DE3738943A1 - Fluegelzellenpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Flügelzellenpumpe mit einem exzen­ trisch innerhalb einer Ringkammer eines Gehäuses angeordneten Rotor und plattenförmigen Flügeln, die innerhalb von Flügelnuten aus dem Ro­ tor heraustreten und in denselben zurücktreten können, wodurch wieder­ holte Volumenänderungen des Arbeitsraumes zwischen den Flügeln ent­ sprechend der Drehung des Rotors und der Flügel ausgenutzt werden, um ein Strömungsmittel an einer Seite anzusaugen und auf der anderen Seite abzugeben.

Anwendungsgebiet der Erfindung sind Flügelzellenpumpen für Aufla­ der, Kompressoren und dergleichen.

Eine Flügelzellenpumpe nach Fig. 8 ist in weitem Umfang bekannt. Innerhalb eines Gehäuses 31 ist in einer Ringkammer ein Rotor 52 ex­ zentrisch angeordnet und sitzt drehbar auf einer Welle 53. Plattenför­ mige Flügel 55 a, 55 b, 55 c sitzen in radialer Richtung einziehbar in Flügelnuten 54 a, 54 b, 54 c. Die Flügel 55 a, 55 b und 55 c haben gleichen Winkelabstand voneinander, so daß sie den Außenraum des Rotors 52 in drei Abschnitte teilen. Wenn sich die Welle 53 mit dem Rotor 52 in Pfeilrichtung X dreht, werden die Flügel 55 a, 55 b, 55 c durch die Zen­ trifugalkraft gegen den Außendurchmesser hin bewegt. Die Endkanten gleiten bei der Drehung auf der inneren Umfangsfäche des Gehäuses 51. Da der Rotor 52 exzentrisch gegenüber dem Gehäuse 51 ausgerichtet ist, ändert sich bei dieser Drehung das Volumen der Arbeitskammern 56 a, 56 b, 56 c, die durch das Gehäuse 51, den Rotor 52 und die Flügel 55 a, 55 b, 55 c gegeben sind. Dieses Volumen vergrößert sich und ver­ kleinert sich wiederholt, so daß Strömungsmittel an der Eintrittsöff­ nung 57 angesaugt und an der Austrittsöffnung 58 abgegeben wird.

Diese herkömmliche Flügelzellenpumpe ist insofern nachteilig, als sich die Flügel mit hoher Geschwindigkeit gleitend über die inne­ re Umfangsfläche des Gehäuses bewegen. Hierdurch wird eine große Rei­ bungswärme erzeugt. Eine beträchtliche Verringerung des Volumenwir­ kungsgrades läßt sich nicht vermeiden. Der Verschleiß steigt steil an. Die Flügel dehnen sich infolge der Reibungswärme aus und führen zu einem Fressen an den inneren Seitenflächen beider Stirnwände des Gehäuses.

Aufgabe der Erfindung ist die Ausschaltung der Reibung und der Reibungswärme, der Abnutzung und die Erhöhung des Volumenwirkungsgra­ des und der Lebensdauer.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß ko­ axial zu der inneren Umfangswandung Begrenzer oder Anschläge drehbar innerhalb der Stirnwände des Gehäuses angeordnet sind und daß die Begrenzer oder Anschläge mit den Flügeln ein Eingriff sind, um das Heraustreten der Flügel aus den Flügelnuten festzulegen, und daß eine Gegendrucksteuernut im Bereich der Fußfläche jedes Flügels an den Fuß jeder Flügelnut angeschlossen ist.

Die Erfindung unterscheidet sich insofern vom Stand der Technik, als das Heraustreten der Flügel aus den Flügelnuten nicht durch die Berührung mit der inneren Umfangsfläche des Gehäuses sondern dadurch festgelegt ist, daß die Endkante jedes Flügels eine durch den Ein­ griff mit dem in das Gehäuse und in jeden Flügel eingepaßten Begren­ zer gegebene Ortskurve festgelegt ist. Somit drehen sich die Flügel in einem Zustand ohne Kontakt mit der inneren Umfangsfläche des Ge­ häuses. Wenn die Flügel heraustreten und sich zurückziehen, läßt sich der Gegendruck am Fuß jeder Flügelnut auf der Fußseite eines Flügels einstellen, so daß keine übermäßige Belastung auf die Flügel beim Heraustreten und Zurückziehen einwirkt.

