DE2617290C2 - - Google Patents
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- DE2617290C2 DE2617290C2 DE2617290A DE2617290A DE2617290C2 DE 2617290 C2 DE2617290 C2 DE 2617290C2 DE 2617290 A DE2617290 A DE 2617290A DE 2617290 A DE2617290 A DE 2617290A DE 2617290 C2 DE2617290 C2 DE 2617290C2
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- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
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- F01C1/0215—Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents both members having co-operating elements in spiral form where only one member is moving
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Description
Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine der
Spiralbauart mit einem stationären und einem ohne
Eigenrotation auf einer Kreisbahn umlaufenden
Spiralelement, die jeweils eine Stirnplatte und eine
senkrecht dazu angeordnete evolventenförmige Spiralwand
aufweisen, wobei Stirnflächen der Spiralwände in dichtendem
Kontakt mit den gegenüberliegenden Stirnplatten stehen und
die Spiralwände während der Bewegung des umlaufenden
Spiralelements durch linienförmigen Kontakt Arbeitskammern
variablen Volumens bilden.
Eine solche Rotationskolbenmaschine ist durch die US-PS
8 01 182 bekannt. Die Abdichtung erfolgt dort als
Umfangsdichtung zwischen seitlichen Plattenverlängerungen,
d. h. die Abdichtung erfolgt zwischen innen und außen, d. h.
zwischen Dampf in den innerhalb der Spiralelemente
gebildeten Umfangstaschen sowie einem die Spiralelemente
umgebenden Schmiermittel. Schmale Spalte in
Querschnittspassung sind also leicht tolerierbar. Ein
schmaler Spalt auf der äußeren, der Schmierölseite kann
niemals mit der Dampfseite innerhalb des Spiralelementes in
Verbindung stehen. Notwendig ist im übrigen ein sehr enger
Sitz, um die Dampfabdichtung zwischen diesem
Dichtungssegment und den Nutenwandungen zu erhalten, d. h.
es ist keinerlei Freiheitsgrad für das Dichtungselement
innerhalb der Nut gewährleistet. Es ist anzunehmen, daß die
Feder stark genug sein muß, um die hohe Reibung zwischen den
Dichtungswandungen und der Nut zu überwinden, die
erforderlich sind, um die Dampfabdichtung zu erreichen.
Im Gegensatz zur Umfangsdichtung muß bei der hier in Rede
stehenden Rotationskolbenmaschine eine Dichtung längs einer
evolventenförmigen Spiralwand
vorgenommen werden, wo jeder
kleine Spalt der evolventenförmigen Spiralwand für einen
kontinuierlichen Fluiddurchlaß von Tasche zu Tasche sorgt,
wobei sämtliche Taschen unterschiedliche Drücke haben. Eine
Anwendung der Maßnahme nach der US-PS 8 01 812 verbietet
sich, da dort enorme Leckageprobleme in Kauf zu nehmen
wären. Je größer nämlich die Abdichtungsfläche, desto
größer werden die Probleme des Verschleißes, desto größer
ist die Möglichkeit eines Leckens bei Verschleiß, wobei
hinzukommt, daß je größer die abzudichtende Fläche, desto
größer die Verschleißprobleme dort werden.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
Rotationskolbenmaschine der Spiralbauart der im Oberbegriff
des Anspruchs 1 genannten Art anzugeben, bei der die
Abdichtung der Arbeitskammern baulich vereinfacht und durch
Verringerung der Leckage in Umfangsrichtung der Spiralwände
verbessert werden soll.
Erreicht wird dies dadurch, daß die
Spiralwände als separate Bauteile axial und radial
beweglich in an der Stirnplatte ausgebildete,
evolventenförmige Nuten eingreifen und für den dichtenden
Kontakt mit der Spiralwand und der Stirnplatte des jeweils
anderen Spiralelements in der Nut druckbeaufschlagt werden.
Gegenüber dem älteren eigenen Vorschlag gemäß DE-OS 26 12 344
einer ähnlichen Rotationskolbenmaschine sind gemäß der
Erfindung die Dichtungsmaßnahmen an der
Rotationskolbenmaschine der Spiralbauart so getroffen, daß anstelle der Dichtung
der Spiralwände axial beweglich angeordnet sind, wobei die
Spiralwände selbst für den dichtenden Kontakt gegeneinander
und in Richtung der jeweils gegenüberliegenden Stirnplatte
druckbeaufschlagt werden.
