CH673679A5

CH673679A5 -

Info

Publication number: CH673679A5
Application number: CH4981/87A
Authority: CH
Inventors: Roland Kolb; Fritz Spinnler
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1987-12-21
Filing date: 1987-12-21
Publication date: 1990-03-30
Also published as: EP0321782B1; DE3864805D1; JPH01200085A; US4997348A; ES2026245T3; EP0321782A1; ATE67273T1

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolben-Verdrängungs-maschine für kompressible Medien, mit mindestens einem durch spiralförmige, sich von einer Seitenwand eines feststehenden Gehäuses senkrecht erstreckende Umfangswände begrenzten Förderraum, der von einem ausserhalb der Spirale liegenden Einlass zu einem innerhalb der Spirale liegenden Auslass führt, und mit einem in den Förderraum ragenden, spiralförmigen Verdrängungskörper, der in Bezug auf den Förderraum zur Ausführung einer kreisenden, verdrehungsfreien Bewegung gelagert ist und dessen Zentrum gegenüber dem Zentrum der Umfangswände exzentrisch so versetzt ist, dass der Verdrängungskörper stets sowohl die aussenliegende als auch die innenliegende Umfangswand des Förderraumes an je mindestens einer fortschreitenden Dichtlinie nahezu berührt, und wobei die Spiralform so gewählt ist, dass das theoretisch grösstmögliche Einlassvolumen im Förderraum zwischen Verdrängungskörper und aussenliegender Umfangwand erreicht ist, bevor der kreisende Läufer, der die senkrechten Verdrängungskörper trägt, in Bezug auf den Förderraum die 0°/360°-Stellung einnimmt, bei der der Verdrängungskörper an der aussenliegenden Umfangswand anliegt.

Eine Rotationsmaschine, deren Prinzip aus der DE-C3 2 603 462 bekannt ist, eignet sich für die Aufladung einer Brennkraftmaschine, da sie sich durch eine nahezu pulsations-freie Förderung des beispielsweise aus Luft oder aus einem Luft-Kraftstoff-Gemisch bestehenden Arbeitsmittels auszeichnet. Während des Betriebes eines derartigen Aufladegerätes werden entlang des Förderraumes zwischen dem Verdränger und den beiden Umfangswänden des Förderraumes mehrere sichelförmige Arbeitsräume eingeschlossen, die sich vom Einlass durch den Förderraum hindurch zum Auslass hin bewegen. Hierbei verringert sich ihr Volumen zunehmend bei einer entsprechenden Erhöhung des Arbeitsmittelsdruckes.

Eine Maschine der eingangs genannten Art ist bekannt aus 5 der DE-A-3 138 585. Die Tatsache, dass das theoretisch maximale Einlassvolumen grösser ist als das tatsächlich erzielbare Volumen, ergibt sich dadurch, dass die Spirale aus mehreren aneinanderanschliessenden Kreisbögensegmenten mit jeweils kleiner werdendem Radius zusammengesetzt ist. Eine Prinzips-lo kizze über dieses Verhalten ist in der später zu beschreibenden Figur 2 dargestellt. Bei der bekannten Maschine liegt der Verdrängungskörper bei der kreisenden Bewegung des Läufers erstmals in der sogenannten 0°/360°-Stellung an der äusseren Umfangswand an, womit der Ansaugvorgang als abgeschlossen i5 gilt. Versuche anhand von Wassermodellen haben nun jedoch gezeigt, dass bei dieser Konfiguration anlässlich des Schliessvor-gangs ein nicht unbeträchtlicher Teil des angesaugten Mediums vom Förderraum in den Einlass zurückströmt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, den Ein-20 lassbereich einer solchen Maschine dahingehend zu gestalten, dass das Rückströmen vermindert wird, wodurch der volumetri-sche Wirkungsgrad verbessert wird.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Dichtlinie am einlassseitigen Ende der aussenliegenden Um-25 fangswand gegenüber der 0°/360°-StelIung um einen Winkel a zwischen 5° und 50° vorverlegt ist, wobei die Umfangswand in diesem Winkelbereich einen Kreisbogen bildet.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt. Es zeigt:

30 Fig. 1 einen Querschnitt durch den Rotationskolbenverdichter mit stirnseitiger Ansicht des Verdrängungskörpers,

Fig. 2 eine Prinzipskizze zum Förderraumvolumen,

Fig. 3-6 diverse Arbeitsstellungen des Verdrängungskörpers.

