EP0067307A2 - Flügelzellenverdichter - Google Patents

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EP0067307A2
EP0067307A2 EP82104036A EP82104036A EP0067307A2 EP 0067307 A2 EP0067307 A2 EP 0067307A2 EP 82104036 A EP82104036 A EP 82104036A EP 82104036 A EP82104036 A EP 82104036A EP 0067307 A2 EP0067307 A2 EP 0067307A2
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EP
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rotor
slots
vanes
radius
vane
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EP82104036A
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Dietrich Dipl.-Ing. Distler
Joachim Dr. Ing. Meier-Grotrian
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Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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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
    • F01C21/00—Component parts, details or accessories not provided for in groups F01C1/00 - F01C20/00
    • F01C21/08—Rotary pistons
    • F01C21/0809—Construction of vanes or vane holders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C18/00—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
    • F04C18/30—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids having the characteristics covered by two or more of groups F04C18/02, F04C18/08, F04C18/22, F04C18/24, F04C18/48, or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members
    • F04C18/34—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids having the characteristics covered by two or more of groups F04C18/02, F04C18/08, F04C18/22, F04C18/24, F04C18/48, or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members having the movement defined in group F04C18/08 or F04C18/22 and relative reciprocation between the co-operating members
    • F04C18/344—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids having the characteristics covered by two or more of groups F04C18/02, F04C18/08, F04C18/22, F04C18/24, F04C18/48, or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members having the movement defined in group F04C18/08 or F04C18/22 and relative reciprocation between the co-operating members with vanes reciprocating with respect to the inner member
    • F04C18/352—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids having the characteristics covered by two or more of groups F04C18/02, F04C18/08, F04C18/22, F04C18/24, F04C18/48, or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members having the movement defined in group F04C18/08 or F04C18/22 and relative reciprocation between the co-operating members with vanes reciprocating with respect to the inner member the vanes being pivoted on the axis of the outer member

Definitions

  • the invention relates to a vane compressor according to the preamble of claim 1.
  • the vanes are guided in plane-parallel slots of a rotor mounted eccentrically in a housing and, during operation, pressed against the cylindrical housing wall by centrifugal force, as a result of which individual chambers are formed, the partitions of which are formed by the vanes. Pressing the blades against the cylindrical housing wall causes considerable friction losses during operation, which also increase sharply with increasing speed. In this version, the blades constantly perform a periodic translational movement with respect to the rotor.
  • the vanes are held by a bolt which is fixed centrally in the cylindrical housing, projecting radially from the latter and reaching through axially parallel slots of a rotor designed as a hollow shaft and mounted eccentrically in the housing.
  • a rotor designed as a hollow shaft and mounted eccentrically in the housing.
  • spring-loaded, movable sealing strips were arranged either in the rotor on both sides of the wing, which took over the actual sealing between the wing and the rotor.
  • the spring elements for example designed as leaf springs, must be dimensioned so strongly that the contact between the wing and the sealing strips is maintained even with very fast periodic movements. This contact pressure together with the translational movement of the wing also leads to friction losses; in addition, there is a not insignificant manufacturing effort.
  • a rotatably arranged cylindrical sealing strip is provided in the ring-cylindrical rotor at each penetration point of the wing, each of which has a slot for the passage of a wing and which performs a pure translational movement with respect to the wings when the machine is in operation.
  • the cylindrical sealing strip performs a periodically reciprocating rotary movement with respect to the rotor, although friction and leakage losses occur both between the wing and the cylindrical sealing strip and between the cylindrical sealing strip and the rotor.
  • the object underlying the invention is therefore to be seen in creating a vane compressor of the type specified in the preamble of claim 1, in which the sealing and guiding problems of the vane in the rotor slots are simple and of little construction be solved in a complex manner and in which the friction losses are kept as small as possible.
  • 1 denotes the cylindrical, fixed compressor housing, which of course, as is not further shown here, has an inlet and an outlet arranged on the circumference.
  • 2 shows a rotor, which is mounted eccentrically in the housing about an axis 9 and is designed as a hollow shaft and can be driven, for example, in the direction of arrow 8.
  • 3 denotes a bolt held centrally in the housing 1, on which radially aligned vanes 4, of which only one is shown here for the sake of simplicity, are rotatably supported in that hubs 13 connected to the vanes with the interposition of a bearing 12 grasp the bolt 3.
  • the pump delivery in general two, (with only a low pressure ratio) but preferably three or more blades (with a larger pressure ratio) are provided.