Die Aufgabe ließ sich auch nicht nach der US-PS 13 76 291
lösen, wo zwar unter Abstand und parallel zueinander
stehende Stirnplatten vorgesehen sind, die über eine
Spiralwand verfügen, die in Nuten
in Flächen der Scheiben sitzen und gegeneinander über
Bolzen verschraubt sind. Ein Läufer, der die kreisförmigen
Stirnwandungen integral mit der Spiralwand umfaßt,
bewegt sich zwischen den Scheiben und bildet sich bewegende
Taschen mit der Spiralwand. Die Abdichtungsprobleme sind hier
nicht gelöst, da einmal eine extreme genaue Bearbeitung und
Ausrichtung erforderlich sind. Weiterhin hat die frei
schwimmende Spirale keinerlei Führungen oder Rückhalt, da
sie als ziemlich dünne Umwicklung geformt ist. Sie muß
nämlich einerseits empfindlich gegen Druckunterschiede
sein, die auf jede ihrer Seiten von Tasche zu Tasche
wirken. Das frei schwimmende Spiralelement verwindet sich
in Radialrichtung und wickelt sich wie eine Feder auf.
Wesentliches Lecken zwischen den Taschen und erhebliche
Abnahme im Wirkungsgrad sind die Folge.
Demgegenüber sind die Spiralelemente
gemäß der Erfindung durch eine einzige Stirnplatte mit
zugeordneter Spiralwand geformt. Dies steht im Gegensatz
zur Lehre von zwei parallelen Scheiben, die durch eine
Spiralwand verbunden sind und eine steife Einheit bilden
(US-PS 13 76 291), innerhalb deren ein sich frei bewegendes
umlaufendes Element ohne stirnseitige Platte sich bewegt.
Die Aufgabe kann auch nicht implizit durch die US-PS 13 76
291 gelöst werden, da das umlaufende Element nur aus einem
spiralartigen Element besteht. Eine Stirnplatte oder ein
Spiralelement wie nach der Erfindung sind nicht vorhanden.
Durch die Maßnahme nach der Erfindung reicht es aus, sowohl
die Seiten als auch die Enden der spiralförmigen Elemente
nur mit herkömmlichen Toleranzen zu fertigen.
Die Rotationskolbenmaschine der Spiralbauart nach der
Erfindung läßt sich einsetzen bei Verdrängerkompressoren,
Expansionsmaschinen und Pumpen.
Die vorzugsweisen Ausführungsformen nach der Erfindung
haben im übrigen praktisch nur die schwimmenden
Spiralwände zum Gegenstand, die über nachgiebige
Dichtungseinrichtungen für einen ausgezeichneten
Dichtungskontakt sorgen. Die mehrteilige Ausbildung schafft
erst die in der Beschreibung zutage tretenden Vorteile.
Durch die spiralförmigen Eingriffskörper wird es möglich,
axial Dichtungseinrichtungen einzubauen oder als
Kombination an den Dichtungseinrichtungen vorzusehen.
Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun
mit bezug auf die Zeichnungen näher erläutert
werden. Diese zeigen in
Fig. 1 einen Schnitt durch ein bekanntes evolventenförmiges
Spiralelement einer typischen
Rotationskolbenmaschine;
Fig. 2 einen Schnitt durch eine solche typische Vorrichtung
längs der Ebene 2-2 der Fig. 1;
Fig. 3 ist eine perspektivische Darstellung einer Stirn
platte und eines evolventenförmigen Elementes gemäß
der Erfindung, vor dem Zusammenbau;
Fig. 4 ist ein vergrößerter Teilschnitt durch ein um
laufendes und ein stationäres Spiralelement gemäß
der Erfindung, wobei zwei Elemente sich längs einer
Linie berühren und die Einfügung des
Spiralelementes in einer Ausführungsform einer Nut
veranschaulicht ist, die in die Stirnplatte
eingearbeitet ist, damit durch pneumatische Kräfte
eine axiale Federung/Dichtung erreicht werden kann;
Fig. 5 ist ein Schnitt durch die in Fig. 4 dargestellten
Spiralelemente längs der Ebene 5-5 in Fig. 4;
Fig. 6 ist ein Teilschnitt eines Spiralelementes und
verdeutlicht den Sitz der Spiralwand in der Nut
gemäß Fig. 4, um durch eine Kombination aus
pneumatischen und mechanischen Kräften eine axiale
Federung/Abdichtung zu erreichen;
Fig. 7 ist ein Schnitt durch das Spiralelement der Fig. 6
längs der Ebene 7-7 der Fig. 6;
Fig. 8 ist ein Schnitt durch ein Spiralelement, welches den
Sitz in den Nuten gemäß Fig. 4 veranschaulicht.
