DE4031468C2 - Flügelzellenpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Flügelzellenpumpe gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Flügelzellenpumpen sind aus der DE 38 13 132 A1 und der US 4,373,880 bekannt. Bei diesen Flügelzellenpumpen ist zur Verbesserung der Abdichtung zwischen Rotor und Gehäuse die Ge­ häusekontur im Bereich des unteren Totpunktes der Flügelbewegung so gestaltet, daß sich die den Ge­ häusequerschnitt umschreibende, geschlossene Kurve dort eng an den Rotor anschmiegt und zwischen dem Druck- und Saugbereich der Pumpe eine Schmiegeflä­ che über einen sinnvollen Drehwinkelbereich des Ro­ tors vorliegt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Flügelzellenpumpe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 in der Weise auszugestalten, daß an dem aus- beziehungs­ weise einfahrenden Flügel keine zu starken Ge­ räuschentwicklungen führenden Ruck- und Stoßbela­ stungen auftreten und die mechanischen Beanspru­ chungen an den Flügelenden mit ihren Höchstwerten über ein festgelegtes Höchstmaß nicht hinausgehen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im Kenn­ zeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkma­ len.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß der in der US 4,373,880 gezeigten Gehäusekontur Nach­ teile anhaften, da die in Fig. 6 gezeigten Be­ schleunigungskurven für den aus- beziehungsweise einfahrenden Flügel sehr große plötzliche Änderun­ gen aufweisen, wobei sie zwar harmonisch ansteigen und abfallen, aber hohe Absolutwerte für die Be­ schleunigung und infolgedessen für die auf den Flü­ gel wirkenden Massenkräfte haben.

Die Kurve, die die Gehäusekontur beschreibt, ist definiert als der Verlauf des Abstandes der Gehäu­ sekontur vom Rotormittelpunkt über dem Drehwinkel (vgl. US 4,373,880, Fig. 4). Während die einfach­ ste Übergangskurve zwischen den Kreisbögen im Be­ reich der beiden Totpunkte ein linearer Übergang, das heißt Geraden wären, ist eine solche Übergangs­ kurve praktisch nicht verwendbar, da an den Über­ gangspunkten vom Kreisbogen zur Geraden und umge­ kehrt unzulässige Ruck- und Stoßbelastungen auftre­ ten würden. Deshalb wurde nach der US 4,373,880 be­ reits vorgeschlagen, die Übergangskurve als voll­ ständige, zu der Geraden symmetrische Sinuslinien auszubilden, die bei einem Drehwinkel phi von 90° beziehungsweise 270° -ausgehend vom unteren Tot­ punkt der Flügelbewegung- jeweils einen Wendepunkt haben.

Nach der vorliegenden Erfindung werden nun die Übergangskurven jeweils aus Teilen einer Sinuskurve und zwei Parabelabschnitten gebildet, wobei die Si­ nuskurve eine vollständige Schwingung ausführt und die Bereiche ihrer beiden Extremwerte durch die beiden Parabelabschnitte ersetzt sind. Dabei sind die Sinuslinie und die Parabelabschnitte derart be­ stimmt, daß ihre ersten und zweiten Ableitungen in jedem der Übergangspunkte der jeweiligen Kurvenab­ schnitte im wesentlichen gleich groß sind. Hier­ durch wird erreicht, daß in den Winkelbereichen, in denen die Extremwerte der Beschleunigung des Flü­ gels liegen, das heißt in den Gehäusebereichen, in denen der Flügel am meisten beansprucht wird, durch die Formgebung der Gehäusekontur die Beschleunigung und der Verschleiß herabgesetzt werden und die Be­ schleunigung vorzugsweise konstant ist. Hierzu wird in dem ausgewählten Bereich der Übergangskurve die Sinuslinie bevorzugt als Abschnitt einer Parabel zweiter Ordnung (quadratische Parabel) ausgebildet, da diese die Eigenschaft hat, daß ihre zweite Ab­ leitung eine Konstante ist.

Es sei darauf hingewiesen, daß der Kurvenabschnitt, der die Sinuslinie im Bereich der Extremwerte er­ findungsgemäß ersetzen soll, auch eine Parabel höherer Ordnung oder ein anderes Polynom sein kann, wenn nur die angegebene Bedingung erfüllt ist, daß an den Übergangspunkten Sinuslinie-Polynom bzw. Polynom-Sinuslinie der Funktionswert der ersten und zweiten Ableitung beider Funktionen gleich groß ist und die Absolut­ werte der Funktionswerte der zweiten Ableitung über den gesamten Bereich, in dem die Sinuslinie ersetzt wird, kleiner sind als die Absolutwerte der Funktionswerte der zweiten Ableitung der Sinuslinie.

