DE3400594A1

DE3400594A1 - Stroemungsmaschine

Info

Publication number: DE3400594A1
Application number: DE19843400594
Authority: DE
Inventors: George Anthony Mount Martha Victoria Fairbairn
Original assignee: Individual
Current assignee: Fairbairn International Pty Ltd
Priority date: 1983-01-10
Filing date: 1984-01-10
Publication date: 1984-07-12
Also published as: US4747762A; FR2541387B1; JPS59141703A; GB2133473A; FR2541387A1; GB2133473B; GB8400186D0

Description

Diese Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine.

Es wurden Strömungsmaschinen vorgeschlagen, die zwei Rotoren bzw. Läufer aufweisen, die innerhalb einer Arbeitskammer zur Drehung um parallele Achsen angebracht sind. Einer der Läufer umfaßt radial auswärts gerichtete Vorsprünge, welche in Aussparungen und andere Läufer eingreifen. Die vorliegende Erfindung betrifft Strömungsmittelmaschinen, d.h. Pumpen oder Motoren, dieser Art, und es muß vermerkt werden, daß diese Art einer Maschine sich von sogenannten Zahnradpumpen oder -motoren unterscheidet, die zwei miteinander kämmende, gezahnte Läufer aufweist. Frühere Konstruktionen dieses Maschinentyps hatten die Neigung, im Betrieb verhältnismäßig ineffizient zu sein.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Strömungsmaschine vorgesehen, die ein Gehäuse mit einer Arbeitskammer in seinem Inneren aufweist, einen ersten und

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zweiten Läufer, die in der Kammer zur Drehung um jeweilige, zueinander parallele Achsen angebracht sind, wobei der erste Läufer eine Umfangs-Rotationsflache mit mindestens einem Vorsprung aufweist, der sich radial auswärts von dieser Oberfläche erstreckt, der zweite Läufer eine Rotations-Umfangsflache mit mindestens einer Aussparung aufweist, die so geformt ist, daß sie während der Drehung der beiden Läufer den Vorsprung aufnimmt, und die Umfangsflachen zusammenwirken, um eine Strömungsmittelsperre zwischen den beiden Läufern zu bilden, einen Einlaß, der zur Abgabe von Strömungsmittel in die Arbeitskammer in jenem Bereich angeordnet ist, der zwischen den Rotationsflächen der beiden Läufer an der einen Seite der Strömungsmittelsperre und der Umfangsflache der Arbeitskammer begrenzt ist, wobei der Einlaß so angeordnet ist, daß er das Strömungsmittel allgemein in eine solche Richtung lenkt, daß sich das Strömungsmittel rund um die Achse des ersten Läufers zwischen der Rotationsfläche des ersten Läufers und der Umfangsfläche der Arbeitskammer in einer Richtung von der Sperre weg erstreckt,einen Strömungsmittelauslaß, der zur Aufnahme von Strömungsmittel aus einem Bereich eingerichtet ist, der zwischen der Drehfläche der beiden Läufer an der anderen Seite der Sperre und der Umfangsfläche der Arbeitskammer gebildet ist, wobei der Auslaß so ausgerichtet ist, daß er allgemein in jene Richtung weist, in welcher das Strömungsmittel rund um die Achse es ersten Läufers bewegt wird, und eine Einrichtung, die Kanäle bildet, die die Läufer von der einen axialen Seite zur anderen hin durchdringen, um hierdurch den Druck an den beiden entgegengesetzten axialen Seiten des Läufers auszugleichen.