Hierbei wird durch Anwendung eines elastomeren
Elementes eine axiale Federung/Dichtung erreicht;
Fig. 9 ist ein Schnitt durch ein Spiralelement, wobei der
Sitz der Spiralwand in der Nut gemäß Fig. 4
veranschaulicht ist, um eine federnde Abdichtung zu
erreichen;
Fig. 10 ist ein vergrößerter Schnitt durch eine Aus
führungsform einer federnden Dichtungseinrichtung,
wie sie bei der Ausführungsform der Fig. 9
Verwendung findet;
Fig. 11 ist ein vergrößerter Schnitt durch eine weitere
Ausführungsform einer federnden Abdichtung zur
Abdichtung der Spiralwände in den Nuten;
Fig. 12 ist ein Teilschnitt durch ein umlaufendes und ein
stationäres Spiralelement mit der federnden
Abdichtung gemäß Fig. 10 und mit zusätzlicher
Anordnung von Schmierkanälen;
Fig. 13 ist ein Schnitt durch ein Spiralelement gemäß der
Erfindung, wobei der Sitz der Spiralwand nach
einer anderen Ausführungsform einer Nut
veranschaulicht ist, welche in einer Bahn
festgelegt ist, die auf der Stirnplattenoberfläche
angebracht ist, um durch pneumatische Kräfte eine
axiale Federung/Dichtung zu erreichen; und
Fig. 14 ist ein Schnitt durch ein umlaufendes und ein
stationäres Spiralelement mit einer U-förmigen
federnden Dichtung, um den Sitz der Spiralelemente
in den Stirnplatten zu bilden und mit einer
zusätzlichen federnden Dichtung, in welche
ebenfalls eine U-förmige federnde Dichtung
eingebaut ist.
Die hier genannten Spiralwände können die Form einer Evolvente
haben oder aus Kreisbogenstücken zusammengesetzt sein.
Die Fig. 1 und 2 veranschaulichen die allgemeinen Probleme
der radialen und tangentialen Abdichtung beim Stand der
Technik. In den Schnitten der Fig. 1 und 2 sind nur
dargestellt die Stirnplatten, die Spiralelemente und die
Fluidtaschen. Hiernach weist das stationäre Spiralelement
10 eine Stirnplatte 11 und eine Spiralwand 12 auf. Die
Stirnplatte 11 verfügt über eine mittig angeordnete
Strömungsöffnung 13. Das umlaufende Spiralelement 14 ist
ebenso gebildet durch eine Stirnplatte 15 sowie eine
evolventenförmige Spiralwand 16. Die Anordnung erfolgt auf
einer Antriebswelle 17. In Betrieb wird das umlaufende
Spiralelement 15 angetrieben, so daß es um das stationäre
Spiralelement umläuft, während die zwei Spiralelemente in
einer festen Winkelbeziehung gehalten werden, und zwar
durch die Verwendung einer geeigneten nicht dargestellten
Kupplungseinrichtung. Bei seiner umlaufenden Bewegung legt
das umlaufende Spiralelement eine oder mehrere sich
bewegende Fluidtaschen fest, d. h. die Taschen 20-26. Diese
Taschen sind in radialer Richtung durch gleitende oder sich
bewegende Linien in Berührung, d. h. durch die
Berührungslinien 27-32, die auf einer durch den Mittelpunkt
der Vorrichtung gehenden Linie liegen. Wird Fluid aus der
Umfangszone 35, welches die Spiralelemente umgibt, nach
innen geführt, so gelangt es in die Taschen und wird
komprimiert, während die Taschen in ihrem Volumen abnehmen,
wenn sie sich der mittleren Tasche 20 nähern. Somit wird
eine wirksame tangentiale Abdichtung entlang den sich
bewegenden Linien gewährleistet, die die Fluidtaschen
festlegen. Eine radiale Abdichtung ist zwischen der
Oberfläche 36 der Stirnplatte 11 des stationären
Spiralelementes und der Stirnfläche 37 des umlaufenden
Spiralelementes 16 sowie zwischen der Oberfläche 38 der
Stirnplatte 15 des umlaufenden Spiralelementes 14 und den
Stirnflächen 29 des stationären Spiralelementes 12
gewährleistet, wobei die Taschen von außen nach innen Zonen
zunehmenden Fluiddrucks festlegen, so daß eine
Druckdifferent Δ P über jede Berührungslinie herrscht. Es
wird somit eine radiale Berührung zwischen den Seiten der
Spiralelemente erreicht, während sie einen Gleitkontakt
miteinander haben, wenn das umlaufende Spiralelement in
Drehung versetzt ist.
Nach Fig. 2 wird unabhängig von den axialen Kräften (durch
Pfeile dargestellt), die auf das umlaufende Spiralelement
wirken, beim Umlaufen des Spiralelementes, sofern dieses
aus einer entsprechend einheitlichen starren Konstruktion
besteht, eine höchst wirksame radiale Abdichtung nur dann
erreicht, wenn die Oberflächen 37 und 39 der Spiralelemente
und der Stirnplattenoberflächen 36 und 38 außerordentlich
genau gefertigt sind. Die Spiralelemente müssen im übrigen
über ihre gesamte Länge dieselbe Höhe haben, was in der
Fertigung mit hohen Kosten verbunden ist. Hinzu tritt die
Möglichkeit der ungleichmäßigen Abstützung innerhalb der
Vorrichtung während des Betriebs. Bei einer
Ungleichmäßigkeit in den Bauteilen der Vorrichtung tritt
zudem eine ungleichmäßige Abnützung der Oberfläche auf, was
zu einer unerwünschten Leckage führt und zwar selbst dann,
wenn diese Oberfläche während der Fertigung mit
außerordentlicher Genauigkeit hergestellt wird.