  • the wings reach through axially parallel slots 5 arranged on the circumference of the rotor 2 and are at their largest radius only a short distance from the housing according to the manufacturing tolerances, so that between the two on both sides of the wing in the crescent-shaped space between the compressor housing 1 and the rotor Only 2 leakage volume flow is made possible for the 2 chambers 6 and 7 formed.
  • the vanes 4 When the rotor 2 is rotated, the vanes 4 are carried in the same direction of rotation, and because of the eccentricity of the rotor 2, they not only perform a translational movement with respect to the rotor 2, but also a pivoting movement.
  • the thickness of the blade In order to enable a free passage of the sealing strips through the slots 5 of the rotor 2, the thickness of the blade should now be varied as a function of the distance from the center of the housing 10, essentially in such a way that both are possible with each rotor position that is possible during operation Wing sides just lightly touch the edges of slot 5.
  • the shape of the slit edges can now be different. It is thus possible to design the edges on both sides as sharp-edged cutting edges or, as indicated in the drawing, to be rounded in a circular arc.
  • a wing 4 is also shown on an enlarged scale and in a greatly exaggerated manner, construction sizes 9 and ⁇ being entered for one location on the contour. It goes without saying that at angular values of 0 ° and 180 0 (in these cases ⁇ and ⁇ are the same) the wing thickness ⁇ must be the same, the gap width s, as can also be seen from the relationships.
  • the main advantage of the invention is that, taking into account the design rules specified in the invention for the profiling of the blades of a vane compressor, a sealing strip-free passage of the blades through the rotor slots is ensured, which on the one hand reduces the construction costs due to the lack of such sealing strips, and on the other but also the sealing effect and thus the efficiency of the machine is significantly improved, since by setting the tolerances it can be ensured that only very low mechanical friction losses occur and a relatively good sealing effect is nevertheless achieved. So the wing length can be dimensioned so that there is practically no contact with the outer periphery of the wing on the cylindrical housing wall. On the other hand, a contact and thus the occurrence of losses occurs only once on each side when the flights pass through the rotor slot, and depending on the manufacturing tolerances, an actual contact can only occur on one side without the sealing effect being significantly impaired.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Flügelzellenverdichter mit einem in einem zylindrischen Gehäuse konzentrisch gehaltenen Bolzen mit darauf gelagerten, radial gerichteten Flügeln und mit einem exzentrisch im Gehäuse gelagerten, als Hohlwelle ausgebildeten Rotor mit am Umfang vorgesehenen, achsparallel verlaufenden Schlitzen zum Durchgriff der Flügel. Um einen Flügelzellenverdichter dieser Bauart zu schaffen, bei dem die Dichtungs- und Führungsprobleme des Flügels in den Rotorschlitzen auf einfache und wenig bauaufwendige Weise gelöst werden, und bei dem die Reibungsverluste möglichst klein gehalten werden, sollen die Flügel (4) eine mit dem Radius sich ändernde Dicke aufweisen, die jeweils gerade so groß ist, daß die Flügel bei jeder sich im Betrieb ergebenden Rotorstellung im Bereich des Durchgriffs durch die frei von beweglichen Dichtleisten gehaltenen Schlitze (5) des Rotors (2) die Schlitzränder auf beiden Seiten leicht berühren.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Flügelzellenverdichter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Bei Flügelzellenverdichtern können im wesentlichen zwei im Prinzip unterschiedliche Konstruktionsarten festgestellt werden. Bei der einen Ausführung werden die Flügel in planparallelen Schlitzen eines exzentrisch in einem Gehäuse gelagerten Rotors geführt und beim Betrieb durch die Fliehkraft gegen die zylindrische Gehäusewand gedrückt, wodurch einzelne Kammern gebildet werden, deren Trennwände durch die Flügel gebildet werden. Durch das Andrücken der Flügel gegen die zylindrische Gehäusewand entstehen beim Betrieb beträchtliche Reibungsverluste, die zudem mit wachsender Drehzahl stark ansteigen. Die Flügel führen bei dieser Ausführung gegenüber dem Rotor ständig eine periodische Translationsbewegung aus.
  • Bei der anderen Bauart werden die Flügel von einem zentrisch in dem zylindrischen Gehäuse befestigten Bolzen gehalten, wobei sie von diesem radial abstehen und durch achsparallele Schlitze eines als Hohlwelle ausgebildeten, exzentrisch in dem Gehäuse gelagerten Rotors hindurchgreifen. Hierbei kann durch entsprechende Toleranzfestlegung dafür gesorgt werden, daß ohne eine direkte Berührung der Flügel an der zylindrischen Gehäusewand ein im Betrieb nur noch geringer Leckagevolumenstrom zwischen den einzelnen durch Rotor, Gehäuse und Flügel gebildeten Kammern ermöglicht wird. Jedoch ergibt sich infolge der periodischen Schwenkbewegungen, die zusätzlich zu den Translationsbewegungen zwischen den Flügeln und dem Rotor vorhanden sind, im Bereich des Durchtritts der Flügel durch die Rotorschlitze ein Führungs- und Abdichtungsproblem, das bisher im wesentlichen auf zwei verschiedene Arten zu lösen versucht wurde.