Weiter noch ist gemäß der Erfindung eine Ströpvungsmaschine vorgesehen, die eine Arbeitskammer mit einer Umfangsfläche aufweist, einen ersten und zweiten Läufer in der Kammer zur Drehung um parallele Achsen, wobei der erste Läufer eine im wesentlichen glatte Umfangsfläche

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mit einem Vorsprung aufweist, der sich radial auswärts von der Fläche aus erstreckt, der Vorsprung eine Spitze aufweist, die im wesentlichen in dichtender Zuordnung mit der Umfangsflache der Kammer steht, der zweite Läufer eine im wesentlichen glatte umfangsflache mit einer Aussparung aufweist, die von der Umfangsflache ausgeht, die Umfangsflache des zweiten Läufers im wesentlichen in dichtender Zuordnung mit der Umfangsflache der Kammer steht, der Vorsprung in die Aussparung während der Drehung des Läufers eintritt und die Umfangs· flächen zusammenwirken, um zwischeneinander eine Strömungsmittelsperre zu bilden, eine Einrichtung, die einen Strömungsmitteleinlaß bildet, der in die Arbeitskammer führt, um Strömungsmittel zwischen die Umfangsflache des ersten Läufers und die Umfangsflache der Kammer an der einen Seite der Strömungsmittelsperre zu leiten, sowie einen Strömungsmittelauslaß, der von der Arbeitskammer an der anderen Seite der Strömungsmittelsperre wegführt, wobei Einlaß und Auslaß allgemein in Richtung der Strömungsmittelbewegung im Inneren der Arbeitskammer weisen, und zwar in dem der Arbeitskammer benachbarten Bereich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun nur beispielsweise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Strömungsmaschine gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel

der Erfindung ist, wobei ein Teil des Ge-

häuses entfernt ist, um den inneren Aufbau

freizulegen,

Fig. 2 ein Schnitt durch die vollständige Strömungsmaschine längs Linie 2-2 in Fig. 1 ist,

Fig. 3 und 4 eine Seitenansicht bzw. eine Endansicht

ist, die detaillierter einen der Läufer der Maschine zeigen,

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Fig. 5 und 6 eine Seitenansicht bzw. eine Endansicht

ist, die detaillierter den anderen Läufer der Maschine zeigen, und

Fig. 7 eine Explosionsdarstellung der Maschine ist. 5

Die in den Zeichnungen dargestellte Maschine ist zur Verwendung als Pumpe für Wasser oder eine andere Flüssigkeit eingerichtet, aber es wird darauf hingewiesen, daß die Maschine auch als Strömungsmittelmotor verwendet werden könnte, wenn eine Strömungsmittel-Druckzufuhr der Maschine eingespeist würde.

Die Pumpe hat ein Gehäuse, welches durch ein Hauptgehäuse 2 und eine Abdeckplatte 4 gebildet ist. Das Haupt-

gehäuse 2 hat eine allgemein hohle Form und in seinem Inneren eine Arbeitskammer 6. Innerhalb der Kammer 6 ist ein erster und zweiter Läufer 8 und 1O angeordnet, wobei der Läufer 8 mit einander diametral gegenüberliegenden Vorsprüngen versehen ist, die Flanken in Evolventenform

aufweisen. Es wird vermerkt, daß in der Seitenansicht jeder Vorsprung 12 in der Breite fortschreitend von seiner Wurzel zu seiner Spitze abnimmt. Der zweite Läufer 10 ist mit einander diametral gegenüberliegenden Aussparungen 14 ausgebildet, die derart angeordnet sind, daß bei

gegenläufiger Drehung der Läufer 8 und 10 die Vorsprünge 12 in die Aussparung 14 eintreten. Die Seiten der Aussparungen 14 haben eine Evolventenform, die komplementär zu derder Vorsprünge 12 ist, und die Seiten stehen mit

den Seiten der Vorsprünge 12 in Eingriff, solange sich 30

die Vorsprünge 12 innerhalb der Aussparungen 14 befinden. Die Kammer 6 weist teilzylindrische Umfangsflachen 9 und 11 auf, welche mit den Spitzen der Vorsprünge 12 und der zylindrischen Oberfläche des Läufers 8 in Eingriff stehen (oder zu denen sie nur ein kleines Spiel aufweisen, beispielsweise weniger als 1 mm). Die Flächen 9 und 11 sind glatt miteinander durch konvexe Verbindungsflächen 13 und 15 verbunden, die vorgesehen sind, um die scharfen Vorsprünge zu vermeiden, die

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sonst durch den Schnitt der Flächen 9 und 11 gebildet würden.