Durch die Maßnahme nach der Erfindung wird dieser beim
Stand der Technik (Fig. 1; Fig. 2) sich zeigende Nachteil
klar behoben. Zeit und Energie wird vermindert; die Kosten,
welche zur Fertigung des Spiralelementes erforderlich sind,
werden gesenkt; gleichzeitig wird in das Spiralelement eine
axiale Federung/Dichtung eingebaut. Es besteht so die
Möglichkeit, die radiale Abdichtung auf jeden Fall
aufrechtzuerhalten.
Demgegenüber veranschaulicht Fig. 3 eine bevorzugte
Konstruktion des erfindungsgemäßen Spiralelementes und
zeigt die einzelnen Teile unmittelbar vor ihrem
Zusammenbau. Die Stirnplatte 45 hat eine flache Spiralnut
46, die in ihrer Arbeitsfläche 47 ausgebildet ist; die Nut
kann insbesondere durch Schleifen oder durch ein
elektrisches Verfahren ausgearbeitet sein. Ein
Spiralelement 48, das in seiner Gestalt der Nut 46 angepaßt
ist, läßt sich z. B. dadurch herstellen, daß man von einem
Streifenmaterial ausgeht und anschließend walzt. Ist die
Spiralwand 48 in der Nut 46 angeordnet, so ist das
Spiralelement fertiggestellt.
Bevorzugt werden die Teile des Spiralelementes aus dem
gleichen Material hergestellt. Unterschiedliche Materialien
sind jedoch, beispielsweise sogar metallische und
nicht-metallische Materialien, im gleichen Spiralelement
verwendbar. Der Sitz der Spiralwand in der Nut kann so
gewählt sein, daß die Spiralwand frei ist, kleine axiale
und radiale Auslenkungen innerhalb der Nut auszuführen.
Es kann vorgesehen sein, daß eine
Einrichtung innerhalb der Nut angeordnet ist, welche axiale
Kräfte liefert, um der Spiralwand eine axiale
Federung/Dichtung zu verleihen, so daß die radiale Dichtung
gewährleistet bleibt. Pneumatische, mechanische oder eine
Kombination aus beiden Arten von Kräften können zur
Anwendung kommen.
Das Spiralelement "schwimmt" also in der evolventenförmigen
Nut, um kleine axiale und radiale Auslenkungen des
Spiralelementes in der Nut zu ermöglichen. Die Eigenschaft
einer axialen Federung/Dichtung beim Spiralelement ist
gewährleistet. Veranschaulicht wird dies durch Fig. 4 und
5, die einen Teilschnitt durch ein stationäres und ein
umlaufendes Spiralelement darstellen, wobei der Schnitt
längs einer sich bewegenden Berührungslinie dargestellt
ist. Die Schnitte der Fig. 4 und 5 sind also mit dem Teil
der Vorrichtung gemäß Fig. 2 vergleichbar, in welchem die
Spiralelemente 12 und 16 eine sich bewegende
Berührungslinie 31 bilden, um Fluidtaschen 20 und 22 zu
bilden.
Gemäß Fig. 4 hat das insgesamt mit 50 bezeichnete
Spiralelement eine Stirnplatte 51 mit einer
evolventenförmigen Nut 52, die der Nut 46 der Fig. 3
ähnlich ist. Das umlaufende Spiralelement 53 verfügt über
eine Stirnplatte 54 mit einer evolventenförmigen Nut 55. Das
evolventenförmige Spiralelement 56 ist in der Nut 52
angeordnet und ist somit ein Teil des sta
tionären Spiralelementes. Hingegen ist die evolventenförmige
Spiralwand 57 in der Nut 55 angeordnet und ist ein
Teil des umlaufenden Spiralelementes. Diese Spiral
elemente erzeugen durch die Anwendung geeigneter radialer
Kräfte normalerweise eine sich bewegende Berührungslinie
58, um die erforderliche tangentiale Abdichtung zu bewir
ken.
Um eine annehmbare radiale Dichtung zu erreichen, ist es
notwendig, daß die Stirnfläche 61 der Spiralwand 56
mit der Oberfläche 62 der Stirnplatte 54 in Berührung steht
und daß die Stirnfläche 63 der Spiralwand 57 mit der Oberfläche 64 der Stirnfläche 51 in Berührung steht. Da die Spiralwände 56 und 57 in ihren entsprechenden Nu ten "schwimmen" können, können diese Bedingungen für eine radiale Dichtung erfüllt werden, da ein bestimmtes Maß ei ner axialen Federung bei der Dichtung vorhanden ist. Es ist auch erforderlich, die zwischen den Teilen der Vorrichtung vorhandene tangentiale Dichtung aufrechtzuerhalten, wenn der Wirkungsgrad einer Kompressor- oder Expandiereinrichtung ent sprechend gut bleiben soll. Somit muß gleichzeitig mit der axialen Federung bei den Spiralelementen gemäß der Er findung die tangentiale Dichtung aufrechterhalten bleiben.