Infolge dieser kontaktfreien Drehung der Flügel gegenüber der inneren Umfangsfläche des Gehäuses läßt sich die Verringerung des Rotationswirkungsgrades und der Abnutzung der Flügel aufgrund des Gleitwiderstandes ausschließen. Die Herabsetzung des Volumenwirkungs­ grades infolge einer ansteigenden Erwärmung durch die Reibung läßt sich ausschalten. Die Gegendrucksteuernut ist am Fuß der Flügelnut ausgebildet, so daß der Gegendruck am Fuß der Nut gesteuert werden kann. Dadurch könen die Flügel gleichmäßig betätigt werden, ohne daß eine übermäßige Belastung einwirkt. Ein gleichmäßiger Betrieb der ge­ samten Pumpe ist sichergestellt.

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden unter Bezug­ nahme auf die Zeichnungen erläutert, in denen darstellt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Flügelzellenpumpe nach einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 einen Radialschnitt zur Erläuterung der Arbeitsweise,

Fig. 3 bis 5 jeweils Darstellungen verschiedener Ausführungsfor­ men einer Gegendrucksteuernut,

Fig. 6 einen Axialschnitt für eine zweite Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 7 einen Axialschnitt für eine dritte Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 8 einen Radialschnitt zur Erläuterung einer herkömmlichen Flügelzellenpumpe.

Die Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 umfaßt ein Gehäuse 1 und einen Gehäusedeckel 2, jeweils aus einem Nichteisenmetall wie Alu­ minium, das ein geringes spezifisches Gewicht und einen kleinen Wärme­ ausdehnungskoeffizienten hat. Der Gehäusedeckel 2 ist auf dem Gehäuse 1 mit Hilfe von Schrauben 3 befestigt. Ein Rotor 4 aus Stahl ist ex­ zentrisch in einer Ringkammer 5 des Gehäuses angeordnet und in den Stirnwänden des Gehäuses 1 und des Gehäusedeckels 2 mittels eines Ku­ gellagers 7 a bzw. 7 b gelagert. Das Kugellager 7 a ist durch einen Sprengring 6 verschiebungssicher an einer axialen Schulter des Gehäu­ ses 1 festgelegt. Das Kugellager 7 b ist durch einen Lagerdeckel 8 ver­ schiebungssicher an einer axialen Schulter des Gehäusedeckels 2 fest­ gelegt. Außerdem sitzen die Kugellager auf einer Welle 10, die über eine Riemenscheibe angetrieben wird. Plattenförmige Flügel 11 a, 11 b, 11 c, im wesentlichen aus einem Kohlenstoffwerkstoff mit guten Gleitei­ enschaften, sind in radialer Richtung verschiebbar und zurückziehbar in Flügelnuten 12 a, 12 b, 12 c angeordnet, die als Ausnehmungen in glei­ chen Umfangsabständen in dem Rotor 4 angeordnet sind, so daß sie den Außenraum des Rotors 4 in drei Abschnitte teilen. An einander gegen­ überliegenden, den axialen Stirnflächen des Rotors 4 zugeordneten Endflächen des Flügels 11 a, 11 b, 11 c stehen Stahlzapfen 13 heraus, auf die jeweils ein Lagerring aus Kunstharz mit guten Gleiteigenschaf­ ten und einem hohen Abriebswiderstand aufgeschoben ist. In einer Ring­ ausnehmung 14 a und 14 b in der inneren Stirnwand des Gehäuses 1 und des Gehäusedeckels 2 sind jeweils die einander gegenüberstehend und koaxial mit der inneren Umfangsfläche 1′ des Gehäuses 1 Begrenzerplat­ ten 15 a, 15 b aus einem Nichteisenmetall wie Aluminium vorgesehen, die jeweils eine Ringbahn 16 aufweisen. Die Begrenzerplatten 15 a, 15 b sind jeweils auf einem Kugellager 17 a, 17 b drehbar gelagert. Die Stahlzapfen 13, die jeweils aus den Flügeln 11 a, 11 b, 11 c vorstehen, greifen in Umfangsrichtung gleitend in die Ringbahn 16 der Begrenzer­ platten 15 a, 15 b ein. Dieser Eingriff legt die radiale Bewegung der Flügel 11 a, 11 b, 11 c bei der Drehung fest, so daß dadurch ein Zustand gegeben ist, bei dem ein schmaler Spalt zwischen den Endkanten der Flügel und der inneren Umfangsfläche 1′ des Gehäuses 1 vorhanden ist. In der Innenfläche der Stirnwände des Gehäusedeckels 2 ist eine Gegen­ drucksteuernut koaxial zu der Welle 10 im Bereich des Innendurchmes­ sers der Ringausnehmung 14 b ausgebildet, damit die Fußbereiche 12 a′, 12 b′, 12 c′ der Flügelnuten 12 a, 12 b, 12 c an der Fußseite der Flügel 11 a, 11 b, 11 c in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise miteinander in Verbindung stehen.