In der Zeichnung sind alle für das Verständnis der Erfin-35 dung unwesentlichen Teile wie beispielsweise der Antrieb, die Lagerung und die Führung des Läufers, die Zu- und Abströ-mung des Arbeitsmediums fortgelassen.

Die gezeigte Maschine ist der Einfachheit halber mit nur einem Förderraum 6 und nur einem Verdränger dargestellt. Es 40 versteht sich indessen, dass der Verdränger in der gleichen Ebene ein ganzes System von Spiralen aufweisen kann, die beispielsweise jede von einem eigenen Einlass 2 in einen gemeinsamen Auslass 3 fördern können.

Zwecks Erläuterung der Funktionsweise der Maschine, wel-45 che eine Anwendung als Spiralverdichter finden könnte, wird auf die genannte DE-C3 2 603 462 verwiesen. Nachstehend wird nur der für das Verständnis der Erfindung notwendige Maschinenaufbau und Prozessablauf kurz beschrieben.

Mit 1 ist der scheibenförmigen Läufer insgesamt bezeichnet. 50 An einer oder an beiden Seiten der Scheibe 4 sind spiralförmig verlaufende Verdrängungskörper 5 angeordnet. Diese greifen in einen Förderraum 6 des feststehenden Gehäuses 7 ein und dichten gegen dieses über in die Stirnwand eingelegte Dichtstreifen 14. Der Förderraum 6 ist nach Art eines spiralförmigen Schlit-55 zes beispielsweise in das Gehäuse 7 eingearbeitet. Er verläuft von einem am äusseren Umfang der Spirale im Gehäuse angeordneten Einlass 2 zu einem im Gehäuseinneren angeordneten Auslass 3. Er weist im wesentlichen parallele, im gleichbleibenden Abstand zueinander angeordnete Umfangswände 8, 9 auf, 60 die hier — wie der Verdrängungskörper — eine Spirale von mehr als 360° umfassen. Zwischen diesen Umfangswänden 8, 9 wird der Verdrängungskörper 5 geführt. Dessen Krümmung ist so bemessen, dass er die inneren und äusseren Umfangswände gleichzeitig an mehreren Stellen nahezu berührt. Hierzu ist das 65 Zentrum 10 des Verdrängungskörpers 5 gegenüber dem Zentrum 11 des Förderraumes 6 exzentrisch versetzt. Die Spiralform von Förderraum und Verdrängungskörper setzt sich aus Viertelkreisbögen zusammen.

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Während des Betriebes der Maschine stellt sich durch den exzentrischen Antrieb des scheibenförmigen, den Verdrängungskörper 5 tragenden Läufers 1 eine Kreisbewegung jedes der Punkte des Verdrängungskörpers ein, wobei diese Kreisbewegung durch die Umfangswände des Förderraumes begrenzt ist. Infolge der mehrfachen, abwechselnden Annäherung des Verdrängungskörpers an die inneren und äusseren Umfangswände ergeben sich auf beiden Seiten des Verdrängungskörpers sichelförmige, das Arbeitsmedium einschliessende Arbeitsräume 12, die anlässlich der Kreisbewegung des Verdrängungskörpers durch den Förderraum in Richtung auf den Auslass vorgeschoben werden. Hierbei verringert sich das Volumen dieser Arbeitsräume und der Druck des Arbeitsmittels erhöht sich entsprechend.

In der Prinzipskizze nach Fig. 2 ist dargestellt, wieso das geometrisch mögliche Ansaugvolumen bei einer derartigen Maschine grösser ist als das tatsächlich im ersten Arbeitsraum eingeschlossene Volumen. Der Einfachheit halber ist die Spiralform durch zwei aneinanderliegende Halbkreise gegeben. Der Verdrängungskörper 5 befindet sich in der 0°/360°-Stellung, d.h. er bildet im Einlassbereich mit der äussern Umfangswand 9 eine Dichtlinie. Linie deshalb, weil sich die Umfangswände 8, 9 und der Verdrängungskörper 5 senkrecht zur Zeichnungsebene erstrecken. Der Ansaugvorgang ist beendet und der sichelförmige Arbeitsraum 12 setzt sich aus den drei Teilfächen A, B und C zusammen.