und daß die Stirnfläche 63 der Spiralwand 57 mit der Oberfläche 64 der Stirnfläche 51 in Berührung steht. Da die Spiralwände 56 und 57 in ihren entsprechenden Nu ten "schwimmen" können, können diese Bedingungen für eine radiale Dichtung erfüllt werden, da ein bestimmtes Maß ei ner axialen Federung bei der Dichtung vorhanden ist. Es ist auch erforderlich, die zwischen den Teilen der Vorrichtung vorhandene tangentiale Dichtung aufrechtzuerhalten, wenn der Wirkungsgrad einer Kompressor- oder Expandiereinrichtung ent sprechend gut bleiben soll. Somit muß gleichzeitig mit der axialen Federung bei den Spiralelementen gemäß der Er findung die tangentiale Dichtung aufrechterhalten bleiben.
Die Fig. 4 stellt die einfachste Form einer Konstruktion des
Spiralelementes gemäß der Erfindung dar, wobei pneumati
sche Kräfte allein dazu verwendet werden, um sowohl eine
axiale Federung als auch eine tangentiale Dichtung aufrecht
zuerhalten. Gemäß der Darstellung hat die Nut 52 Seiten 65,
66 und 67, und die Nut 55 hat Seiten 68, 69 und 70. Während
derjenige Teil der Spiralwand 56, der sich in die Nut
52 erstreckt, in Berührung stehende Seiten 71 und 72 und
eine Stirnseite 73 aufweist, hat die Spiralwand 57 in
Berührung stehende Seiten 74 und 75 sowie eine Stirnseite
76. Angenommen, daß die Spiralelemente gemäß Fig. 4
ein Teil eines Kompressors sind und daß Fluidtaschen 59
und 60 direkt mit den Taschen 20 und 22 der Anordnung ge
mäß Fig. 2 vergleichbar sind, so ist
der Fluiddruck P 59 in der Fluidtasche 59 größer
als der Fluiddruck P 60 in der benachbarten Fluidtasche 60.
Während des Betriebes des Spiralelementes wird eine
Druckdifferenz Δ P = (P 59 - P 60) somit über den evolventenförmigen
Spiralwänden 56 und 57 am Punkt 58 aufgebaut, wo sie in
einem Gleichkontakt entlang einer Berührungslinie miteinan
der stehen, d. h. wo eine tangentiale Abdichtung bewirkt wird.
Wenn der Kompressor angelassen wird und bevor Δ P einen nen
nenswerten Wert erreicht hat, können die Spiralwände inner
halb ihrer Nuten schwimmen. Wenn Δ P jedoch ansteigt, wird
durch den Druck des Fluids, welches beispielsweise durch
Leckverluste in die Nut 52 durch den Durchgang eindringt,
welcher zwischen der Nutenseite 65 und der Spiralwand
seite 71 festgelegt ist, die Spiralwand 56 in axialer
Richtung gegen die Stirnplatte 54 gedrückt, um über die
Oberflächen 61 und 62 einen dichtenden Kontakt herbeizu
führen. Gleichzeitig drückt dieser Fluiddruck die Spiral
wand 56 radial nach außen, um zwischen der Spiralwand
seite 72 und der Nutenseite 67 einen Kontakt herzu
stellen, so daß dadurch in wirksamer Weise die Tasche 59
gegenüber der Tasche 60 abgedichtet wird. In ähnlicher Weise
drückt der hohe Fluiddruck in der Nut 55 die Stirnfläche 63
der Spiralwand 57 in der Weise, daß eine Berührung mit
der Stirnplattenfläche 64 zustandekommt, während gleichzei
tig die Spiralwandfläche 75 an die Nutenfläche 70 an
gedrückt wird.
Aus der Fig. 4 und den nachfolgenden Figuren ist ersicht
lich, daß durch den Sitz der Spiralwand in der Stirn
plattennut eine Form einer axialen Kraftanwendung erzeugt
wird, so daß die Spiralwand die Eigenschaft einer axia
len Federung/Dichtung bekommt, während zugleich eine Fluid
leckage durch den Kanal in der zwischen den Spiralwand-
Stirnwänden und den Seiten der Nut festgelegten Nut auf
ein Minimum gebracht wird. Indem die Leckage somit auf
ein Minimum gebracht wird, wird eine radiale Abdichtung
über die gesamte Vorrichtung mit den Spiralelementen
gewährleistet, wenn die erfindungsgemäßen Spiralele
mente verwendet werden.
Wenn auch die Ausführungsform gemäß Fig. 4 der einfachste
Weg des Sitzes der Spiralwand in der Stirnplattennut
ist, so erfordert diese Anordnung eine
sehr genaue Geometrie und eine entsprechend genaue Ferti
gung und zwar für die sich berührenden Flächen
der Spiralwände und der Nutenwände, d. h. der Flächen 67/
62 und 70/75. Die Berührungsdrücke sowohl in der axialen als
auch in der radialen Richtung hängen von dem Fluiddruck ab,
der auf die zwei Oberflächen der Spiralwand wirkt, und
dieser Fluiddruck ist gemäß den obigen Ausführungen eine
Funktion von Δ P.