  • Dazu wurden entweder in dem Rotor beiderseits des Flügels beispielsweise federbelastete, bewegliche Dichtleisten angeordnet, die die eigentliche Abdichtung zwischen dem Flügel und dem Rotor übernahmen. Die beispielsweise als Blattfedern ausgebildeten Federelemente müssen dabei so stark dimensioniert sein, daß auch bei sehr schnellen periodischen Bewegungen der Kontakt zwischen dem Flügel und den Dichtleisten erhalten bleibt. Diese Anpreßkraft zusammen mit der Translationsbewegung des Flügels führt ebenfalls zu Reibungsverlusten; außerdem ergibt sich ein nicht zu vernachlässigender Fertigungsaufwand.
  • Bei einer anderen Konstruktion ist in dem ringzylindrischen Rotor an jeder Durchdringungsstelle der Flügel eine drehbar angeordnete zylindrische Dichtleiste vorgesehen, die jeweils einen Schlitz zum Durchtritt eines Flügels aufweist und der gegenüber der Flügel beim Betrieb der Maschine eine reine Translationsbewegung ausführt. Die zylindrische Dichtleiste führt dagegen gegenüber dem Rotor eine periodisch hin- und zurückgehende Drehbewegung aus, wobei allerdings Reibungs- und Leckageverluste sowohl zwischen dem Flügel und der zylindrischen Dichtleiste als auch zwischen der zylindrischen Dichtleiste und dem Rotor entstehen. Darüberhinaus ergibt sich auch hier ein erheblicher Bauaufwand.
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist daher darin zu sehen, einen Flügelzellenverdichter der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, bei dem die Dichtungs- und Führungsprobleme des Flügels in den Rotorschlitzen auf einfache und wenig bauaufwendige Weise gelöst werden und bei dem die Reibungsverluste möglichst klein gehalten werden.
  • Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1. Erfindungsgemäß werden also nicht Flügel mit konstanter Dicke, sondern mit einer mit dem Radius sich ändernden Dicke verwendet, wobei diese jeweils gerade so groß bemessen ist, daß die Flügel die beiden Schlitzwände in jeder Rotorstellung leicht berühren. Dabei ist für. jeden im Betrieb möglichen Winkel,unter dem der Flügel durch den Rotor hindurchtritt, ein ganz bestimmter Abstand der Berührpunkte des Flügels von der Gehäuseachse feststellbar, für den sich dann eine ganz bestimmte Flügeldicke ergibt. Für Abstand ρ und Dicke 5 ergeben sich die im Anspruch 4 angegebenen Beziehungen, in denen beide Werte als Funktion des Flügelwinkels Ω und des Rotorwinkels ϕ darstellbar sind.
  • In der Zeichnung ist anhand einer schematischen Darstellung die Erfindung gezeigt, die im folgenden näher erläutert wird. Dabei zeigen
    • Figur 1 einen Querschnitt durch einen Flügelzellenverdichter gemäß der Erfindung und
    • Figur 2 den Querschnitt eines Flügels mit veränderlicher Dicke gemäß der Erfindung.
  • In der Zeichnung ist mit 1 das zylindrische, feststehende Verdichtergehäuse bezeichnet, das selbstverständlich, wie hier nicht weiter dargestellt ist, einen jeweils am Umfang angeordneten Ein- und einen Auslaß aufweist. 2 stellt einen exzentrisch in dem Gehäuse um eine Achse 9 drehbar gelagerten, als Hohlwelle ausgebildeten Rotor dar, der beispielsweise in Richtung des Pfeiles 8 antreibbar ist. Mit 3 ist schließlich ein zentrisch in dem Gehäuse 1 gehaltener Bolzen angegeben, auf dem radial ausgerichtete Flügel 4, von denen der Einfachheit halber hier nur einer dargestellt ist, dadurch drehbar gelagert sind, daß jeweils mit den Flügeln verbundene Naben 13 unter Zwischenschaltung eines Lagers 12 den Bolzen 3 umgreifen. Prinzipiell ist es zwar möglich, nur einen Flügel vorzusehen, jedoch werden in Abhängigkeit von der Druckerhöhung der Pumpenförderung im allgemeinen zwei, (bei nur geringem Druckverhältnis) vorzugsweise aber drei oder mehr Flügel (bei größerem Druckverhältnis) vorgesehen.