Der erste Läufer 8 ist auf einer Welle 16 angebracht, die von Lagern 18 und 20 getragen ist, die in das Hauptgehäuse 2 und die Platte 4 eingelassen sind. Ein Ende der Welle 16 steht vom Gehäuse 2 ab und wird bei der Verwendung von einer geeigneten Antriebsquelle angetrieben, um das Drehmoment zum Antrieb der Pumpe zu liefern. Der zweite Läufer 10 ist an einer Welle 22 angebracht, welche durch Lager 24, 26 getragen ist, die in die Platte 4 bzw. das Gehäuse 2 eingelassen sind.

Die Wellen 16 und 22 drehen sich zwangsweise im Verhältnis 1 : 1 in Gegenrichtungen, und zwar mittels miteinander kämmender Zahnräder 28 und 30, die an der Welle 16 bzw. 22 angebracht sind. In der dargestellten Anordnung befinden sich die Zahnräder 4 und 30 innerhalb des Gehäuses und sind mit den entsprechenden Läufern 8 und 10 verschraubt bzw. verbolzt. Eine Stirndichtung 3 2 ist zwischen dem Zahnrad 28 und dem Lager 18 vorgesehen und dient dazu, das Strömungsmittel daran zu hindern, aus der Arbeitskammer in das Lager 18 einzudringen. Die Stirndichtung 32 weist bevorzugt die Form eines hohlen Balkens auf, der aus Kunststoff geformt ist. Falls etwa Strömungsmittel die Strömungsmitteldichtung 32 passiert, ist ein Ablaßloch 34 vorgesehen, um es dem Strömungsmittel zu gestatten, aus dem Gehäuse zu entweichen, statt in das Lager 18 einzudringen.

Bei einer alternativen Anordnung könnten die Zahnräder auch außerhalb des Gehäuses angeordnet sein, doch in diesem Fall wäre eine zusätzliche Stirndichtung erforderlich.

Wie am besten aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich ist, weist der erste Läufer 8 eine scheibenartige Form mit einer glatten Umfangsflache auf, die durch eine

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* Rotationsfläche gebildet ist, wobei sich die Vorsprünge 12 radial auswärts hiervon erstrecken. Speziell ist, wie gezeigt, die Umfangsflache zylindrisch. Die Anordnung ist derart, daß die axialen Flächen 36 und ^ des Läufers mit dem Zahnrad 28 bzw. der Platte 4 in Eingriff stehen oder in dichter Nähe liegen. Ähnlich wie in Fig. 5 und 6 gezeigt, weist auch der zweite Läufer 10 Scheibenform auf, und seine axialen Stirnflächen 40 und 42 stehen in Eingriff mit dem Zahnrad

¹^ 30 bzw. der Platte 4 oder befinden sich in enger Nachbarschaft hierzu.Die Umfangsflache des Läufers 10 ist ebenfalls glatt und, wie gezeigt, zylindrisch. In den Figuren ist die Zylinderfläche des Läufers 8 mit 44 bezeichnet, und jene des Läufers 10 ist mit 46 be-

¹^ zeichnet, wobei die Flächen 44 und 46 so angeordnet sind, daß sie miteinander in Eingriff stehen oder so eng nebeneinander liegen, daß sie eine im wesentlichen Strömungsmitteldichte Sperre zwischeneinander bilden.