In der Spiralwand, welche in den Fig. 6 und 7 jeweils
in einer Teildarstellung veranschaulicht ist, wobei gleiche
Bezugszahlen für gleiche Bauelemente verwendet werden, wer
den eine Vielzahl von auf Abstand voneinander angeordneten
Druckfedern dazu verwendet, um die mechanischen Hauptkräfte
zu erzeugen, welche dazu dienen, die schwimmende Spiral
wand 56 mit der Stirnplatte des gegenüber angeordneten
Spiralelementes zum Eingriff zu bringen. Es werden auch
pneumatische Kräfte verwendet, wie es bei der Vorrichtung
gemäß Fig. 4 der Fall ist, um eine tangentiale Abdichtung
aufrechtzuerhalten und um die axiale Kraft der Federn zu ver
größern. Zu diesem Zweck sind eine Anzahl von in periodischen
Abständen angebrachten Federöffnungen 80 in die Spiralwand-
Stirnfläche 73 gebohrt, und es ist jeweils eine Feder 81
in eine solche Bohrung eingesetzt. Die Anzahl und die Abstän
de der Federn 81 müssen derart gewählt sein, daß eine im wesent
lichen gleichförmige Federkraft pro Längenabschnitt des Umfangs
der Spiralwand hervorgerufen wird.
Da die Federn 81 kontinuierlich eine positive Kraft auf die
Spiralwand 56 ausüben, um es mit der Oberfläche des gegen
über angeordneten stirnseitigen Elementes in Berührung zu
bringen, ist im wesentlichen die gesamte erforderliche axiale
Kraft selbst während des Anlassens und des Abschaltens vorhan
den. Dies ist eine Tatsache, die zu einem zuverlässigeren Be
trieb während dieser Betriebsphasen als bei einer Anordnung
führt, die eine Vorrichtung gemäß Fig. 4 verwendet. Im Falle
der Vorrichtung gemäß Fig. 4 müssen jedoch die sich berühren
den Oberflächen der Spiralwand und der Nuten-Seiten da
zu in der Lage sein, genaue Passungen zu liefern.
Ebenso wie die Anordnung gemäß Fig. 6 verwendet die Ausfüh
rung gemäß Fig. 8 mechanische Einrichtungen wie ein
elastomeres Element 82, um die Spiralwand 56 mit der
Stirnplatten-Oberfläche des gegenüber angeordneten Spiral
elementes in Berührung zu bringen. Dieses elastomere Element
82 kann zweckmäßigerweise aus (natürlichem oder synthetischem)
Hartkautschuk oder aus einem anderen ähnlichen Material be
stehen. Obwohl die Druckdifferenz, welche über den Spiral
wänden besteht, wie bei den Vorrichtungen gemäß Fig. 4
und 7 dazu verwendet werden kann, einen Fluiddruck zu lie
fern, um die Spiralwand 56 radial nach außen zu drücken,
um eine radiale Dichtung aufrechtzuerhalten, ist dies nicht
unbedingt notwendig. Das elastomere Element 82 dient im
wesentlichen demselben Zweck wie die Federn 81. Da jedoch
auch eine positive Kraft in beiden axialen Richtungen wirkt,
wird das elastomere Element kontinuierlich dazu gebracht, mit
der Oberfläche 73 der Spiralwand und der Oberfläche 66
der Nut in Berührung zu stehen, so daß dadurch eine zusätz
liche radiale Dichtungseinrichtung gebildet wird, indem eine
Gasleckage unter der Spiralwand verhindert wird. Die
Spiralwand-Dichtung gemäß Fig. 8 findet vorzugsweise
in einer Vorrichtung Anwendung, bei welcher die Wartung
regelmäßig ausgeführt werden kann, da die Materialien, aus
welchen die elastomere Dichtung hergestellt ist, die Tendenz
haben können, mit der Zeit ihre guten Eigenschaften zu ver
lieren, so daß diese Dichtungen unter Umständen ausgetauscht
werden müssen. Solche elastomeren Elemente 82 können natür
lich nicht bei Maschinen verwendet werden, bei welchen ein
korrosives Fluid verarbeitet wird, welches die elastomeren
Dichtungen angreift oder mit dem Material dieser Dichtungen
reagiert.
Die Fig. 9 bis 12 veranschaulichen die Verwendung einer Feder/
Dichtung als mechanische Einrichtung, um die Spiralwand 56
dazu zu bringen, eine Berührung mit der Stirnplatte herbeizu
führen, so daß eine radiale Abdichtung gewährleistet wird,
während gleichzeitig eine gasdichte Abdichtung im Sitz der
Spiralwand 56 gewährleistet ist, um die tangentiale Ab
dichtung innerhalb der Vorrichtung aufrechtzuerhalten. In den
Fig. 9, 10 und 12 ist diese Feder/Dichtung als U-förmige Feder
85 ausgebildet. Die U-förmige Dichtung 85, deren Konfiguration
der Evolventenform der Nut und der Spiralwand angepaßt ist,
ist derart ausgebildet, daß dann, wenn sie gemäß Fig. 9 einge
setzt ist, ein Zusammendrücken erfolgt. Sie wird in der Weise
eingesetzt, daß ihr offenes Ende 86 derjenigen Tasche zuge
wandt ist, welche das Fluid mit dem höheren Druck enthält.
