DE2555683A1

DE2555683A1 - Fluid-rotationsmaschine

Info

Publication number: DE2555683A1
Application number: DE19752555683
Authority: DE
Inventors: Eugeniusz Michal Rylewski
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-12-13
Filing date: 1975-12-11
Publication date: 1976-06-16
Also published as: FR2294322B1; GB1492888A; FR2294322A1; CA1040166A; JPS5193403A; IT1050060B; US4021165A

Description

Dr.-lng. E. BERKENFELD · D-pl.-lrg H. BtRKENFELD, Patentanwälte, Köln Anlage Aktenzeichen R- 81/4

zur engobe vom 10. Dezember 1975 Named.Anm. Eugeniusz Michal

Rylewski

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Fluid-Rotationsmaschine

Die Erfindung betrifft eine Fluid-Rotationsmaschine mit spiralförmig angeordneten Kanälen sowie Schaufelrädern.

Es sind Fluid-Rotationsmaschinen mit einem scheibenförmig ausgebildeten Stator bekannt, dessen Innenseite winkelförmig um die Scheibenachse verteilte spiralförmige Kanäle aufweist. In die Kanäle, welche eine Zentralkammer mit einer Ringkammer verbinden, fassen die Schaufeln der Schaufelräder ein, welche an einem drehbar um die Achse angeordneten Rotor angebracht sind. Die Einwirkung der Schaufeln auf das in den Kanälen zirkulierende Fluid ist derart, daß das Fluid bei Antrieb der Maschine unter Druck gesetzt wird, und andererseits bei Motorbetrieb der Maschine der Rotor in eine Drehbewegung versetzt wird. Derartige Vorrichtungen sind in den französischen Patenten 71 20194, 71 20195 und 71 20196 des Anmelders beschrieben.

Es ist bereits eine derartige Fluid-Rotationsmaschine in mehreren Stufen vorgeschlagen worden, bei der zwischen zwei Statoren ein Rotor angeordnet ist, und bei der das Zusammenwirken der Rotorschaufelräder mit den spiralförmigen Kanälen des ersten Stators die erste Maschinenstufe darstellt. Das diese erste Stufe verlassende Fluid wird dann der zweiten Stufe zugeführt, in welcher d»r Druck (bei Betrieb als Pumpe oder als Kompressor) durch das Zuaamiaenwirken der Schaufelräder des Rotors mit entsprechen-

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den spiralförmigen Kanälen des zweiten Stators weiter erhöht wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fluid-Rot&tiQnsmaschins der eingangs genannten Art zu schaften, bei der ein Rotor mit lediglich einer Reihe von Schaufelrädern vorgesehen ist, die auf der einen Rotorseite mit den Kanälen eines ersten Stators und auf der anderen Rotorseite mit den Kanälen eines zweiten Stators zusammenwirken· Die erfindungsgemässe Fluid-Rotationsmaschine ist dadurch gekennzeichnet, daß das eintretende Fluid sowohl einer ersten Kammer, von welcher aus spiralförmige Kanäle des ersten Stators ausgehen, als auch einer zweiten Kammer, von welcher spiralförmige Kanäle des zweiten Stators ausgehen, zugeführt wird, und die den Einlassen sowohl des ersten Stators als auch des zweiten Stators gegenüberliegenden Auslaßenden der Kanäle mit der gemeinsamen Auslaßkammer der Maschine in Verbindung stehen.

Die erfindungsgemäße Maschine weist einen Rotor und zwei Statoren auf. Es handelt sich somit um eine einstufige Maschine, welche im Vergleich zu der bisher bekannten einstufigen Maschine bei etwa gleichen Außenabmessungen und gleichem Druckanstieg wie bei einer Maschine mit einem Stator etwa eine Verdoppelung des Volumens ermöglicht.

Darüberhinaus sind die Schaufelräder einer erfindungsgemäß gestalteten Maschine, welche gleichzeitig mit den Kanälen des ersten Stators und den Kanälen des zweiten Stators zusammenwirken _t

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symmetrischen Belastungen ausgesetzt. Dies führt für die Schaufelräder zu besseren Betriebsbedingungen als bei den bisher bekannten Maschinen.