Wird nun der Verdränger um den Drehwinkel d8 zurückbewegt, so ist gemäss vergrössertem Ausschnitt in der Fig. 2 zu erkennen, dass sich die Teilfläche A des sichelförmigen Arbeitsraumes um den Betrag a ■ dx vergrössert, während sich die Teilfläche C um den Betrag c • dx verkleinert; die Teilfläche B bleibt unverändert. Der Einfluss dy der Verschiebung in radialer Richtung bleibt bezüglich der Flächenänderung vernachlässigbar, Die Gesamtfläche A+B + C vergrössert sich durch die Winkelverdrehung um den Betrag (a — c) ■ dx.

Auf dieser Erkenntnis beruht die Erfindung. Um ein grösst-mögliches Ansaugvolumen zu erzielen, wird deshalb gemäss Fig. 1 die eigentliche Schliesskante 13, d.h. die Stelle des erstmaligen Anliegens des Verdrängungskörpers an der äusseren Umfangswand des Förderraumes, um einen bestimmten Drehwinkel a, vorverlegt. Es versteht sich, dass im vorliegenden Fall ein optimaler Wert für den Winkel a nicht angegeben werden kann, da dieser von zahlreichen Parametern abhängig ist, beispielsweise von Spiralform, Exzentrizität, Vorderkante des Verdrängungskörpers, zu erwartenden Drosselverlusten usw. Aus der oben angeführten Betrachtung ist jedoch erkennbar, dass auch bereits kleine Winkel zu Ergebnissen führen.

Die Geometrie und die Funktionsweise der neuen Maschine werden anhand der Fig. 3-6 erläutert.

Der Verdrängungskörper 5 ist an seiner Eintrittskante strömungsgünstig, hier halbkreisförmig mit dem Radius R1 abgerundet. Das Zentrum des Halbkreises ist der geometrische Ort, der auf dem strichliert gezeichneten Exzenterkreis rotiert.

Bezüglich der durch die von der aussenliegenden Umfangswand 9 begrenzten Arbeitsräume 12 stellt die Verdrängerstellung nach Fig. 3 die Ausgangslage dar, d.h. der Ansaugzyklus beginnt. Es handelt sich um jene Verdrängerstellung, wie sie auch in Fig. 1 dargestellt ist und die als 180°-Stellung definiert ist. Der Verdränger bildet mit der innenliegenden Umfangs-5 wand 8 eine Dichtlinie und der obere Förderraum ist mit dem voll verfügbaren Querschnitt gegen den Einlass 2 geöffnet.

In Fig. 6 ist die entgegengesetzte 0°/360°-Stellung gezeigt. Der Verdrängter 5 liegt an der aussenliegenden Umfangswand 9 an. In dieser Stellung ist ohne die neue Massnahme der Ansaug-lo Vorgang abgeschlossen.

An der aussenliegenden Umfangswand 9 ist die Schliesskante 13 um den Winkel a gegenüber der Ebene, die die 0°/360°-Stellung markiert, vorverlegt. Nach Fig. 5 tritt die erstmalige Dichtlinie anlässlich der Kreisbewegung des Verdrängers 5 im 15 Vergleich zum herkömmlichen Fall also wesentlich früher auf. Der Ansaugvorgang ist demnach früher beendet. Das im Arbeitsraum 12 eingeschlossene Volumen ist in Anbetracht der Ausführungen zu Fig. 2 grösser als jenes, welches in Fig. 6 dargestellt ist. Das heisst nichts anderes, als dass auch der er-20 wünschte Verdichtungsvorgang früher einsetzt. Hierzu ist es jedoch erforderlich, dass vom Schliesspunkt 13 bis zur (^-Stellung permanent abgedichtet wird, damit keine Rückströmung aus dem Arbeitsraum 12 in den Einlass 2 erfolgt.

Der Übergang von der Umfangswand 9 bis zur Schliesskante 25 13 wird durch einen Kreisbogen 9' vollzogen. Dessen Radius R2 ist eine Funktion der Verdrängereintrittskante. Würde der Verdrängungskörper 5 scharfkantig abschliessen, so entspräche der Radius R2 der Exzentrizität e. Im gezeigten Beispiel mit halbrundem Abschluss entspricht der Radius R2 der Summe der 30 Radien R1 des Halbkreises und e der Exzentrizität.