Die Spitzen der Vorsprünge 12 stehen mit der Umfangs-

fläche der Kammer 6 in Eingriff oder befinden sich in

dichter Nähe zu dieser, und die Zylinderfläche 46 des zweiten Läufers 10 steht mit der Umfangsflache des entsprechenden Teils der Kammer 6 in Eingriff oder befindet sich in enger Nähe hierzu. 25

Es wurde bestimmt, daß nur zwei Vorsprünge 12 und zwei Aussparungen 14 optimale Wirkungen liefern, während sie einen einfachen Aufbau aufrechterhalten. Es wäre

allerdings auch möglich, andere Anordnungen vorzusehen, 30

mit beispielsweise drei Vorsprüngen und Aussparungen, welche ebenfalls noch mit gutem Wirkungsgrad arbeiten würden.

Die Pumpe hat einen Einlaß 48 und einen Auslaß 50 für 35

das zu pumpende Strömungsmittel bei Drehung des ersten

Läufers entgegen dem Uhrzeigersinn (entsprechend der Ansicht in Fig. 1); für die Drehung des ersten Läufers im Uhrzeigersinn wird das Element 48 der Auslaß und

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das Element 50 der Einlaß.

Der Betrieb der Pumpe ist wie folgt: wenn die Welle 16 derart angetrieben wird, daß sie den ersten Läufer 8 entgegen der Uhrzeigerrichtung gemäß der Ansicht in Fig. 1 dreht, dann veranlassen die Vorsprünge 12 das Strömungsmittel am Einlaß, daß es in die Kammer eingesaugt wird, und bewegen es in einer Richtung allgemein entgegen dem Uhrzeigersinn innerhalb der Kammer. Das Strömungsmittel gelangt zum Auslaß 50 wegen der Strö~ mungsraittelsperre zwischen den Läufern 8 und 10 nicht unmittelbar. Die Anordnung ist derart, daß der Vorsprung 12 in die Aussparung 14 eintritt, wobei die Profile des Vorsprungs 12 und der Aussparung 14 derart ausgebildet sind, daß sie im wesentlichen mindestens einen Berührungspunkt während des Zeitraumes beibehalten, während dessen sich der Vorsprung innerhalb der Aussparung befindet. An dieser Stelle wird das Strömungsmittel, daß gerade in die Kammer 6 eingetreten ist, nun, allgemein gesagt, unter dem Einfluß beider Vorsprünge 12 stehen, und die weitere Drehung der Welle 16 verlagert das Strömungsmittel rund um die Kammer bis zu der Stelle, an welcher der vorderste Vorsprung den Auslaß 50 passiert, und das Strömungsmittel wird dann aus dem Auslaß austreten.

Der Einlaß 48 fördert in jenem Bereiche, der zwischen der Umfangsflache der Kammer 6 und den zylindrischen Flächen 44 und 46 der Läufer 8 und 10 gebildet ist, und zwar an der einen Seite der Strömungsmittelsperre, die von den Flächen 44 und 46 gebildet ist, wobei der Einlaß derart ausgerichtet ist, daß er das Strömungsmittel allgemein in eine Richtung derart lenkt, daß sich das Strömungsmittel um den Läufer 8 in einer Richtung von der Strömungsmittelsperre weg bewegt. In gleicher Weise steht der Auslaß 50 unmittelbar mit dem gegenüberlieden Bereich in Verbindung, der zwischen der Umfangsflache der Kammer 6 und den zylindrischen Flächen der Läufer 8

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und 10 an der anderen Seite der Strömungsmittelsperre gebildet ist, wobei der Auslaß derart ausgerichtet ist, daß er allgemein in Richtung des Strömungsmittels weist, das rund um den Läufer 8 bewegt wird. Diese Ausbildung von Einlaß und Auslaß trägt in bezeichnender Weise zum Wirkungsgrad der Pumpe bei. Es wird insbesondere vermerkt, daß der Einlaß und Auslaß symmetrisch bezüglich einer Ebene angeordnet sind, welche die Achsen der beiden Läufer enthält, und winklig bezüglich der Achse des Läufers 8 um einen Winkel von im wesentlichen 270° zwischen Einlaß und Auslaß versetzt sind.