Die beschriebenen Flügelzellenpumpe arbeitet in folgender Weise. Bei der Drehung der Welle 10 und des Rotors 4 in Pfeilrichtung X infol­ ge des Antriebsmomentes über die Riemenscheibe 9 drehen sich auf die Flügel 11 a, 11 b und 11 c. Die aus Flügeln 11 a, 11 b und 11 c jeweils hervorstehenden Stahlzapfen 13 laufen innerhalb der Ringbahn 16 um. Da nach Fig. 2 die innere Umfangsfläche 1′ des Gehäuses 1 und die Ringbahn 16 koaxial zueinander, dagegen die Ringbahn 16 und der Rotor 4 exzentrisch zueinandner ausgerichtet sind, verschieben sich die Flü­ gel 11 a, 11 b, 11 c in radialer Richtung gleiten innerhalb der Flügel­ nuten 12 a, 12 b, 12 c des Rotors 4, so daß sie wiederholt heraustreten und zurückgezogen werden. Dadurch wird das Volumen der Arbeitskammern 5 a, 5 b, 5 c, die durch das Gehäuse 1, den Gehäusedeckel 2, den Rotor 4 und die Flügel 11 a, 11 b, 11 c festgelegt werden, wiederholt vergrößert und verkleinert. Nach Fig. 2 vergrößert die Arbeitskammer 5 a bei der Drehung ihr Volumen, so daß Strömungsmittel durch die Eintrittsöff­ nung ansaugt wird. Die Arbeitskammer 5 c verkleinert bei der Drehung ihr Volumen, so daß Strömungsmittel über die Austrittsöffnung abgege­ ben werden. Die Arbeitskammer 5 b überträgt das angesaugte Strömungs­ mittel von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung. Bei der be­ schriebenen Arbeitsweise haben die Endkanten der Flügel 11 a, 11 b, 11 c keinen Gleitkontakt mit der inneren Umfangsfläche 1′ des Gehäuses 1. Infolgedessen zeigt sich kaum ein Abrieb oder eine starke Erwärmung. Die Stahlzapfen 13 gleiten beim Umlauf in der Ringbahn 16 der Begren­ zerplatten 15 a, 15 b und werden dabei durch die Zentrifugalkraft gegen die äußere Umfangsfläche der Ringbahn 16 gedrückt. Infolgedessen fol­ gen die Begrenzerplatten 15 a, 15 b der Bewegung der Stahlzapfen 13 und drehen sich, da sich die Begrenzerplatten 15 a, 15 b auf den Kugella­ gern 17 a, 17 b drehen können. Die gegenseitige Gleitgeschwindigkeit zwischen den Stahlzapfen 13 und den Ringbahnen 16 ist klein, so daß der Abrieb der Ringbahnen 16 innerhalb der Begrenzerplatten 15 a, 15 b und der Stahlzapfen 13 minimiert wird.