  • Die Flügel greifen durch am Umfang des Rotors 2 angeordnete achsparallele Schlitze 5 hindurch und haben an ihrem größten Radius einen entsprechend den Fertigungstoleranzen nur noch geringen Abstand zum Gehäuse, so daß zwischen den beiden beiderseits des Flügels in dem sichelförmigen Raum zwischen dem Verdichtergehäuse 1 und dem Rotor 2 gebildeten Kammern 6 und 7 ein nur noch geringer Leckagevolumenstrom ermöglicht wird.
  • Bei der Drehung des Rotors 2 werden die Flügel 4 in der gleichen Drehrichtung mitgenommen, wobei sie gegenüber dem Rotor 2 aufgrund der Exzentrizität des Rotors 2 nicht nur eine Translationsbewegung, sondern zusätzlich auch noch eine Schwenkbewegung ausführen. Um eine frei von beweglichen Dichtleisten gehaltene Durchführung der Flügel 4 durch die Schlitze 5 des Rotors 2 zu ermöglichen, soll nun die Dicke des Flügels als Funktion des Abstandes vom Gehäusemittelpunkt 10 variiert werden und zwar im wesentlichen so, daß bei jeder im Betrieb möglichen Rotorstellung beide Flügelseiten die Ränder des Schlitzes 5 gerade leicht berühren.
  • Die Form der Schlitzränder kann nun unterschiedlich sein. So ist es möglich, die Ränder beidseitig als scharfkantig zulaufende Schneiden oder aber auch, wie in der Zeichnung angedeutet, kreisbogenförmig abgerundet auszuführen. Bei der in der Zeichnung gezeigten Ausführung ergeben sich im 1. Iterationsschritt unter Vernachlässigung der Tatsache, daß die Berührpunkte an den beiden Flügelseiten für unterschiedliche Rotorstellungen nicht exakt auf gleicher Höhe liegen, für die Profilierung der Flügel folgende geometrische Beziehungen für den Abstand der Berührpunkte von der Gehäusemitte g und für die Flügeldicke 6 an dieser Stelle, wobei beides Funktionen der Winkelstellung des Flügels bzw. des Rotors sind:
    Figure imgb0001
    und
    Figure imgb0002
    In diesen Beziehungen bedeuten: Ω der in der Figur 1 eingetragene, beim Umlauf des Rotors 2 sich ändernde Winkel zwischen dem Flügel 4 und der Mittellinie 11, und zwar gemessen von jenem Punkt, in dem der Rotor 2 nahezu das Verdichtergehäuse 1 berührt; ϕ der beim Umlauf des Rotors sich ändernde Winkel zwischen dem dem Flügel 4 zugeordneten Schlitz 5 und der Mittellinie 11, und zwar ebenfalls von der zuvor beschriebenen Anfangsstellung aus gemessen; e die Exzentrizität der Rotorachse 9 bezüglich der Gehäuseachse 10; s die Breite des Schlitzes 5; rw der Radius der Schlitzwandabrundung; r der Radius des Kreisbogens auf dem die Mittelpunkte für die Schlitzwandabrundungsradien rw liegen und E die Bogenhöhe des durch den Kreisbogen mit dem Radius r und durch die Verbindungslinie der beiden Mittelpunkte der Kreise mit dem Radius rw gebildeten kleinen Kreisabschnitts bedeutet, für die die folgende Beziehung gilt:
    Figure imgb0003
    und
    Figure imgb0004
    In der Figur 2 ist noch in vergrößertem Maßstab und in stark übertriebener Weise ein Flügel 4 dargestellt, wobei die Konstruktionsgrößen 9 und Ö für eine Stelle der Kontur eingetragen sind. Es ist selbstverständlich, daß bei Winkelwerten von 0° und 1800 (in diesen Fällen sind ϕ und Ω gleich) die Flügeldicke δ gleich sein muß der Spalt breite s, wie sich auch aus den Beziehungen ergibt.
  • Es sei dabei noch einmal angemerkt, daß die angegebenen Beziehungen für die beiden Konstruktionsgrößen ρ und δ der Flügel 4, zumindest für abgerundete Schlitzränder nicht genau, sondern nur näherungsweise zutreffen. Als Konsequenz aus der Symmetrieforderung, gemäß der für die symmetrischen Rotorschlitzwinkel ϕ und (360° -ϕ) die gleichen Berührpunkte für den Flügel vorhanden sein sollen, ergibt sich, daß auch der ausgeführte Flügel ein symmetrisches Aussehen hat, wobei die Flügekontur eine schwach konkave Krümmung aufweist. Infolge dieser Krümmung verschieben sich die Berührpunkte der Flügelseiten mit den kreisbogenförmig'abgerundeten Schlitzrändern des Rotors tatsächlich geringfügig. Die Abweichungen liegen jedoch innerhalb der möglichen Bearbeitungstoleranzen und können deshalb auch vernachlässigt werden.
