Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft eine Flügelzellenmaschine für Flüs¬ sigkeiten, bestehend aus einem in einem Stator gelagerten geschlitzten Rotor, in dem radial verschiebbare Flügel gleitend angeordnet sind, die flieh-, feder- oder anders druckkraftbelastet an eine Statorinnenwand gleitgelagert preßbar sind, wobei sichelförmig sich erweiternde oder verengende Förderzellen gebildet werden und der Flüssig¬ keitseintritt durch einen hohlen zentrischen Stator sowie die Füllung der Flügelzellen von innen nach außen erfolgt.

Stand der Technik

Flügelzellenmaschinen werden als Konstantpumpen oder -motoren oder als Verstellpumpen oder -motoren gebaut. Flügelzellenmaschinen finden jedoch ebenso als volume- trische Zähler Verwendung. Die Vorteile der Flügelzellen¬ maschinen liegen in ihrem gleichmäßigen Förderstrom und ihrem geräuscharmen Lauf. Probleme ergeben sich durch die jeweiligen hydraulischen radialen und axialen Lagerbe¬ lastungen.

Die hydraulischen radialen Lagerbelastungen bei Flügel¬ zellenmaschinen mit Rotorlängen gleich dem Arbeitsbe¬ reich der Flügel ergeben sich aus dem Produkt aus der Projektionsflache, gebildet aus Rotor und herausragendem Flügel und dem hydraulischen Druck, d.h. dem auf den Rotor wirkenden Differenzdruck. Kleine e radiale Belastungen re¬ sultieren aus der Flügelreibung an dem Stator und in den

Rotorschlitzen sowie dem Eigengewicht des Rotors. Um die insgesamt resultierenden radialen und schon bei geringen Druckdifferenzen auftretenden großen Kräfte abzufangen, werden die Rotorwellen und Lagerungen entweder stark dimensioniert oder es wird durch aufwendige und strömungs¬ technisch nachteilige mehrhubige Pumpen- oder Motorkon¬ struktionen ein Ausgleich zu schaffen versucht.

Die hydraulischen axialen Lagerbelastungen können durch symmetrische Ausbildung der axialen hydraulischen Wirk¬ flächen des Rotors vermieden werden, wobei die auf die Wirkflächen ausgeübten hydraulischen Drücke gleich sein müssen. Bei der aus herstellungstechnischen und kosten¬ mäßigen Gründen bevorzugten Ausführung mit axial beweg¬ lichem Rotor legt sich dieser im Bereich einseitig an den Stator an, wobei auf der gegenüberliegenden Seite der hydraulische Druck stärker wirksam wird, so daß kein axialer Kraftausgleich gegeben ist. Abhilfe würde eine axial nicht bewegliche Ausführung der Rotorlagerung mit einer präzise gleichen Einstellung der stirnseitigen Rotor¬ spalte schaffen, die jedoch aufwendig ist. So sind bei¬ spielsweise für einen dem Anmeldungsgegenstand verwandten pneumatischen Kompressor oder Motor pneumatische Polster in einigen in den Stirnseiten des Rotors eingearbeiteten Aussparungen nach der DE-A 21 33 455 vorgesehen, die zwischen den Laufradschaufeln liegen und mit komprimierter Luft durch Kanäle gespeist werden, die kreisbogenförmig in den seitlichen Deckeln des Gehäuses eingearbeitet sind, so daß bei axialer Verschiebung des Rotors Druckunter¬ schiede zwischen den auf beiden Seiten des Rotors befind¬ lichen pneumatischen Polstern auftreten, die rücktreibende Kräfte in Richtung einer Zentralposition ausüben.

Eine vergleichsweise aufwendige Lösung wird auch in der

DE 31 20 350 für eine Flügelzellenmaschine vorgeschlagen, bei der der Wellenrotor mit zwei großen axial verschieb¬ baren Laufbuchsen ausgeführt ist, die in axial verschieb- lichen Lagerbuchsen auf den Rückseiten und Stirnseiten durch den Förderdruck in druckbelasteten Spalten beauf¬ schlagt werden, um einen Druckausgleich am Wellenrotor herbeizuführen, damit die Lagerbelastungen und Reibungs¬ verluste minimiert werden. Nachteilig ist die große und kostenaufwendige Anzahl von Präzisionsteilen im hydrau¬ lischen Arbeitsbereich, relativ große erforderliche Spalt¬ längen zwischen dem Hochdruck- und dem Niederdruckbereich und die daraus resultierende schlechte Effizienz der Flü¬ gelzellenmaschine.