Die Verdrängerposition nach Fig. 4, d.h. 270°-Stellung, soll lediglich aufzeigen, dass durch die neue Massnahme keine wirkliche Beeinträchtigung des Eintrittsströmungsquerschnitts stattfindet. Darüberhinaus versteht es sich, dass die Schliesskante 13 35 an sich nicht scharfkantig sein muss. Ein gegebenenfalls strö-mungsmässig günstigerer Übergang des Kreisbogens 9' zur Kanalwand des Eintritts 2 ist ohne weiteres denkbar.

Ein Zahlenbeispiel soll das erzielbare Ergebnis verdeutlichen. Es werden dabei nur die beteiligten Geometrien betrachtet, d.h. ein zusätzlicher eventueller Gewinn an verhinderter Rückströmung wird nicht berücksichtigt. Zugrundegelegt wird eine Grössenordnung, wie sie bei einer Anwendung der Maschine als Spiralkompressor zur Aufladung von Brennkraftmaschinen durchaus üblich ist.

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Der betrachtete Spiralenabschnitt an der aussenliegenden Umfangswand 9, von dem nur die ersten 360°C der Gesamtum-schlingung wesentlich sind — jener Abschnitt also, der den sichelförmigen Arbeitsraum 12 nach beendetem Ansaugen umso fasst — setzt sich aus zwei Halbkreisen mit den Radien 68 mm und 52 mm zusammen. Die Exzentrizität betrage 4 mm; die Schliesskante 13 sei um den Drehwinkel a = 50° vorverlegt. Bei dieser Konfiguration kann leicht errechnet werden, dass durch die neue Massnahme im Arbeitsraum eine Flächenver-55 grösserung von 5,1% erzielbar ist.

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2 Blätter Zeichnungen

Claims

673 679 2 PATENTANSPRÜCHE

1. Rotationskolben-Verdrängungsarbeitsmaschine für kom-pressibje Medien, mit mindestens einem durch spiralförmige, sich von einer Seitenwand (20) eines feststehenden Gehäuses (7) senkrecht erstreckende Umfangswände (8, 8) begrenzten Förderraum (6), der von einem ausserhalb der Spirale liegenden Einlass (2) und einem innerhalb der Spirale liegenden Auslass (3) führt, und mit einem in den Förderraum (6) ragenden, spiralförmigen Verdrängungskörper (5), der in Bezug auf den Förderraum zur Ausführung einer kreisenden, verdrehungsfreien Bewegung gelagert ist und dessen Zentrum (10) gegenüber dem Zentrum (11) der Umfangswände (8, 9) exzentrisch so versetzt ist, dass der Verdrängungskörper (5) stets sowohl die aussenlie-gende als auch die innenliegende Umfangswand (9 resp. 8) des Förderraums (6) an je mindestens einer fortschreitenden Dichtlinie nahezu berührt, wobei die Spiralform so gewählt ist, dass das theoretisch grösstmögliche Einlassvolumen im Förderraum (6) zwischen Verdrängungskörper (5) und aussenliegender Umfangswand (9) erreicht ist, bevor der kreisende Läufer (1), der die senkrechten Verdrängungskörper (5) trägt, in Bezug auf den Förderraum (6) die 0°/360°-Stellung einnimmt, bei der der Verdrängungskörper" (5) an der aussenliegenden Umfangswand (9) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtlinie am einlass-seitigen Ende der aussenliegenden Umfangswand (9) gegenüber der 0°/360°-StelIung um einen Winkel (a) zwischen 5° und 50° vorverlegt ist, wobei die Umfangswand (9) in diesem Winkelbereich einen Kreisbogen (9') bildet.

2. Rotationskolben-Verdrängungsarbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei halbkreisförmiger Ausbildung der Eintrittskante des Verdrängungskörpers (5) der vorverlegte Kreisbogen (9' ) einen Radius (R2) aufweist, welcher der Summe der Radien (R1 und e) von halbkreisförmigem Eintritt und Exzentrizität entspricht.