Die Profile der Vorsprünge 12 und Aussparungen 14, wie sie bereits früher beschrieben wurden, vermeiden den Einfluß von Strömungsmittel innerhalb der Aussparung an der Auslaßseite, wenn sich der Vorsprung in die Aussparung hinein bewegt. Statt dessen wird das Strömungsmittel innerhalb der Aussparung 14 im Bereich des Auslasses fortschreitend aus der Aussparung durch den Vorsprung dann hinausgedrückt, wenn sich der Vorsprung in die Aussparung bewegt. Dies ist von bezeichnender Bedeutung, weil der Einfluß von Strömungsmittel innerhalb der Aussparung durch den Vorsprung danach trachtet, den Wirkungsgrad der Pumpe abzusenken. In ähnlicher Weise bewegt sich an der Einlaßseite der Vorsprung aus der Aussparung heraus, ohne eine Tasche mit einem geschlossenen Vakuum innerhalb der Aussparung zu bilden.

Die Läufer 8 und 10 weisen eine Anzahl von Durchgangslöchern 60 auf, welche auf Löcher 62 in den Zahnrädern 28 und 30 ausgerichtet sind. Die Funktion dieser Löcher ist es, den Druck auf jeder axialen Seite der Läufer 8 und 10 auszugleichen, um den Aufbau seitlich gerichteter Schubwirkungen an den Läufern und Zahnrädern auszuräumen, der sonst danach trachten würde, die Reibung gegen das Gehäuse zu erhöhen und somit die Drehung zu erschweren, mit einer hieraus folgenden Verringerung im Wirkungsgrad.

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ia «i*i*r weiteren abgeänderten Ausführungsform i.st es

möglich/ Einlaß und Auslaß 48 und 50 so anzuordnen, * daß aie durch die Abdeckplatte 4 hindurchtreten, um ein* ©ehr tangentiale Ausrichtung bezüglich dem ringföjriaigen Strömungsweg für das Strömungsmittel zu ermögliehen. Dies trägt weiter dazu bei, daß sichergestellt ist, daß die Strömungsrichtung im Einlaß und Auel»fl in derselben allgemeinen Richtung weist wie jene des SfcrÖmungsmittels auf dem kreisrxngformigen Weg nahe d«m Einlaß bzw. Auslaß.

Ein frototyp der Erfindung wurde aufgebaut, und seine Leistung wurde überaus zufriedenstellend gefunden. B«i dem Prototyp waren die Wellen aus rostfreiem Stahl herg.e*tellt, das Gehäuse aus Aluminium oder Kunststoff gebil4et, die rotierenden Teile aus Kunststoff, wie etwa Nylon, die Lager waren aus einem Kunststoff hergestellt, wie etwa "Delrin", und die Dichtung 32 umfaßte ein· keramische Wasserpumpendichtung ähnlich jener, die in Kraftfahrzeugen verwendet ist. Das Gehäuse maß ungtfÄhr 21,5 χ 14,7 χ 6,4 cm und war in der Lage, bis

"■ 1 zu t$ 180- l/h zu pumpen, wenn sie mit 2000 min gedreht wurde, wobei die Ein- und Auslässe einen Durchmesser von etw» 3,8 cm aufwiesen. Dieselbe Pumpe konnte auch zufriedenstellend bei 500 min betrieben werden oder konnte von Hand bei niedrigeren Drehzahlen betrieben werden.

Bei der hier beschriebenen Pumpe wird die Pumpwirkung ^O durch die zwei Vorsprünge 12 vorgesehen. Obwohl die

Pumpe Zahnräder umfaßt, sind diese lediglich zu jenem Zweck vorgesehen, die beiden Läufer zu synchronisieren, und sie nehmen nicht unmittelbar teil bei der Pumptätigkeit als solcher,im Gegensatz zu jenen Wirkungen, ^ die bei einer herkömmlichen Zahnradpumpe auftreten.