Weiterhin verursacht die für den An- oder Abtrieb aus einer Rotationskolbenmaschine heraustretenden Welle durch die Druckdifferenz an der Wellendichtung und bei Gleichring¬ dichtungen zusätzlich durch die Federkraft derselben axiale Lagerbelastungen, es sei denn, an der gegenüberliegenden Seite erfolgt ein Ausgleich durch eine bausymmetrische Ausführung.

Des weiteren sind Rotationskolbenpumpen beispielsweise aus der DE-AS 12 36 641 bekannt. Dort wird in einem Statorhohl¬ raum gleichbleibenden Querschnitts ein zylindrischer um¬ laufender Rotor mit mehreren im wesentlichen radialen Schlitzen, in denen Flügel gleiten, gelagert, wobei durch entsprechend wellige Gestaltung der Querschnittskontur des Statorhohlraumes zwischen dem Stator und dem Rotor mehrere Förderzellen gebildet werden, denen das Förder- bzw. Ar¬ beitsmedium über tangentiale ausmündende Kanäle zu- und abgeleitet wird, von denen die saug- bzw. niederdruck- seitigen, jeweils auf der einen Seite eines Flügels be-

findliche, zu einem zentrischen Rotorhohlraum führende Bohrungen sind, während die hochdruckseitigen, jeweils auf der anderen Seite jedes Flügels befindlichen Kanäle jeweils in einem jeden Flügel zugeordneten durchgehenden Längskanal des Rotors verbunden sind. Die Längskanäle stehen wiederum mit einer in einer Statorseitenwand einge¬ lassenen Ringnut in Verbindung, die an die hochdruck- seitige Anschlußöffnung der Pumpe oder des Motors ange¬ schlossen ist.

Es ist auch bekannt, für die unmittelbare Zu- und Ablei¬ tung des Fördermediums in die bzw. aus den Förderzellen mündende Kanäle im Rotor vorzusehen, die dann wieder mit Kanälen in einem feststehenden Gehäuseteil in Verbindung kommen müssen. Die Anwendung solcher Rotorkanäle wird insoweit als vorteilhaft angesehen, wenn beispielsweise ein oder mehrere Arbeitsräume zwischen der Rotorumfangs- flache und der Umfangswand des Statorhohlraumes vorhanden sind, da bei der Anordnung von entsprechend vielen Ein- und Auslauföffnungen in den Statorwänden große Teile der Arbeitsräume nicht als Bereiche wirken können, in denen die Verdrängerzellen von der Saug- und Druckseite abge¬ schlossen sind, es sei denn, daß sehr viele Arbeitsschübe vorgesehen sind, die wiederum den nutzbaren Arbeitsraum verkleinern und große Reibungsverluste bewirken.

Um die Zu- und Ableitungskanäle im Rotor genügend weit ausbilden zu können, andererseits jedoch eine zu große Schwächung des Rotors durch die Kanäle zu vermeiden und schließlich einen störenden, auf den Druck wirkenden Axialschub aus Druckkanälen zu verhindern, wird in der DE-AS 12 36 941 weiterhin vorgeschlagen, daß als druck¬ seitige Kanäle auf der betreffenden Seite jedes Flügels

mehrere in Flügelgleitrichtung verlaufende Nuten vorge¬ sehen sind, welche in die entsprechende Wand des zuge¬ hörigen Rotorschlitzes eingearbeitet sind, wobei ferner beiderseits des Rotors je eine Ringnut in den den Rotor¬ stirnwänden zugekehrten Seitenwänden des Stators ange¬ ordnet ist, in welche die druckseitigen Längskanäle des Rotors ausmünden, wobei die Ringnuten mit Druckanschlüssen der Pumpe oder des Motors in Verbindung stehen. Der Rotor¬ hohlraum, indem die niederdruckseitigen Bohrungen des Rotors führen, ist ein Teil einer zentrischen Längsbohrung einer mit dem Rotor verbundenen Welle. Diese Rotations¬ kolbenmaschine ist jedoch aufgrund der vielen radialen Bohrungen - auch außerhalb der Flügelschlitze sowie der Vielzahl von Auslässen - konstruktionsaufwendig.

Bei den nach dem Stand der Technik bekannten, mit Flügel¬ zellen ausgestatteten Rotationskolbenmaschinen für Flüs¬ sigkeiten, die als Förderpumpen eingesetzt werden, ist für Flüssigkeiten mit hohem Dampfdruck und ohne positive Zu¬ laufhöhe durch den mit der Drehzahl schnell ansteigenden Haltedruck ein Betrieb mit wirtschaftlichen Antriebsdreh¬ zahlen von z.B. 1450 min" ¹ und höher nicht mehr möglich.