Die Erfindung umfaßt darüberhinaus eine Anordnung, bei der insbesondere bei einer Verwendung als Flüssigkeitspumpe die unter Druck stehende Flüssigkeit in der Auslaßkammer dazu eingesetzt wird, die auf den Rotor ausgeübten Drücke auszugleichen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels in axialer Schnittdarstellung;

Fig. 2 eine Vorderansicht des Stators;

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung eines Teils der Maschine ;

Fig. 4 eine Aufrißdarstellung des Rotors; Fig. 5 eine Vorderansicht des Rotors;

Fig. 6 eine schematische Abwicklungsdarstellung eines Teils der Maschine im Schnitt;

Fig. 7 eine Vorderansicht eines Schaufelrades;

Fig. 8 eine Darstellung ähnlich Fig. 3, decLoch für einen anderen Teil der Maschine;

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Fig. 9 eine Vorderansicht eines aus mehreren Teilen "bestehenden Schaufelrades;

Fig. 10 eine Schnittdarstellung längs der Linie 10-10 in Fig. 9;

Fig. 11 eine Schnittdarstellung durch ein Schaufelrad entsprechend Fig. 9 und 10.

Die Fluid-Rotationsmaschine weist einen als Scheibe 11 ausgebildeten ersten Stator S^ (Fig. 1) auf, welcher winkelförmig um eine Achse 14 verteilte spiralförmige Kanäle 13a, 13b, 13c, 13d (Fig. 2) aufweist. Die Kanäle beginnen in einer Zentralkammer und enden in einer Umfangskammer 16. Die Kanäle sind, im Querschnitt gesehen, rechteckförmig gestaltet und weisen einen Boden 17 (Fig. 3), eine Außenseite 18 und eine Innenseite 19 auf, wobei die Innenseite 19 näher an der Achse 14 als die Außenseite 18 liegt, wenn man den gleichen Querschnitt zugrunde legt. Eine einstückig mit einem Rotor 22 (Fig. 4) ausgebildete Welle 21 ist drehbar in Lagern 20 bzw. 20' gelagert, derart, daß eine Seite 23 des Rotors 22 der Seite 12 der Scheibe 11 gegenüberliegend angeordnet ist. Um eine in Verlängerung der Achse 14 vorgesehene Achse 25 des Rotors sind Schlitze 24 (Fig. 5) verteilt angeordnet. In diesen Schlitzen sind Schaufelräder 27 mit Schaufeln 28 um Achsen 26 drehbar angebracht. Die Schaufeln 28 weisen einen dem Querschnitt der Vertiefungen oder Kanäle 13 entsprechenden Querschnitt auf.

Die Schaufelräder 27 sind über die Seite 23 des Rotors vorstehend ausgebildet und stehen außerdem über die gegenüberliegende

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Seite 23' des Rotors vor. Die Schaufeln 28 der Schaufelräder 27 wirken mit ihren über die Seite 23· vorstehenden Teilen mit Kanälen 29 zusammen, die, ebenfalls spiralförmig, in einem zweiten, durch eine Scheibe 31 gebildeten Stator S₂ angeordnet sind.

Die spiralförmigen Kanäle 13 des ersten Stators und die spiralförmigen Kanäle 29 des zweiten Stators sind derart gestaltet, daß bei einer durch die Rotation des Rotors 22 relativ zu den Statoren S^ und S₂ und einer Rotation der Schaufelräder 27 um ihre eigenen Achsen 26 (Fig. 6) resultierenden, zusammengesetzten Bewegung, sich die Innenseiten 19 bzw. Außenseiten 18 und der Boden 17 der Kanäle 13 des Stators S₁ mit den durch die Seitenkanten 34 und 35 (Fig. 7) und durch die Vorderseite 36 der Schaufeln 28 und der Innenseite 37 (Fig. 8) gebildeten Oberflächen ergänzen, und sich außerdem die Außenseite 38 und der Boden 39 der Kanäle 29 des zweiten Stators S₂ in entsprechender Weise mit den durch die Seitenkanten 35 und 34 und die Vorderseite 36 der Schaufeln 28 gebildeten Oberflächen ergänzen₀

