Me erfindungsgemäße Einrichtung weist kein, eine oszillierende Bewegung ausführendes Bauteil auf· Sowohl die Kammer mit mehreren Ausläufen, als.auch die Spindel drehen sich infolge der Symmetrie ihrer Querschnitte um ihre Achsen, wobei die Kammer und die Spindel entsprechend ihrer Schwerpunkte bzw_o Aussparungen dynamisch ausgewuchtet sind,

Auaführung;sbeiapielt

Die Erfindung soll nachstehend an einem AusführungsbeisjSiiel näher erläutert werden· In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:

Pig· Ij einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Einrichtung mit einer Kammer, mit eingängiger, innerer Schraubenlinienkontur und einer Spindel mit zweigängiger Schraubenlinienkontur,

Pig· 2» den querschnitt A-A gemäß Pig· I,

Pig· 3* den Querschnitt B-B gemäß Pig. I, wobei der Querschnitt C-C mit dünnen Linien eingezeichnet ist,

Pig«, 4i eine Einrichtung mit Impulsgeber,

5ί eine Einrichtung mit einer zweigängigen, inneren Schraubenlinienkontur der Kammer und einer eingängigen Spindel,

Pi.g bi eine Einrichtung nach der Erfindung ohne die, die Kammer drehenden Zahnräder,

Pig. 7ί den Schnitt D-D nach Pig. b, wobei der Schnitt E-E mit dünnen Linien ebenfalls eingezeichnet ist.

In Pig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung dargestellt, die als Pumpe, Hydromotor, Kompressor oder Gasmotor vorteilhaft eingesetzt werden kann.

In einem, den Betriebsdruck entsprechenden Gehäuse 1 ist mittels Lager 3 eine Kammer 2 und mittels Lager eine Spindel 4, die einen eliipsoiden Querschnitt aufweist, drehbar gelagert. Das Spindellager 5 ist in einem Lenkkegel 6 angeordnet, der durch stromlinienförmige Rippen 7 gehalten wird. Die Kammer 2 ist mit einem Zahnkranz 8 und die Spindel 4 mit einem Zahnkranz 9, die über ein, auf einer Welle 10 befestigtes Zahnradpaar$ie Übertragung einer Drehbewegung ermöglichen, ausgestattet. Zusammen mit der Kammer 2 wird ein Zwischenstück 11 gedreht, wodurch günstige Strömungsverhältnisse zwischen der kreisförmigen Reduk-

tionsöffnung 12 und der epizikloiden Öffnung der Kammer 2 erreicht werden.

Dem gleichen Zweck dient ein an der Spindel vorgesehener Spindelhala 13, durch den zwischen dem Lenkkegel 6 und dem ellipsoiden Querschnitt der Spindel 4 günstige Strömungsverhältnisse gesichert werden können· Der Spindelhals 13 und der Zahnkranz 9 sind durch Flügelschaufeln 14 miteinander verbunden. Die Flügelschaufeln 14 sind mit einer Gewindesteigung versehen, die zur Verminderung der Strömung des in Achsenrichtung strömenden und wirbelnden Mediums zwischen den Flügelschaufeln notwendig ist. Die Welle 10 weist einen Wellenzapfen 15 auf, der, abhängig von der Bestimmung der Einrichtung, zur Abnahme oder zur Übertragung der mechanischen Arbeit dient.

In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als Strömungsmessgerät dargestellt. Hier ist zwischen der Kammer 2, die eine eingängige schraubenlinienförmige Kontur besitzt, und der Spindel 4 ein Zahnrad mit der Zahnzahl ζ und ein innenverzahntes Zahnrad mit der Zähnezahl 2z vorgesehen, die die Drehverbindung zwischen Kammer und Spindel herstellen. Das auf der Welle 19 gelagerte Zahnrad Ib und das Zwischenstück der Kammer 2 sind durch die FlügeIschaufel 18 miteinander verbunden. Die Spindel 4 ist zusammen mit dem innenverzahnten Zahnrad 17 auf dem Wellenzapfen 20 gelagert. Der Impulsgeber, der aus einer, am Zwischenstück 11 montierten Scheibe 21 und aus dem Fühler 22 besteht, dient zur vorzeichenrichtigen Fernanzeige der zum Volumen des strömenden Mediums proportionalen Umdrehungen.