Die in Anspruch 2 angegebene Weiterbildung der Erfindung gibt einen bevorzugten Winkelbereich des Drehwinkels phi an, für den die Schmiegefläche zwischen Rotor und Gehäuse eine erhebliche Verbesserung der Saugleistung bewirkt, da Kurz­ schlußströmungen in der Flügelzellenpumpe zwischen Saug- und Druckseite vermieden werden. Diese Maßnahme erhöht bei einer technisch sinnvollen Länge des Dichtspaltes den volumetrischen Wirkungsgrad der Flügelzellengumpe. Der Winkelbereich ist vorzugsweise kleiner als 20°, aber mindestens etwa gleich der Dicke des Flügels.

Die im Anspruch 3 und 4 angegebenen Maßnahmen kennzeichnen dagegen eine Pumpe, bei der die auf die Flügelenden wirkenden Verschleißkräfte und Massekräfte besonders gleichmäßig sind und mit Bezug auf ihre Höchstwerte stark heruntergesetzt sind. Eine solche Pumpe zeichnet sich insbesondere durch ein hohes Fördervolumen bei hohem volumetrischen Wirkungsgrad, niedrigem Verschleiß und hoher Laufruhe aus.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Flügelzellenpumpe nach der Erfindung im Normal­ schnitt (schematisch);

Fig. 2 eine Abwicklung der die innere Gehäusekontur umschrei­ benden Kurve mit dem Drehwinkel phi des Flügels als Abszisse und dem Abstand des Flügelkopfes vom Rotor­ mittelpunkt als Ordinate;

Fig. 3 die zweite Ableitung der in Fig. 2 dargestellten Funktion;

Fig. 4 einen Querschnitt wie Fig. 1, jedoch für eine Pumpe mit einem am Kopf abgerundeten Flügel.

Fig. 1 zeigt schematisch den Querschnitt einer Flügelzellen­ pumpe mit einem Gehäuse 1, in dem ein exzentrisch gelagerter und in nicht näher dargestellter Weise angetriebener, kreis­ zylindrischer Rotor 2 mit Radius rR umläuft. Der Rotor 2 ist so im Pumpengehäuse 1 gelagert, daß er an einer Stelle, dem sog. unteren Totpunkt, in Umfangskontakt mit dem Pumpengehäuse steht, d. h. einen engen Dichtspalt mit dem Pumpengehäuse bildet. Der Rotor 2 besitzt zur Führung eines einzigen Flügels 3 lediglich einen in einer Axialebene des Rotors 2 liegenden Führungsschlitz. Der Flügel 3 ist in dem Führungsschlitz des Rotors 2 gleitend geführt. Seine Breite entspricht der axialen Länge des Pumpengehäuses 1. Er ist aus einem einzigen Stück gefertigt. Er kann aber auch an seinen Enden Dichtleisten aufweisen, die in Nuten des Flügels in radialer Richtung gleitend, jedoch dichtend geführt sind. Bezüglich weiterer Einzelheiten der Flügelzellenpumpe und der unterschiedlichen Bauformen der Flügel 3 wird auf die Beschreibung der DE-OS 38 13 132 Bezug genommen, die diesbezüglich auch für eine Flügelzellenpumpe nach dieser Erfindung Gültigkeit hat.

Der Flügel 3, der in Fig. 1 aus einem Stück besteht oder an seinen Enden Dichtleisten hat, hat eine Länge L und liegt in jeder Drehstellung des Rotors 2 dichtend am Umfang des Pumpengehäuses 1 an. Vorzugsweise sind die Flügelenden jedoch - wie in Fig. 4 gezeigt - mit einem Radius rF abgerundet. Dieser ist vorzugsweise gleich oder größer als die halbe Dicke des Flügels 3. Der Ein- und Auslaß der Flügelzellenpumpe ist in der Darstellung nach Fig. 1 und Fig. 4 weggelassen, ebenso weitere Details des Pumpengehäuses.