Der volumetrische Wirkungsgrad und das trockene Ansaugver¬ mögen (bei leerer Pumpe) von Flügelzeilenpumpen wird von den Spaltverlusten bestimmt, deren Größenordnung - gleiches Förderprodukt, gleiche Fertigungsgenauigkeit und Druck¬ differenz vorausgesetzt - von den Spaltlängen abhängt. Daher haben bei vergleichbarem Förderstrom niedrig drehende Pumpen mit entsprechend großem zyklischen Pumpvolumen und Spaltlängen schlechtere volumetrische Wirkungsgrade und geringeres trockenes Ansaugvermögen als schnelldrehende Pumpen mit entsprechend kleineren zyklischen Pumpvolumen

und Spaltlängen. Diese genannten technischen Zusammenhänge limitieren auch wegen der notwendigen Drehzahlbegrenzung durch den Haltedruck die Möglichkeiten zur konstruktiven Verbesserung des volumetrischen Wirkungsgrades und des trockenen Ansaugvermögens.

Des weiteren erfordern Rotationskolbenmaschinen für Flüs¬ sigkeiten infolge der aus Rotor und herausragenden Flügel gebildeten großen, mit dem Differenzdruck beaufschlagten Projektionsfläche stark dimensionierte Wellen und Lage¬ rungen, es sei denn, die Rotationskolbenmaschinen werden als doppelhubige Flügelzellenpumpen oder -motoren ausge¬ führt, die je zwei Eintritts- und Austrittsöffnungen für die Flüssigkeiten haben, eine Maßnahme, die herstellungs¬ technisch aufwendig ist und bei Pumpen zu einer Erhöhung und damit Verschlechterung des Haltedrucks führt.

Aufgabe,Lösung,Vorteil

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die be¬ kannte Flügelzellenmaschine derart weiterzubilden, daß ein vollständiger oder zumindest weitgehender Ausgleich der radialen und axialen Kräfte geschaffen wird, wobei im Hin¬ blick auf eine längere Lebensdauer der Verschleiß minimiert und ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden sollte. Soweit Flügelzellenmaschinen als volumetrische Zähler angesprochen sind, soll gleichermaßen die Meßgenauigkeit verbessert werden. Es ist weiter Aufgabe der vorliegenden Erfindung durch Reduzierung des Haltedrucks die betriebstechnischen Einsatzmöglichkeiten als Pumpe zu erweitern und bei der als Pumpe oder Motor eingesetzten Maschine den Wirkungs¬ grad zu verbessern. Zusätzlich ist es Aufgabe der vor¬ liegenden Erfindung, die hydraulischen axialen und radialen

Belastungen zumindest teilweise oder vollständig durch konstruktive Maßnahmen ohne großen konstruktiven Aufwand zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Flügelzellenmaschine gelöst.

Hiernach besteht die Erfindung darin, daß der Rotor der Flü¬ gelzellenmaschine wellenlos und rohrförmig ausgebildet ist und beide Seiten über den durch die Flügel bestimmten Ar¬ beitsbereich hinaus verlängert und mit den Verlängerungen im Außenstator gelagert ist und vom Innen- zum Außendurchmesser durchgehende Flügelschlitze aufweist und daß der Mantel des Stators im Bereich der Rotorverlängerungen an der Oberfläche vom Betriebsdruck beaufschlagte und/oder entlastete gegen den Rotor gerichtete hydraulische Wirkflächen zur zumindest teil¬ weisen Kompensation bzw. Vermeidung radial auftretender Kräf¬ te aufweist. Bei einem wellenlosen und über den Arbeitsbe¬ reich hinaus nach beiden Seiten verlängertem Rotor wird jedoch in den dort befindlichen Lagerspalten Rotor/Außen¬ stator der Betriebsdruck wirksam, was zu weiteren Lager¬ belastungen führt. Durch vom Betriebsdruck entlastete Aus¬ nehmungen (Wirkflächen) im Statormantel wird dagegen dieser radiale Belastungsteil erheblich reduziert.