In ihrem zusammengedrückten Zustand in der Nut 52 stellt das
Ende 87 (siehe Fig. 10) eine dichtende Berührung mit der Ober
fläche 66 der Nut 52 her, und das Ende 88 stellt eine dichten
de Berührung mit der Stirnfläche 73 der Spiralwand 56 her.
Somit kann kein Gas aus der Tasche 59 durch die Nut 52 in die
Tasche 60 gelangen.
Eine weitere Ausführungsform einer Feder/Dichtung ist in der
Fig. 11 veranschaulicht. Diese Feder/Dichtung weist einen
evolventenförmig ausgebildeten, abgestuften Dichtungsstreifen
88 auf, wobei die Oberflächen der zwei Enden 89 und 90 des
Streifens einen dichtenden Kontakt mit den Oberflächen 73
und 66 herstellen, während die zwei einander gegenüber an
geordneten, evolventenförmig ausgebildeten Wellenfedern 91
und 92 die Enden 89 und 90 gegen diese Oberflächen drücken.
Somit kann die Feder/Dichtung als einstückiges Element aus
gebildet werden, wie es beispielsweise die U-förmige Feder
85 darstellt, ober als eine Mehrzahl von Elementen, die in
entsprechender Weise zusammenwirken, wie es in der Fig. 11
veranschaulicht ist.
Da die Federn/Dichtungen der in den Fig. 10 und 11 veran
schaulichten Art ein Gasleck eliminieren, können alle Ober
flächen bei den Spiralwänden und den Nuten mit herkömm
lichen Toleranzen gefertigt sein, während zugleich dennoch
bessere Ergebnisse erreichbar sind. Diese besseren Ergeb
nisse ergeben sich aus der Tatsache, daß die radiale Abdich
tung durch eine sich verschiebende Berührung zwischen der
Spiralwand und der gegenüber angeordneten Stirnplatte
des Spiralelementes erreicht wird, welche durch die
Druckkraft der Feder/Dichtung gewährleistet ist, und zwar
verhältnismäßig unabhängig von Δ P. Die Ausführungsform
gemäß Fig. 9-12 stellt somit ein ausgeglichenes Druck
dichtungselement dar, welches eine Eigenschaft der Kon
struktion des Spiralelementes ist und eine bevorzugte
Ausführungsform für den Sitz der Spiralwände in den
Nuten darstellt.
Die Fig. 12 veranschaulicht die Anwendung der Spiralele
mengen-Konstruktion gemäß der Erfindung unter Verwendung der
U-förmigen Feder 85 auf das umlaufende und das stationäre
Spiralelement, und sie veranschaulicht weiter die Aus
bildung von Ölnuten. Es ist ersichtlich, daß identische
Anordnungen verwendet werden. Somit ist die Spiralwand
57 in der Nut 55 durch die U-förmige Feder 95 in derselben
Weise gehalten wie die Spiralwand 56 in der Nut 54 durch
die U-förmige Feder 85.
Die Fig. 12 veranschaulicht auch die Verwendung von Ölnuten
96 in der Spiralwand 56 und von Ölnuten 97 in der Spiralwand 57.
Diesen Nuten zugeführtes Öl
liefert eine
Schmierung für die Berührung zwischen der Stirnfläche 61 der
Spiralwand und der Oberfläche 62 der Stirnplatte sowie
für die Berührung der Stirnfläche 63 der Spiralwand und
der Oberfläche 64 der Stirnplatte.
Die Fig. 13 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Spiralelementes, bei welcher die Evolven
tennut in der Stirnplatte als eine angehobene Bahn auf
der Stirnplatten-Oberfläche dargestellt ist. Die Spiral
wand hat einen zentral angeordneten Ansatz, um in die
in dieser Bahn gebildete Nut einzugreifen. Gemäß Fig. 13
hat das stationäre Spiralelement 50 eine Stirnplatte 100
mit einer evolventenförmig ausgebildeten Bahn 101, die eine
zentrale Nut 102 über ihre gesamte Länge aufweist. Diese
Bahn 101 hat eine Breite, die etwas geringer ist als die
Breite oder die Dicke der stationären Spiralwand 103.
Diese Spiralwand 103 mündet an demjenigen Ende, mit
welchem es mit der Stirnplatte 100 verbunden ist oder in
der Nut 102 geführt ist, in einem zentralen Evolventen
satz 104, dessen Breite etwas kleiner ist als die Breite
der Nut 102. In ähnlicher Weise hat das umlaufende Spiral
element 53 eine Stirnplatte 105 mit einer evolventenförmigen
Bahn 106, in welcher eine zentrale Nut 107 ausgebildet ist,
und zwar in der Weise, daß sie einen zentralen Ansatz 108
der umlaufenden Spiralwand 109 des Spiralelementes
führt.