Bei der Ausführung nach Fig. 5 besitzt die Spindel 4 eine eingängige schraubenlinienförmige Kontur, während

die Kammer 2 mit einer zweigängigen, inneren Kontur versehen iat. Diese Ausführung kann vorteilhaft als Pumpe, Kompressor oder als Extruder verwendet werden. Die Änderung i = ^ι/η₀ =0,5 zwischen der Kammer 2 und der Spindel 4 wird durch die, die Kammer 2 und die Spindel 4 antreibenden, auf der Welle 10 aufgekeilten Zahnräder gesicherte Die Betätigung der beschriebenen Einrichtung ergibt sich aus ihrem Aufbau·

Wenn durch die Kammer ein Medium strömt, das über eine kinetische Energie oder über eine Druckenergie verfügt, so kann über die, mit der Spindel durch Zahnräder verbundene Ausgangswelle eine Arbeitsmaschine angetrieben, oder umgekehrt: wenn der Y/ellenzahpfen über ein Getriebe von einer entsprechenden Kraftmaschine angetrieben wird, die Arbeitsfähigkeit des durchströmenden Mediums erhöht werden. Die erfindungsgemäße Einrichtung in geeigneter Ausführung und entsprechender Bemessung, sowie eventuell mit sonstigen, an und für sich bekannten Bauelementen ergänzt - kann als Flüssigkeitspumpe, Kunststoff-Extruder, Strahlgetriebewerk, Kompressor oder Lüftungsanlage, als Hydromotor, Gaaabsauger, Gasmotor oder als Meßgerät für strömende Medien verwendet werden.

Claims (5)

Erfindungsanspruch :

1· Mehrzweckströmungseinrichtung mit axialer Durchströmung, die nach dem Prinzip der Yolumenverdrängung betrieben wird und als Kraftmaschine, Arbeitsmaschine oder als Strömungsmeßgerät eingesetzt werden kann, gekennzeichnet dadurch, daß in einer mit einer inneren Schraubenoberfläche konstanter oder veränderlicher Steigung versehenen Kammer (2) eine, an der Schraubenoberfläche der Kammer (2) mit oder ohne Spalten anliegende Spindel (4) mit einer von der Schraubenliniensteigung der Kammer (2) abweichenden schraubenlinienförmigen, äußeren Kontur angeordnet ist, deren Querschnitt durch die innere Abdeckkurve einer Oberfläche begrenzt ist, die während der relativen Drehbewegung des in der gleichen Ebene liegenden Kaminerquerschnittes gestreift wird, wobei zwischen der Spindel (4) und der Kammer (2) eine gleichsinnige, jedoch' eine abweichende Winkelgeschwindigkeit zulassende Zwangsverbindung vorgesehen ist·

2· Einrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das innere Profil (z^) des Kammerquerschnittes eine abgeflachte Epizykloide ohne innere Bögen und das äussere Profil des Spindelquerschnittes eine innere Abdeckkurve Cz₀ =» Zj£ + 1) der, durch den Kammer quer schnitt während der relativen Drehbewegung gestreiften Ebene ist, wobei die Gewindesteigung der Spindel das f^ -fache der

^zk

Kammer und die Y/inkelgeschwindigkeit der Drehbewegung der Spindel das ^fc -fache der Kammer beträgt»

^zo

3· Einrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das innere Profil (zk) der Kammer (2) eine mit Spitzen versehene, oder gedehnte Epizykloide und das äußere Pro-

fil des Spindelquerschnittes die innere Abdeckkurve (z_Q = Zj₁ + 1) einer Oberfläche ist, die während der relativen Bewegung der Spindel und der Kammer durch den Kammerquerschnitt gebildet wird, wobei die Gewindeateigung der Spindel das _£ -fache der Kammer und die Winkelgeschwindigkeit der ^zk Spindel das \ -fache der Kammer beträgt, ^zo

4· Einrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das innere Profil des Kammerquerschnittes ein durch zwei Parallelen verbundenes Kreissegment ist, das die Abdeckkurve einer während der relativen Bewegung des kreisförmigen Querschnittes der Spindel (4) entstandenen Oberfläche ist, wobei die Gewindesteigung der Spindel die Hälfte des GewindeSteigung .der Kammer beträgt und die Winkelgeschwindigkeit der Spindel das zweifache der der Kammer isto

5· Einrichtung nacht einem der vorangegangenen Punkte, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen der Spindel (4) und der Kammer (2) ein Getriebe, vorzugsweise ein Zahnradgetriebe, vorgesehen ist, dessen Übersetzungsverhältnis i « ^zc/^zk beträgt«

Hleriu_s5—Seiten Zeichnungen