Des weiteren sieht die Erfindung nach Anspruch 2 eine Lö¬ sung vor, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Flügel¬ zellenmaschine mit einem durch einen hohlen zentrischen Stator versehen ist, wobei die Kanäle zur Füllung der sich vergrößernden Flügelzellen durch radiale Ausnehmungen in den Flügeln und/oder in den Flügelschlitzen gebildet sind und der zentrische Stator an der Oberfläche mit Be¬ triebsdruck beaufschlagte gegen den Rotor gerichtete Wirk-

flächen zur zumindest teilweisen Kompensation radialer Kräfte aufweist, wobei die hydraulisch beaufschlagbaren Ausnehmungen sich durch mit Betriebsdruck beaufschlagte kleine Bohrungen ersetzen lassen, die in den Lagerspalten Rotor/Außenstator gegen den Rotor gerichtete größere Druck¬ wirkflächen erzeugen. Diese Maßnahme ist einfacher in der Herstellung, verursacht vergleichsweise geringere Spalt¬ verluste und verbessert damit den volumetrischen Wirkungs¬ grad. Vorteilhafterweise ist diese Flügelzellenmaschine einfach aufgebaut, wobei eine vergleichsweise aufwendige zusätzliche Wellenlagerung und die hierbei entstehenden Reibungskräfte von vornherein ebenso vermieden werden, wie axiale und radiale hydraulische Kräfte minimiert werden.

Die weitere Lösung sieht nach Anspruch 3 vor, daß die radialen Kanäle zum Füllen der Förderzellen durch radiale Ausnehmungen in den Flügeln und/oder in den Flügelschlitzen gebildet sind, die durchgehend vom Außendurchmesser zur Rotorlängsbohrung als Innendurchmesser eines beidseitig über den durch die Flügel bestimmten Arbeitsbereich hinaus¬ ragenden wellenlosen Rotors verlaufen, wobei die Flüssig¬ keit axial durch die hohle Rotorachse eintritt und die Füllung der sich vergrößernden Förderzellen in radialer Richtung durch ein Fenster in der Rotorachse und im weiteren Verlauf durch Ausnehmungen in den Rotorschlitzen und/oder in den Flügeln erfolgt.

Der über den Arbeitsbereich hinausragende Rotorteil bzw. die beidseitigen Rotorteile sind gegen den Stator drehbar, aber abgedichtet eingepaßt. Bei Pumpen ergibt sich in bezug auf den Haltedruck ein erheblicher Vorteil, da nur die Einführungsverluste der Flüssigkeit in die Rotorschlitze dem Haltedruck zuzuordnen sind und die weiteren Druckver-

luste bis zur Füllung der Flügelzellen und die damit ver¬ bundene Geschwindigkeitserhöhung der Flüssigkeiten in Ver¬ bindung mit der Zentrifugalkraft energiemäßig vom Antrieb aufzubringen sind. Die radiale Füllung der Flügelzellen von innen über die Rotorschlitze hat darüber hinaus den Vorteil, daß die Einbeziehung des Hubvolumens der Flügel in den Rotorschlitzen in das zyklische Arbeitsvolumen der Pumpe bzw. des Motors ohne speziellen Auffüllvorgang für dieses Hubvolumen gegen die Zentrifugalkraft erfolgt, wie es bei der nach dem Stand der Technik bekannten tangential bzw. axial von außen erfolgenden Füllung der Flügelzellen erforderlich ist. Die gleichzeitig als Flüssigkeitsein¬ tritt und als Lagerung für den Rotor dienende Rotorachse ermöglicht bei Pumpen und Motoren vorteilhafterweise eine kostensparende Ausführung des hydraulischen, insbesondere radialen Druckausgleichs durch hydraulische Abstützung gegen die Rotorachse.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

So werden die Ausnehmungen vorzugsweise mit dem durch den durch die Flüssigkeit gegebenen Betriebsdruck beaufschlagt, so daß keine weiteren Druckquellen oder Steuerungen not¬ wendig sind.

Nach einer ersten Ausführungsform sind die Ausnehmungen im Statormantel außerhalb des Flügelarbeitsbereiches dem Rotoraußenmantel gegenüberliegend, also in bezug auf eine durch den Flügelarbeitsbereich gehende Vertikalfläche symmetrisch angeordnet. Nach einer alternativen Ausfüh¬ rungsform liegen die Ausnehmungen in dem Mantel eines Statorzapfens, der die zentrische Öffnung eines Rotor-

rohres durchgreift und an diesem abdichtend anliegt. Die letztgenannte Ausführungsform hat den Vorteil, daß die Ausnehmungen auch auf der gleichen Höhe wie der Flügel¬ arbeitsbereich liegen können, wodurch sich ggf. eine Bau¬ höhenverkürzung ergibt. Kombinationen der genannten Aus¬ führungsform sind gleichermaßen möglich.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besitzt der über den Flügelarbeitsbereich hinausragende Rotor¬ teil einen gleichen oder einen reduzierten Außendurch¬ messer im Vergleich zu einem Durchmesser im Flügelar¬ beitsbereich. Ein reduzierter Durchmesser außerhalb des Flügelarbeitsbereiches besitzt den Vorteil, daß im Lauf- betrieb der Flügelzellenmaschine der Rotor eine axiale Zentrierung erhält.