In den zwischen den Schlitzen 24 des Rotors 22 vorhandenen Winkelbereichen sind durchgehende Kanäle 51 vorgesehen. Eine MUndungsöffnung 52 dieser Kanäle ist der Zentralkammer 15 zugewandt, während die entgegengesetzte Mündungsöffnung 53 in eine Ringkammer 54 weist, welche zwischen dem Außenumfang der die Kanäle des zweiten Stators S₂ aufweisenden Vorderseite und dem Rotor 22 vorgesehen ist, von wo aus die Außenumfangsenden der spiralförmigen Kanäle 29 des zweiten Stators S₂ beginnen.

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Der Stator S₂ weist ebenfalls eine Zentralkammer 55 auf, in die die Innenenden der Kanäle 29 münden. Die Kammer 55 ist mittels eines durch den Stator S₂ gebohrten Kanals 56 mit einer Auslaßkammer 57 verbunden. Die Auslaßkammer 57 ist über einen in dem ersten Stator vorgesehenen Kanal 58 außerdem mit dem Ringraum 16 verbunden.

Der Stator S₂ weist eine mit einer zugeordneten Schulter 72 der Seite 23' des Rotors 22 zusammenwirkende Schulter 71 auf.

Die für die Fluid-Zirkulation vorgesehenen und durch die Kanäle 13 des ersten Stators S^ gebildeten Führungen werden durch eine auf der Seite 23 des Rotors 22 gebildete Oberfläche 59 vervollständigt, welche mit oberen Wänden 61 und 62 der Kanäle 13 zusammenwirkt.

In gleicher Weise werden die von den Kanälen 29 des zweiten Stators S₂ gebildeten, für die Fluid-Zirkulation vorgesehenen Führungen durch eine auf der Seite 23* des Rotors 22 vorgesehene Oberfläche 63 vervollständigt. Die Fläche 63 wirkt mit oberen Wänden 64 und 65 der Kanäle 29 gleitend zusammen.

Die Arbeitsweise ist wie folgt:

Wenn beispielsweise die Fluid-Rotationsmaschine als Pumpe arbeiten soll, wird der Kammer 15 zu komprimierendes Fluid zugeführt. Der Rotor 22 wird mittels eines mit der Welle 21 verbundenen Motors angetrieben, und zwar in einer solchen Drehrichtung, daß

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Λ.

eine Drehung des oberen Teils des in Fig. 1 dargestellten Schaufelrades 27 in eine hinter die Zeichnungsebene liegende Richtung erfolgt.

Infolge der Zusammenwirkung der Schaufeln 28 mit den Kanälen 13 wird das in den Kanälen enthaltene Fluid unter Druck gesetzt, und das an den Außenenden der Kanäle 13 austretende Fluid erreicht dann unter Druck den Raum 16, von wo es durch den Kanal 58 zur Auslaßkammer 57 der Maschine abströmt.

Gleichzeitig erreicht das in die Maschine einströmende Fluid die Ringkammer 54 des zweiten Stators Sg durch die durch den Rotor 22 gebohrten Kanäle 51. Infolge des Zusammenwirkens der Schaufeln der Schaufelräder 27 mit den Kanälen 29 im Stator S₂ strömt das Fluid ab, diesmal in einer zentripetal gerichteten Bewegung, wobei zu den Enden der Kanäle 29 hin ein Druckanstieg erfolgt, bis zu der Zentralkammer 55, von wo aus das Fluid durch den Kanal 56 die Auslaßkammer 57 erreicht.