Im Rahmen der beschriebenen Arbeitsweise ist auf die Fußbereiche 12 a′, 12 b′, 12 c′ der Flügelnuten 12 a, 12 b, 12 c zu achten. Die Volumi­ na dieser Fußbereiche 12 a′, 12 b′, 12 c′ vergrößern sich wiederholt und werden kleiner, wenn die Flügel 11 a, 11 b, 11 c infolge der Drehung des Rotors 4 heraustreten und sich zurückziehen. Das Volumen eines Fußbe­ reiches hat ein Minimum in der Kopflage nach Fig. 2, wenn der Flügel 11 a sich in seiner vollständig zurückgezogenen Stellung befindet. Da­ gegen hat das Volumen ein Maximum in der Fußlage nach Fig. 2, wenn der Flügel am weitesten aus der Fügelnut heraustritt. Der Innendruck innerhalb der Fußbereiche 12 a′, 12 b′, 12 c′ wirkt als Gegendruck auf die Flügel 11 a, 11 b, 11 c und nimmt jeweils zu oder ab entsprechend dem genannten Volumen. Dadurch wird eine erhebliche Belastung auf die Stahlzapfen 13 übertragen, die in die Ringbahn 16 eingreifen. In der Darstellung nach Fig. 1 vergrößert sich im Einzelnen das Volumen des Fußbereiches 12 b′, der Flügelnut 12 b, so daß der Innendruck oder Ge­ gendruck des Fußbereiches 12 b′ allmählich abnimmt. Der Fußbereich 12 c′ der Flügelnut 12 c, der sich bereits über den Fußpunkt bewegt hat, verkleinert umgekehrt sein Volumen, so daß der Innendruck oder Gegendruck allmählich ansteigt. Wenn der Rotor 4 mit hoher Drehzahl umläuft, führt die fortgesetzte Zunahme und Abnahme des Gegendruckes zu einer erheblichen Belastung der Stahlzapfen 13. Dieser Innendruck wirkt als Gegendruck auf die Flügel 11 a, 11 b, 11 c. Im ungünstigten Fall brechen die Stahlzapfen 13 ab.

Zur Behebung dieses Nachteiles hat die Flügelzellenpumpe nach der Erfindung eine Gegendrucksteuernut 18, damit der Innendruck der Nutbereiche 12 a′, 12 b′, 12 c′ der Flügelnuten gesteuert werden kann. Die Gegendrucksteuernut 18 ist ringförmig und koaxial zu der Welle 10 in der Innenfläche der Stirnwand des Gehäusedeckels 2 ausgebildet und verbindet die Fußbereiche 12 a′, 12 b′, 12 c′ der Flügelnuten miteinan­ der. Zwar ergeben sich gegenseitige Abweichungen in der Zunahme und Abnahme des Volumens der Fußbereiche 12 a′, 12 b′, 12 c′, jedoch ist die Gesamtsumme der Volumina der drei Fußbereiche 12 a′, 12 b′, 12 c′ im we­ sentlichen nahezu konstant. Die Gegendrucksteuernut 18 überträgt einen Anteil des Druckanstieges aus dem Fußbereich 12′ in der Druckan­ stiegphase in den Fußbereich 12 b′ in der Druckabnahmephase, so daß immer ein Druckausgleich sichergestellt ist. Infolgedessen wird keine übermäßige Zunahme oder Abnahme des Druckes in den Fußbereichen 12 a′, 12 b′ und 12 c′ hervorgerufen.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Gegendrucksteuer­ nut 18 in einen Druckabnahmeteil 18 a von der Kopfstellung bis zur Fuß­ stellung und einen Druckanstiegbereich 18 b von der Fußstellung bis zur Kopfstellung unterteilt ist. Der Druckabnahmebereich 18 a und ein Eintrittsverbindungsraum 19 einerseits und der Druckanstiegsabschnitt 18 b und ein Austrittsverbindungsraum 20 sind jeweils durch Leitungen 21 und 22 miteinander verbunden, so daß die Innenseite und die Außen­ seite der Flügel 11 a, 11 b, 11 c (der Fußbereich der Flügelnut und der Arbeitsraum) miteinander Verbindung haben, damit ein Druckausgleich zwischen Innenseite und Außenseite erfolgt.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, wonach die Gegendrucksteuer­ nut 18 und der Eintrittsverbindungsraum 19 durch eine Leitung 21 mit­ einander verbunden sind. Fig. 5 zeigt eine Anordnung, wonach die Ge­ gendrucksteuernut 18 und der Austrittsverbindungsraum 20 durch die Leitung 22 miteinander verbunden sind. Dadurch erfolgt zwischen der Innenseite und der Außenseite der Flügel 11 a, 11 b, 11 c ein grober Druckausgleich, so daß die Belastung auf die Flügel aufgehoben wird.