Die Umfangswand des Pumpengehäuses 1 ist so festgelegt, daß sie eine in sich geschlossene Kurve 10 ist, die der geometri­ schen Bedingung genügt, daß alle Sekanten durch den Mittel­ punkt des Rotors 2 die gleiche Länge haben, wobei diese Länge gleich der Flügellänge L ist. Dies gilt, wenn der Flügel wie in Fig. 1 mit spitzen Enden ausgeführt ist, da sich hierbei die Berührpunkte der Flügelspitzen am Gehäuse 1 bei Drehung des Flügels 2 nicht ändern und folglich die Flügellänge zwischen den Berührpunkten immer konstant ist. Wenn die Flügelenden jedoch - wie in Fig. 4 dargestellt - einen mehr oder weniger großen Radius rF besitzen, so ändern sich die Berührpunkte und die Flügellänge zwischen den Berührpunkten der Flügelköpfe mit der Drehlage des Rotors 2. In diesem Fall umschreibt die innere Umfangswand des Pumpengehäuses 1 in einem Normalschnitt der Flügelzellenpumpe - wie Fig. 4 zeigt - eine Äquidistante 10' zu einer in sich geschlossenen Kurve 11, die der geometrischen Bedingung genügt, daß alle Sekanten durch den Mittelpunkt des Rotors 2 die gleiche Länge haben und so lang sind wie die Flügellänge L-2rF. Die Äquidistante 10' hat von dieser Kurve 11 einen Abstand, der im wesentlichen gleich dem Krümmungsradius rF der Flügelköpfe ist.

Zur Konstruktion der Gehäusekontur der Flügelzellenpumpe mit spitzen Flügelköpfen nach Fig. 1 wird zunächst die Flügellänge L sowie der Außendurchmesser 2rR des Rotors 2 festgelegt. Hierbei ist wichtig, daß die Differenz zwischen Flügellänge L und Außendurchmesser 2rR des Rotors 2 das Fördervolumen der Pumpe im wesentlichen festlegt. Diese Differenz ist begrenzt durch Festigkeits- und sonstige Überlegungen. Da der Rotor 2 im Pumpengehäuse 1 so gelagert ist, daß er an einer Stelle, dem sog. unteren Totpunkt in Umfangskontakt mit dem Pumpengehäuse steht bzw. einen engen Dichtspalt mit dem Pumpengehäuse 1 bildet, taucht der Flügel 3 in dem unteren Totpunkt - wie in Fig. 4 gestrichelt gezeigt - vollständig in den Führungsschlitz des Rotors 2 ein. Bei der vorliegenden Erfindung wird die Abdichtung zwischen Saug- und Druckbereich dadurch erhöht, daß anstelle der Linienberührung zwischen Pumpengehäuse 1 und Rotor 2 eine Schmiegefläche mit einem längeren Dichtspalt in Gehäuseumfangsrichtung vorgesehen ist. Deshalb ist in einem Winkelbereich phi1 von insbesondere weniger als +/-10° vor und hinter dem unteren Totpunkt, d. h. zwischen den Punkten m und a, die Gehäusekontur 10 ein Kreisbogen um den Mittelpunkt des Rotors 2 mit im wesentlichen dem gleichen Radius rR wie der Radius des Rotors 2. Ein entsprechender Kreisbogen liegt auf der diametral gegenüberliegenden Seite des Pumpengehäuses 1 vor, und zwar über den gleichen Winkelbereich phi2 = phi1, d. h. in Fig. 1 zwischen den Punkten f und g der Kurve 10. Der Mittelpunkt des Kreisbogens ist der Mittelpunkt des Rotors 2 und sein Radius ist gleich L-rR. Weitere Punkte der Gehäuse­ kontur ergeben sich für einen Drehwinkel von 90° und 270°, da hier der Flügel 3 in beiden Richtungen gleich weit aus dem Rotor 2 ausgefahren ist. Die Kurve 10, die die Gehäusekontur zwischen den Kreisabschnitten festlegt, ist nun so konstruiert, wie im folgenden anhand der Fig. 2 und 3 beschrieben wird.