Figur 6 zeigt eine Schnittdarstellung durch die Achse des Schaufelrades bei abgewickelt dargestellten Kanälen. Vie aus dieser Darstellung ersichtlich, wirkt ein Schaufelrad 27 über die Schaufel 28_A auf das in einem Kanal 13 des ersten Stators S₁ befindliche Fluid ein. Dieses Fluid strömt in der durch den Pfeil F₁ dargestellten Richtung ab, wodurch auf die Schaufel eine Reaktionskraft in entgegengesetzter Richtung ausgeübt wird, welche den Pfeil f₂ als Kennzeichnung trägt.

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Eine diametral gegenüberliegende Schaufel 28_ß des gleichen Rades 27 bewirkt bei Zusammenwirken mit einem Kanal 29 des Stators S₂ ein Abströmen des in diesem Kanal enthaltenen Fluid in Richtung des Pfeils f,, und es wird daher durch das Fluid auf die Schaufel eine Reaktionskraft in Richtung des Pfeils fλ ausgeübt.

Die von dem Fluid auf die diametral gegenüberliegend angeordneten Schaufeln 28^ und 28_ß ausgeübten und mit f₂ und f^ bezeichneten Reaktionskräfte haben zur Folge, daß die Arbeitsoberfläche des Körpers des Rades 27 die Fläche 66 des Schlitzes ist, welche das Rad 27 beherbergt. Die Reibung des Rades 27 gegen die Fläche 66 des Schlitzes 24 kann durch ein dazwischen vorgesehenes Schmiermittel verringert werden.

Das Rad 27 ist darüberhinaus mit den Vorderseiten 36» und 36_ß der diametral gegenüberliegenden Schaufeln 28 _A und 28_ß den senkrecht zur Achse 33 des Rades auftretenden Fluiddrücken ausgesetzt, welche sich somit gegenseitig ausgleichen.

Betrachtet man jeweils von der Achse 14-25 weiter entfernte Querschnitte, so steigen die Kräfte des infolge der Fluid-Zirkulation in den Kanälen 13 bzw. 29 auf den Rotor ausgeübten Drukkes progressiv an, während diese Kräfte in den Kanälen 29 abnehmen, wenn man jeweils weiter von der Achse entfernte Querschnitte betrachtet.

Dies würde zu einem größeren Druck auf die Fläche 23 als auf die Fläche 23' des Rotors führen.

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Um diesen Unterschied auszugleichen sind die einander zugeordneten Oberflächen der Schulter 71 des Stators und der Schulter 72 des Rotors, welche in einer Hochdruckzone liegen, groß genug dimensioniert, so daß auf den einander gegenüberliegenden Seiten des Rotors eine Druckgleichheit erzielt wird.

Gemäß der Erfindung werden aus mehreren Teilen bestehende Schaufeln eingesetzt, derart, daß die seitlichen Schaufelenden mittels Federeinrichtungen gegen die äußeren und inneren Seiten der Kanäle gedrückt werden. Ein Schaufelrad ist vorzugsweise aus zwei oder mehr zusammengefügten Platten zusammengesetzt, wobei jede der Platten Schaufelteile aufweist. Um gegenüberliegende Seiten einer Schaufel auseinanderzubewegen, werden Federeinrichtungen verwendet. Ein Ausführungsbeispiel eines derartigen Schaufelrades ist in den Fig. 9 und 11 dargestellt. Hierbei sind zwei Schaufelplatten 101 und 102 vorgesehen, deren Körper 103 und 104 seitlich derart miteinander verbunden sind, daß eine Relativdrehbewegung zwischen den beiden Platten möglich ist. Jede der beiden Platten weist Schaufelteile 105 bzw. 106 auf, welche seitlich miteinander verbunden sind. Die beiden jeweils eine Schaufel einschließlich der Längsseiten 107 und 108 bildenden Teile sind infolge der Wirkung der Federeinrichtungen 109 in veränderlichem Abstand zueinander angeordnet. Dabei ist ein Ende 110 der Federeinrichtung 109 mit dem Körper 103 und das andere Ende 111 mit dem Körper 104 verbunden. Die Feder 109 bewirkt eine gegenseitige Verdrehung der Platten zueinander in einer solchen Richtung, daß die jeweilige Schaufel eine größtmögliche Breite aufweist. Die Federeinrichtung 109 ist in jeweils

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gegenüberliegend in den Körpern 103 und 104 vorgesehenen ringförmigen Höhlungen 112 und 113 angeordnet.