  • Für Rotorschlitze anderer Gestaltung ergeben sich andere Verhältnisse. Bei schneidenartig zugespitzten Schlitzrändern besteht z.B. nicht die Schwierigkeit, daß die Berührpunkte an den beiden Flügelseiten einen unterschiedlichen Abstand zum Flügelmittelpunkt aufweisen. Für diesen Fall treffen die oben genannten Beziehungen für Q und 6 deshalb genau zu mit der Vereinfachung, daß wegen rw = 0 (Radius der Schlitzrandabrundung ist 0)
    Figure imgb0005
    wird.
  • Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, daß bei einer Berücksichtigung der in der Erfindung angegebenen Bemessungsregeln für die Profilierung der Flügel eines Flügelzellenverdichters eine dichtleistenfreie Durchführung der Flügel durch die Rotorschlitze gewährleistet wird, was zum einen den Bauaufwand wegen des Fehlens solcher Dichtleisten verringert, zum andern aber auch die Abdichtwirkung und damit den Wirkungsgrad der Maschine wesentlich verbessert, da durch Festlegung der Toleranzen dafür gesorgt werden kann, daB nur sehr geringe mechanische Reibungsverluste auftreten und trotzdem eine verhältnismäßig gute Abdichtwirkung erzielt wird. So kann die Flügellänge so bemessen werden, daß praktisch keine Berührung des Außenumfangs der Flügel an der zylindrischen Gehäusewand auftritt. Zum anderen findet eine Berührung und damit das Entstehen von Verlusten nur einmal auf jeder Seite beim Durchtritt der Flüge durch den Rotorschlitz auf, wobei abhängig von den Fertigungstoleranzen eine tatsächliche Berührung auch nur an einer Seite auftreten kann, ohne daß die Abdichtwirkung wesentlich verschlechtert wird.

Claims (4)

1. Flügelzellenverdichter mit einem in einem zylindrischen Gehäuse konzentrisch gehaltenen Bolzen mit darauf gelagerten, radial gerichteten Flügeln und mit einem exzentrisch im Gehäuse gelagerten, als Hohlwelle ausgebildeten Rotor mit am Umfang vorgesehenen, achsparallel verlaufenden Schlitzen zum Durchgriff der Flügel, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (4) eine mit dem Radius sich ändernde Dicke aufweisen, die jeweils gerade so groß ist, daß die Flügel bei jeder sich im Betrieb ergebenden Rotorstellung im Bereich des Durchgriffs durch die frei von beweglichen Dichtleisten gehaltenen Schlitze (5) des Rotors (2) die Schlitzränder auf beiden Seiten leicht berühren.
2. Flügelzellenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder der Schlitze (5) schneidenartig geformt sind.
3. Flügelzellenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder der Schlitze (5) kreisbogenförmig sind.
4. Flügelzellenverdichter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß für den von der Mitte des Gehäusebolzens (10) gemessenen radialen Abstand ρ und für die dort vorhandene Dicke δ des die beiden Schlitzränder gerade leicht berührenden Flügels näherungsweise folgende Beziehung gilt:
Figure imgb0006
- und
Figure imgb0007
worin Ω der beim Umlauf des Rotors (2) sich ändernde Winkel zwischen dem Flügel (4) und der Mittellinie (11), ϕ der beim Umlauf des Rotors (2) sich ändernde Winkel zwischen dem dem Flügel (4) zugeordneten Schlitz (5) und der Mittellinie (11), e die Exzentrizität der Rotorachse (9) bezüglich der Gehäuseachse (10), s die Breite des Schlitzes (5), r der Radius der Schlitzwandabrundung, r der Radius des Kreisbogens, auf dem die Mittelpunkte für die Schlitzwandabrundungsradien rw liegen und E die Bogenhöhe des durch den Kreisbogen mit dem Radius r und durch die Verbindungslinie der beiden Mittelpunkte der Kreise mit dem Radius rw gebildeten kleinen Kreisabschnitts bedeutet, für die die folgende Beziehung
Figure imgb0008
und
Figure imgb0009
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Inventor name: DISTLER, DIETRICH, DIPL.-ING.

Inventor name: MEIER-GROTRIAN, JOACHIM, DR. ING.