Der wirksame Teil der Arbeitskammer der Pumpe, nämlich der Teil rund um den ersten Läufer zwischen dem Einlaß und Auslaß, wird im Volumen nicht durch die Zahnradzähne

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verringert, die von der Ümfangsoberflache des ersten Läufers abstehen und welche die Wirkung der Verringerung des Volumens des Strömungsmittels hätten _r das pro Umdrehung gepumpt wird. Die beschriebene Strömungsmaschine weist einen einfachen,robusten Aufbau auf und ist im Betrieb effizient.

Viele Abänderungen sind für den Fachmann erkennbar, ohne daß er den Gedanken und Bereich der Erfindung verläßt, wie sie auch in den beigefügten Ansprüchen umrissen sind.

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Claims

Ansprüche

1. Strömungsmaschine mit einem Gehäuse, die in ihrem Inneren eine Arbeitskammer auf v/eist, einem ersten und zweiten Läufer, die in der Kammer zur Drehung um jeweils parallele Achsen angebracht sind, einer Einrichtung zum Synchronisieren der Drehung der beiden Läufer, wobei der erste Läufer eine Rotationsfläche mit mindestens einem Vorsprung aufweist, der sich radial von der Oberfläche aus erstreckt, und der zweite Läufer eine Rotationsfläche mit mindestens einer Aussparung aufweist, die zur Aufnahme des Vorsprungs während der Drehung der beiden Läufer geformt ist, einem Einlaß, um Strömungsmittel in die Arbeitskammer zu lenken, und einem Auslaß, um das Strömungsmittel aus der Arbeitskammer abzugeben, dadurch gekennzeichnet , daß die Rotationsflächen (44, 46) des ersten und zweiten Läufers (8, 10) zusammenwirken, um zwischeneinander eine Strömungsmittelsperre zu bilden, der Einlaß (48) so ange-

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ordnet ist, daß er das Strömungsmittel in jenen Bereich der Arbeitskammer lenkt, der zwischen den Rotationsflächen (44, 46/ des ersten und zweiten Läufers (8, 10)an aer einen Seite der Strcraungsmittelsperre und der Qbexf lache (9) der Arbeitskammer (6) gebildet ist, der Einlaß (48) das Strörungsmittel allgemein in eine solche Eeichtung lenkt, daß sich das Strörnungsmittel rund um die Fläche (44) des ersten Läufers (8) von der Strömungsmittelsperre weg bewegt, der Auslaß (50) so angeordnet ist, daß er das Strömungsmittel aus jenem Bereich aufnimmt, der zwischen der Rotationsfläche (44, 46) der Läufer (8, 10) an der anderen Seite der Strömungsmittelsperre und der Oberfläche (9) der Arbeitskammer (6) gebildet ist, der Auslaß (50) so angeordnet ist, daß er in jene Richtung gewandt ist, in weleher sich das Strömungsmittel rund um die Fläche (44) des ersten Läufers (8) bewegt, und Druckausgleichskanäle (60) sich durch die Läufer (8, 10) von der einen axialen Seite zur anderen hin erstrecken.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (48) und der Auslaß (50) bezüglich einer Ebene-symmetrisch angeordnet sind, welche die Achsen der beiden Läufer (8, 10) enthält, und um die Achse des ersten Läufers um einen Winkel von etwa 270° versetzt sind, in der Drehrichtung des ersten Läufers (8) vom Einlaß (48) zum Auslaß (50) gesehen.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorsprung (12) und die Aussparung

(14) so geformt sind, daß sie den Einschluß von Strömungsmittel innerhalb der Aussparung (14) durch den Vorsprung vermeiden.

4. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorsprung (12) evolventenförmige Flanken aufweist, wobei sich die Breite des Vorsprungs (12) fortschreitend von seiner Wurzel zu seiner Spitze verringert, und daß die Aussparung (14) evolventenförmige Flanken

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aufweist, die mit den Flanken des Vorsprungs während der Drehung in Eingriff stehen.

5. Maschine nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisierungseinrichtung Zahnräder (28, 30) umfaßt, die innerhalb der Arbeitskammer (9) angeordnet sind.