Beim Stillstand der Flügelzellenmaschine tauchen die Flügel in die Rotorschlitze ein, wodurch bei einem Rotor mit durchgehenden gleichen Durchmesser axiale Verschiebungen möglich sein können. Bei den mit reduzierten Durchmessern verlängertem und axial sonst frei beweglichem Rotor dienen die Durchmessersprünge zur Zentrierung des Rotors zum Arbeitsraum, wobei der vorher beschriebene Nachteil der einseitig stärkeren Wirksamkeit des hydraulischen Druckes durch Anliegen an der gegenüberliegenden Seite in Kauf ge¬ nommen werden kann, da die Wirkfläche durch einen geringen Durchmesserunterschied klein gehalten wird. Durch diese Rotorzentrierung zum Arbeitsraum werden zwischen den Stirn¬ flächen des Rotors und den beidseitigen Statoren die Spalte für einen hydrostatischen Kraftausgleich bei gleichem Druck gewährleistet.

Bei dem mit gleichem Durchmesser nach beiden Seiten ver-

längertem Rotor erfolgt dabei die erforderliche Zentrierung des Rotors zum Arbeitsraum durch die Flügel. Der Raum in den Führungsschlitzen unterhalb der Flügel ist mit der in Drehrichtung davorliegenden Flügelzelle verbunden, z.B. durch radiale Ausnehmungen im Flügel und/oder im Rotor. Da bei Stillstand der Flügelzellenmaschine die im Betrieb durch Zentrifugalkraft nach außen bewegten Flügel im Rotor eingetaucht sein können und der freibewegliche Rotor axial einseitig gegen einen stirnseitigen Stator verschoben sein kann und dieses beim Anlaufen der Flügelzellenmaschine die Flügel am Herauskommen hindern oder sogar zum Verkanten führen kann, sind im Bereich der nicht mit Differenzdruck beaufschlagten Flügel die den Arbeitsraum seitlich be¬ grenzenden Statorteile zur Drehachse hin den Arbeitsraum erweiterend leicht abgeschrägt. Diese Anschrägungen sind an beiden Seiten etwas weiter geführt als es der axialem Beweglichkeit des Rotors im Stator entspricht, so daß mit Drehbeginn der Flügelzellenmaschine die durch Zentrifugal¬ kraft herauskommenden Flügel sofort eine Zentrierung des Rotors zum Arbeitsraum bewirken und diese wegen fehlender axialer Kräfte auch ohne zusätzliche Reibung an den Flügeln beibehalten wird.

In einer speziellen Ausgestaltung nach der Erfindung der Flügelzellenmaschine ist der Rotor rohrförmig ausgebildet und besitzt eine Längsbohrung, in der eine geradzahlige Anzahl von Flügelschlitzen offen endet und bei der jeweils diametral gegenüberliegende Flügel fest miteinander ver¬ bunden oder einstückig ausgebildet sind.

Alternativ hierzu kann der Rotor jedoch bei rohrförmiger Ausbildung auch in der Rohröffnung einen Statorzapfen auf¬ nehmen, der innen hohl ist und im Bereich der radial durch

den Rotor durchgehenden Schlitze für die verschiebbaren Flügel ein Fenser besitzt und wobei die Flügel und/oder die Rotorschlitze radiale Ausnehmungen besitzen. Diese Auführung ermöglicht einen teilweisen Ausgleich der radialen hydraulischen Kräfte am Rotor.

Vorzugsweise ist der Rotor an einer seiner Stirnseiten mit einer axial fixierten Welle als An- oder Abtriebsverbindung gekuppelt, wobei die Welle im Statorgehäuse aufgenommen wird.

Die technische Lösung nach Anspruch 3 sieht in den Unter¬ ansprüchen weitere Ausgestaltungen vor.

So wird vorzugsweise im Füllbereich der Förderzellen die Statorbohrung über den durch die maximale radiale Aus¬ lenkung der Flügel gehenden Bereich radial nach außen hin in einem Teilkreis ausgeführt, so daß über die hierdurch geschaffene Aussparung eine Verbindung zweier oder mehrerer Förderzellen besteht. Diese Maßnahme erleichtert die Füllung der FörderZeilen.