In Fig. 2 ist die die Gehäusekontur umschreibende Kurve 10 über dem Drehwinkel phi des Flügels 3 aufgetragen. Die Ordinate bzw. der Funktionswert R = f (phi) stellt dabei den Hub des ausfahrenden Flügels für den Drehwinkel phi zwischen 0° und 180° bzw. den Hub des einfahrenden Flügels für phi zwischen 180° und 360° dar. Wie bereits zuvor erläutert, hat die Kurve R = f (phi) zwischen den Punkten m und a sowie zwischen f und g jeweils einen konstanten Funktionswert, da sich der Flügel­ kopf auf einem Kreisbogen bewegt. Wie man aus Fig. 2 erkennt, wäre der einfachste Übergang zwischen den Endpunkten a und f der Kreisbögen der Gehäusekontur linear. Dies ist durch die strichpunktierte Gerade G dargestellt. Entsprechendes gilt für die Punkte g und m, die durch die Gerade G' verbunden sind. Da aber eine solche Übergangskurve nicht stetig in die Kreisbögen übergeht, erfüllt sie nicht die Bedingung der Ruck- und Stoßfreiheit. Deshalb wurde bereits vorgeschlagen, eine vollständige Sinuslinie um die Gerade G bzw. G' so zu legen, daß sie bei a beginnend und bei f endend eine volle Periode durchläuft und zu der Geraden G bzw. G' jeweils symmetrisch ist, d. h. auf der Mitte der Strecke die Gerade schneidet und dort einen Wendepunkt W1 bw. W2 hat. Eine solche Kurve R = f (phi) hat eine zweite Ableitung R" ähnlich Fig. 3, jedoch im Bereich der Extremwerte der Sinuslinie nicht die gezeigten Abflachungen, sondern viel höhere bzw. niedrigere Funktions­ werte.

Gemäß der Erfindung werden nun in der die zweite Ableitung R" darstellenden Kurve sowohl die Bereiche, die die Maxima enthalten, zwischen den Punkten b und c sowie k und l als auch die Bereiche, die die Minima enthalten, zwischen den Punkten d und e sowie h und i abgeschnitten. Hierdurch erfolgt eine Beschränkung der Funktionswerte dieser Kurve, die den Verlauf der Zentrifugalbeschleunigung des Flügels über dem Drehwinkel darstellt. Vorzugsweise hat der Bereich jeweils eine Breite, die einem Drehwinkel phi von angenähert 45° entpricht. Der Bereich kann aber auch größer oder kleiner gewählt werden. Dementsprechende Funktionswerte ergeben sich dann für die Extremwerte der Beschleunigung. In Fig. 3 sind die angegebenen Bereiche der Funktion R" durch Parallelen zur Abszissenachse ersetzt und der Übergang zwischen der Funktion R" und den Geradenabschnitten in den Punkten b bis e bzw. h bis l ist knickfrei angelegt. In den entsprechenden Bereichen der Fig. 2 ergeben sich durch zweifache graphische Integration der Geradenabschnitte zwischen den Punkten b bis e und h bis l jeweils entsprechende Parabelabschnitte, die ebenfalls knickfrei in die Sinuslinien übergehen. Damit lassen sich nun aus der Kurve R = f (phi) durch Abtragen der Funktionswerte für den zugehörigen Drehwinkel phi die restlichen Punkte der Gehäusekontur nach Fig. 1 gewinnen.

Für alle Punkte der Gehäusekontur gilt bei der Festlegung der Kurve 10 die Bedingung, daß jede beliebige Gehäusesekante 4 durch den Mittelpunkt des Rotors 2 die Flügellänge L hat.

Außerdem ist zu beachten, daß an den Übergangspunkten zwischen den verschiedenen Kurvenabschnitten (Kreisbogen, Sinuslinie, quadratische Parabel) in den Diagrammen nach Fig. 2 und Fig. 3 der Funktionswert und die Steigung aneinanderstoßender Kurven gleich groß sind. Entsprechendes gilt auch für die nicht dargestellte erste Ableitung R' = g (phi), die ein Maß für die Geschwindigkeit der Flügelköpfe in Abhängigkeit vom Drehwinkel phi ist.

Es ist günstig, wenn die Flügelköpfe nicht spitzkantig wie in Fig. 3, sondern mit einem ausreichend großen Abrundungsradius rF wie in Fig. 4 versehen werden. Dieser Abrundungsradius sollte etwa gleich der halben Flügeldicke sein. Wenn die Flügel mit abgerundeten Enden ausgebildet werden, erhält man eine Flügelzellenpumpe mit einer sehr guten Dichtung zwischen den Flügelköpfen und der Gehäuseumfangswand, wenn die Gehäuse­ umfangswand nach der folgenden Konstruktion ausgebildet wird:

Es wird zunächst die in Fig. 1 dargestellte, in sich geschlos­ sene Kurve nach den zuvor beschriebenen Grundsätzen konstru­ iert. Dabei wird allerdings die Größe rR (Rotorradius) als theoretischer Rotorradius gleich praktischer Rotorradius minus Abrundungsradius rF der Flügelenden. Die Kurve 11 wird dann so festgelegt, daß sie sich in der gewünschten Dichtzone dem theoretischen Umfang anschmiegt. Die Sekantenlänge der Kurve 11 ist sodann wiederum gleich der Größe L, wobei L definiert ist als die gewählte größte praktische Flügellänge minus dem doppelten Abrundungsradius rF der Flügelköpfe. Als Größe L (Flügellänge L) für die Sekantenlänge der Kurve 11 wird sodann eine theoretische Flügellänge Lth vorgegeben. Dabei ist diese theoretische Flügellänge Lth gleich der gewählten praktischen Flügellänge, abzüglich dem gewählten Abrundungsradius rF der Flügelköpfe. Die Gehäuseumfangswand wird daraufhin festgelegt als Äquidistante 10' zu der Kurve 11 mit dem Abstand des Krümmungsradius rF der Flügelköpfe.

Die Flügelköpfe müssen nicht mit kreisförmigem Querschnitt abgerundet sein. Für eine beliebige Abrundung gilt, daß die Gehäuseumfangswand zu der Kurve 11 durch die Abstände festge­ legt wird, welche die momentanen Berührkanten des Flügels 3 auf ihren Normalen zu der Mittelebene des Flügels 3 haben. Die Kurve 11 wird für den Schnittpunkt dieser Normalen mit der Mittelebene ermittelt. Die Mittelebene liegt in einer Radial­ ebene des Rotors 2 mittig zwischen den Seitenflächen des Flügels 3.

Bezugszeichenliste

1

Gehäuse, Pumpengehäuse

2

Rotor

3

Flügel

4

Gehäusesekante

10

Kurve, Gehäusekontur

10

'Äquidistante

11

geschlossene Kurve
a bis mPunkte der Kurve

10

G, G'lineare Verbindung (Gerade)
LFlügellänge
rFKrümmungsradius am Flügelkopf
rRRadius des Rotors
KKreisbogen mit konstantem Radius
SAbschnitt einer Sinuslinie
qPAbschnitt einer quadratischen Parabel
W1, W2Wendepunkte der Stammfunktion R = f (phi)
W3, W4Wendepunkte der 2. Ableitungsfunktion R"
phiDrehwinkel

Claims (4)

1. Flügelzellenpumpe, deren kreiszylindrischer Rotor (2) zur Flügelführung lediglich einen in einer Axialebene des Rotors (2) liegenden Führungsschlitz besitzt und deren Gehäusequerschnitt in einem Nor­ malabschnitt von einer in sich geschlossenen Kurve (10, 11) umschrieben wird, deren die Rotorachse schneidenden Sekanten im wesentlichen gleich der Flügellänge zwischen den Berührkanten des Flügels (3) sind und die im Bereich der beiden Totpunkte aus Kreisbögen (K) um den Rotormittelpunkt und da­ zwischen jeweils aus einer Übergangskurve besteht, welche den Verlauf des Abstandes der Kurve zum Ro­ tormittelpunkt beschreibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangskurven jeweils aus Teilen einer Sinuskurve (S) und zwei Parabelabschnitten (P) be­ stehen, wobei die Sinuskurve (S) eine vollständige Schwingung ausführt und die Bereiche ihrer beiden Extremwerte durch die beiden Parabelabschnitte (P) ersetzt sind, und wobei die Sinuskurve (S) und ihre Parabelabschnitte (P) derart bestimmt sind, daß ihre ersten und zweiten Ableitungen R' (phi) und R" (phi) in jedem der Übergangspunkte (a bis f) zwischen Kreisbogen (K) - Sinuskurve (S), Sinus­ kurve (S) - Parabel (P), Parabel (P) - Sinuskurve (S) und Sinuskurve (S) - Kreisbogen (K) jeweils im wesentlichen gleich groß sind.

2. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelbereiche (phi1) und (phi2) der Kreisbögen (K) jeweils kleiner als 20° sind.

3. Flügelzellenpumpe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte der Parabeln (P) sich jeweils über einen Drehwinkelbereich (phi) von angenähert 45° erstrecken.

4. Flügelzellenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils Parabeln (P) gleicher Ordnung, insbesondere quadratische Parabeln (q. P) angewandt werden.