Die Ausbildung eines derartigen Schaufelrades in zwei Teilen hat nicht nur eine bessere Dichtwirkung in dem Kanal während der Schaufelbewegung zur Folge, sondern erleichtert auch den Schaufeleintritt in einen Statorkanal, während eine andere Schaufel des gleichen Schaufelrades noch mit dem Kanal des anderen Stators zusammenwirkt. Die Erfindung ist ganz allgemein für Rotationsmaschinen der eingangs beschriebenen Art anwendbar. Sie kann bei Maschinen Verwendung finden, bei denen der Rotor eine gebogene Oberfläche aufweist, derart, daß diese gleitend mit den die Kanäle des Stators begrenzenden Rippen zusammenwirkt. Die Erfindung ist auch auf Rotationsmaschinen anwendbar, bei denen die miteinander zusammenwirkenden Bereiche als ebene Flächen ausgebildet sind. Es ist nicht zwingend erforderlich, daß die Achsen der Schaufelräder senkrecht zur Drehachse liegen, sondern die Erfindung ist auch auf Maschinen anwendbar, bei denen die Achsen schräg und nicht senkrecht zur Rotationsachse liegen.

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Claims

Dr.-lng. E. BERKENFELD . DIrL-In₀. H B E RK E N FE LD, Patentanwälte, Köln

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^ΑπΙ°β· Aktenzeichen

zur Engobe vom 10. ΟβΖβΠ&βΓ 1975 Name d. Anm. EUgeülUSZ

Rylewski

Fluid-Rotationsmaschine

Patentansprüche

• 1. ;· Fluid-Rotationsmaschine mit plattenförmig ausgebildetem, spiralförmig angeordnete Kanäle aufweisendem Stator und einem relativ zu dem Stator um eine gemeinsame Achse drehbar angeordneten, diesem gegenüberliegenden, scheibenförmig ausgebildeten Rotor, der auf seiner den Kanälen zugewandten Seite um quer zu der gemeinsamen Achse liegende Achsen drehbar angeordnete Schaufelräder aufweist, deren Schaufeln in den Kanälen unter Bildung abgegrenzter und von den zusammenwirkenden die Kanäle abdeckenden Oberflächen des Stators und des Rotors begrenzter Fluidbereiche umlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (22) mit seinen Flachseiten (23» 23^f) einem ersten Stator (S₁) und einem zweiten Stator (Sg) zugewandt angeordnet ist und Schaufelräder (27) aufweist, die mit diametral gegenüberliegenden Teilen gleichzeitig mit den zwischen einer Einlaßkammer und einer Auslaßkammer liegenden Kanälen (23 bzw. 29) des ersten Stators (S₁) und des zweiten Stators (S₂) zusammenwirken, und das in die Haschine eintretende Fluid beiden Einlaßkammern zugeführt wird, und die Auslaßkammern der beiden Statoren (S₁, S₂) mit einem gemeinsamen Maschinenauslaß (57) verbunden sind.

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2. Fluid-Rotationsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zirkulation der Schaufeln der Schaufelräder in dem einen Stator (S^) zentrifugal und die Zirkulation der Schaufeln der Schaufelräder in dem anderen Stator (S₂) zentripetal ist.
3. Fluid-Rotationsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Ausgleichseinrichtungen vorgesehen sind, mittels derer durch Wirkung des Auslaßdruckes die unterschiedlich großen, auf die beiden Rotorseiten wirkenden und durch die Fluid-Zirkulation in den Kanälen des ersten und zweiten Stators (S.., S₂) hervorgerufenen Kräfte abgleichbar sind.
4. Fluid-Rotationsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln der Schaufelräder aus mehreren, in Längsrichtung aufgeteilten Teilen (105, 106) bestehen, und Federeinrichtungen (109) vorgesehen sind, mittels derer die Seitenbereiche (108, 107) der Schaufeln auseinandergedrückt sind.

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