Gemäß Fig. 6 ist eine zweite Ausführungsform einer Flügelzellen­ pumpe so ausgelegt, daß die Begrenzerplatten bzw. Begrenzerring 23 a, 23 b einen einfachen Rechteckquerschnitt haben. Diese Begrenzerringe 23 a und 23 b sind in die Ringausnehmungen 14 a, 14 b eingepaßt, um den Aufwand und die Arbeitsleitung für die Herstellung der Begrenzerplat­ ten 15 a, 15 b herabzusetzen. Die Stahlstife 13 an den Stirnseiten der Flügel 11 a, 11 b, 11 c sind mit den inneren Umfangsflächen der Begren­ zerringe 23 a, 23 b in Eingriff, um das Heraustreten der Flügel aus den Flügelnuten 12 a, 12 b, 12 c festzulegen und die Flügel in einem kontakt­ freien Zustand gegenüber der inneren Umfangsfläche 1′ des Gehäuses 1 zu halten. Bei dieser Ausführungsform haben die Flügel 11 a, 11 b, 11 c eine Bewegungsfreiheit in Einzugsrichtung in die Flügelnuten 12 a, 12 b, 12 c. Die Flügel 11 a, 11 b, 11 c können sich frei zurückziehen, wenn die Pumpe anhält oder sich mit niedriger Geschwindigkeit dreht. Durch diese Bewegung wirkt eine Stoßbelastung auf die Flügel ein, die möglicherweise zu einer Schädigung führen kann. Infolgedessen stehen Anschläge 24 a und 24 b als Begrenzer an der Innenseite der Flügel 11 a, 11 b, 11 c vor, um dadurch die freie Bewegung derselben festzulegen.

Diese Anschläge 24 a, 24 b in Form einer Ringstufe sind koaxial zu der inneren Umfangswandung des Gehäuses 1 ausgerichtet und einstückig mit den Stirnwandungen des Gehäuses 1 und des Gehäusedeckels 2 geformt. In der Stirnfläche des Anschlages 24 b im Gehäusedeckel 2 sind die Ge­ gendrucksteuernuten 18 a, 18 b ausgebildet, die in der zuvor beschrie­ benen Weise konstruiert sind. Die Begrenzerringe 23 a und 23 b können durch Kugellager ersetzt werden.