Im Betrieb arbeiten die Spiralelemente gemäß Fig. 13
in derselben Weise wie die oben anhand der Fig. 4 beschrie
benen Spiralelemente. Dies bedeutet, daß sowohl axiale
als auch radiale Kräfte auf die Spiralwände 103 und 109
wirken, die pneumatische Kräfte sind, welche eine Funktion
von Δ P haben.
Nach Fig. 14 ist der Sitz der Spiralwand 165 in der
Stirnplatte 54 in der in Fig. 12 veranschaulichten Weise
erreicht. Außerdem ist hilfsweise eine Federung bzw.
Dichtung vorgesehen mit U-förmiger federnder Dichtung 158
als mechanische Einrichtung, die dazu dient, das
Dichtungselement 135 mit der Stirnplatte in Berührung zu
bringen, um eine radiale Abdichtung zu erreichen. Die
U-förmige Feder 158, identisch mit der der Fig. 10, liefert
auch eine gasdichte Abdichtung unter dem Dichtungselement
135, um die tangentiale Abdichtung innerhalb der
Vorrichtung zu gewährleisten. Wie im Falle ihrer Anwendung
im Sitz einer Spiralwand (insbesondere in Fig. 12)
eliminiert die U-förmige Feder 158 jedes Gasleck. Sämtliche
mit der Feder in Kontakt kommenden Oberflächen können mit
einfachen Toleranzen hergestellt werden. Dabei werden
gleichzeitig die Ergebnisse verbessert. Die Feder kann
allerdings auch in der in Fig. 11 dargestellten Weise
ausgebildet sein. Diese Anordnung bringt die Anforderungen
an die Fertigung auf ein Minimum, die für alle solche
Oberflächen sonst erforderlich ist, die bei der axialen
Abdichtung der Vorrichtung beteiligt sind. Sie trägt dazu
bei, ein bestimmtes Maß an axialer Federung zu erreichen.
Claims (8)
1. Rotationskolbenmaschine der Spiralbauart mit einem
stationären und einem ohne Eigenrotation auf einer
Kreisbahn umlaufenden Spiralelement, die jeweils eine
Stirnplatte und eine senkrecht dazu angeordnete
evolventenförmige Spiralwand aufweisen, wobei
Stirnflächen der Spiralwände in dichtendem Kontakt mit
den gegenüberliegenden Stirnplatten stehen und die
Spiralwände während der Bewegung des umlaufenden
Spiralelements durch linienförmigen Kontakt
Arbeitskammern variablen Volumens bilden, dadurch
gekennzeichnet, daß die Spiralwände (56, 57) als
separate Bauteile axiale und radial beweglich in an der
Stirnplatte (50, 53) ausgebildete, evolventenförmige
Nuten (52, 55) eingreifen und für den dichtenden Kontakt
mit der Spiralwand und der Stirnplatte des jeweils
anderen Spiralelements in der Nut (52, 55)
druckbeaufschlagt werden.
2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Druckbeaufschlagung der als
separate Bauteile ausgebildeten Spiralwände (56, 57) durch
Fluiddruck erfolgt (Fig. 4/Fig. 5).
3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Druckbeaufschlagung der als
separate Bauteile ausgebildete Spiralwände (56, 57) in
Radialrichtung durch Fluiddruck und in Richtung der
Stirnplatte des jeweils anderen Spiralelements durch
Federn erfolgt.
4. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Federn über den Umfang der
Spiralwand (56, 57) verteilte und in Bohrungen (81) eingesetzte
Schraubenfedern (80) sind (Fig. 6, Fig. 7).
5. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Federn durch einen in der Nut (52, 55)
eingesetzten Streifen aus elastomerem Werkstoff gebildet
werden.
6. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Federn (85) einen U-förmigen
Querschnitt aufweisen, dessen Enden (87, 88) am Nutgrund
(66) der Stirnplatte (51, 54) und an der Stirnfläche der
Spiralwand (56, 57) dichtend anliegen.
7. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Federn (88) einen stufenförmigen
Querschnitt aufweisen, dessen Enden (89, 90) durch
Wellenfedern (91, 92) an die Stirnfläche der Spiralwand (56, 57)
und den Nutgrund der Stirnplatte (51, 54) dichtend angedrückt
werden.
8. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß in der mit der Stirnplatte (51, 54) des
jeweiligen anderen Spiralelements in dichtendem Kontakt
stehende Stirnfläche der Spiralwand eine Nut (137, 151) angeordnet
ist, in der ein federbeaufschlagter Dichtstreifen (135, 152)
eingepaßt ist (Fig. 14).
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Legal Events
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8126 | Change of the secondary classification |
Ipc: F04C 18/02 |
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D2 | Grant after examination | ||
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