Fig. 7 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung. Anschlä­ ge 25 a, 25 b erstrecken sich parallel zur Achse des Rotors und sind am Außenumfang der Begrenzerplatte 15 a, 15 b ausgebildet, um dadurch das Heraustreten der Flügel 11 a, 11 b, 11 c festzulegen. Profilanordnungen 26, 27 dienen zur Kopplung zwischen dem Rotor 4 und den Begrenzerplat­ ten 15 a, 15 b an gegenüberliegenden Stirnseiten des Rotors. Die Profil­ anordnungen 26, 27 sind jeweils dreifach in gleichen Winkelabständen an jeder Seite des Rotors vorhanden. Die Profilanordnungen 26, 27 pas­ sen jeweils in Ausnehmungen 32, 33, die in gleichen Winkelabständen an den Stirnwänden des Rotors 4 vorgesehen sind und greifen jeweils mit einem ersten Zapfen 28, 29, der sich zentral auf der inneren Sei­ tenfläche einer Kreisscheibe befindet, in den Rotor 4 ein. Die Zapfen 26, 27 sind jeweils in Kugellagern 34, 35 innerhalb des Rotors 4 dreh­ bar gelagert. Zu den Profilanordnungen 26, 27 gehören weiter zweite Zapfen 30, 31, die in die Begrenzerplatten 15 a, 15 b eingreifen und sich in der Nähe der Umfangskante jeder äußeren Oberfläche der Schei­ be befindet. Diese Zapfen 30, 31 sind in Kugellagern 38, 39 drehbar gelagert, die in Ausnehmungen 36, 37 in den Begrenzerplatten 15 a, 15 b aufgenommen sind. Die ersten Zapfen 28, 29 und die zweiten Zapfen 30, 31 sind jeweils auf einer Kreislinie gleichen Durchmessers angeord­ net, wobei die beiden Kreislinien um den gleichen Betrag exzentrisch gegeneinander versetzt sind, wie der Rotor 4 innerhalb des Gehäuses 1. Die Begrenzerplatten 15 a, 15 b drehen sich unter Vermittlung der Profilanordnung 26, 27 synchron mit dem Rotor 4. Diese Flügelzellen­ pumpe legt auch das Heraustreten der Flügel 11 a, 11 b, 11 c unter der Wirkung der Anschläge 25 a, 25 b fest, um die Flügel 11 a, 11 b, 11 c be­ rührungsfrei innerhalb des Gehäuses 1 zu halten. Außerdem werden die Profilanordnungen 26, 27 für eine synchrone Drehung der Begrenzerplat­ te 15 a, 15 b mit dem Rotor 4 benutzt, damit man einen Verlust an Dreh­ moment vermeiden kann, der von Reibungsverlusten, Wärmeerzeugung und anderen Größen bedingt ist. Innerhalb der Flügelzellenpumpe können die Profilanordnungen 26, 27 zur Vereinfachung des Aufbaus in Weg­ fall kommen. Auch die Anschläge, die in Verbindung mit der zweiten Ausführungsform der Erfindung beschrieben sind, können bei dieser Ausführungsform ausgenutzt werden.

Ferner kenn man auch andere Maßnahmen zur Festlegung der Bewe­ gung der Fügel 11 a, 11 b, 11 c einsetzen. Eine Maßnahme zur Festlegung der Größe des Heraustretens der Flügel 11 a, 11 b, 11 c ist darin begrün­ det, daß die genannten Profilanordnungen 26, 27 für einen Eintritt zwischen den Flügeln 11 a, 11 b, 11 c und den Begrenzerplatten 15 a, 15 b eingesetzt werden.

Claims (1)

1. Flügelzellenpumpe mit einem exzentrisch innerhalb einer Ringkam­ mer eines Gehäuses angeordneten Rotor und plattenförmigen Flügeln, die innerhalb von Flügelnuten aus dem Rotor heraustreten und in den­ selben zurücktreten können, wodurch wiederholte Volumenänderungen des Arbeitsraumes zwischen den Flügeln entsprechend der Drehung des Ro­ tors und der Flügel ausgenutzt werden, um ein Strömungsmittel an einer Seite anzusaugen und auf der anderen Seite abzugeben, dadurch gekenn­ zeichnet, daß koaxial zu der inneren Umfangswand (1′) Begrenzer (15 a, 15 b) oder Anschläge drehbar innerhalb der Stirnwände des Gehäu­ ses angeordnet sind und daß die Begrenzer oder Anschläge mit den Flü­ geln (11 a, 11 b, 11 c) in Eingriff sind, um das Heraustreten der Flügel aus den Flügelnuten (12 a, 12 b, 12 c) festzulegen, und daß eine Gegen­ drucksteuernut (18) im Bereich der Fußfläche jedes Flügels an den Fuß jeder Flügelnut angeschlossen ist.