Weiterhin ist vorzugsweise der Statormantelübergangsbe- reich zwischen den sich vergrößernden und den sich ver¬ kleinernden Förderzellen oder die Führung der Flügel in Bereich zwischen zwei Förderzellen im Hinblick auf die Rotationsachse zentrisch angeordnet, so daß die Flügel bei Rotation in diesem mit Differenzdruck belasteten Bereich keine Radialbewegung ausführen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung besitzt der Innenstatoraus- senmantel mit dem Pumpenförderdruck oder dem Eingangsdruck des Motors hydraulisch beaufschlagbare Vertiefungen zur

zumindest teilweisen Kompensation der radialen hydraulischen Lagerbelastung. Durch diese konstruktiv einfach einzubringen¬ de Maßnahme kann auf eine stark dimensionierte Lagerung ver¬ zichtet werden.

Vorzugsweise weisen die über den Flügel-Arbeitsbereich hinausragenden Rotorteile einen reduzierten Außendurch¬ messer im Vergleich zu dem Rotordurchmesser im Flügel- Arbeitsbereich auf. Hierdurch wird der Rotor während des Betriebes axial zentriert.

Die Flügel sinken bei Rotorstillstand in die Rotorschlitze ein, was zu einer axialen Verschiebung des Rotors mit nicht reduziertem Außendurchmesser führen kann. Um bei einem Wiederanlaufen des Rotors zu verhindern, daß die Flügel sich außerhalb ihres Arbeitsbereiches mit der Stator-Innen¬ mantelfläche verkanten, ist der den Flügel-Arbeitsbereich seitlich begrenzende Statormantel im Bereich der nicht mit Druck beaufschlagten Flügel konisch ausgebildet, so daß die Flügel beim Anlaufen zwangsgeführt in die axial zen¬ trierte Position gleiten.

Nach einer weiteren Ausführungsform wird der Rotor direkt oder über eine Kupplung an der der Eintrittsöffnung gegen¬ überliegenden Stirnseite mit einer Welle als An- oder Ab¬ triebseinrichtung verbunden, wobei die Welle abgedichtet in das Statorgehäuse geführt ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch eine Flügel¬ zellenmaschine,

Fig. 2 einen senkrechten Schnitt gemäß Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Teilansicht eines Längsschnittes durch eine Flügelzellenmaschine mit konisch aus¬ gebildeten Übergangsbereichen zwischen dem Flügel-Arbeitsbereich und dem angrenzenden Stator-Mantel,

Fig. 4 einer Schnittansicht durch eine Flügelzellen¬ maschine mit einem rohrförmigen Rotor, dessen diametral gegenüberliegende Flügel miteinander verbunden sind,

Fig. 5 einen senkrechten Schnitt gemäß Linie V-V in Fig. 4,

Fig. 6 eine Schnittansicht einer Flügelzellenmaschine mit einem Rotor, der eine zentrische Borung be¬ sitzt, in dem ein Statorzapfen eingepaßt ist,

Fig. 7 einen senkrechten Schnitt gemäß Linie VII-VII in Fig. 6,

Fig. 8 eine Ausführungsform, bei der der zentrische Stator zum Einlaßanschluß ausgeführt ist, in einem senkrechten Schnitt,

Fig. 9 einen senkrechten Schnitt gemäß Linie IX-IX in Fig. 8,

Fig. 10 einen Längsquerschnitt einer weiteren Aus¬ führungsform einer Flügelzellenmaschine, und

Fig. 11 einen Querschnitt in Höhe des Flügel-Arbeits¬ bereiches senkrecht zum Schnitt nach Fig. 10,

Fig. 12 einen senkrechten Schnitt durch die Flügelzellen¬ maschine und

Fig. 13 einen senkrechten Schnitt gemäß Linie XIII-XIII in Fig.12.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Die bevorzugterweise als einhubige Flügelzellenmaschine ausgebildete Flügelzellenmaschine, die in der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform als Pumpe ausgebildet ist, besitzt einen wellenlosen Rotor 1, der in axialer Richtung entweder einen Außendurchmesser 2 mit einem gleichbleibenden Umfang, wie im Flügel-Ar¬ beitsbereich 15, aufweisen kann, oder einen demgegen¬ über reduzierten Umfang 3. Ausserhalb des Flügel-Ar¬ beitsbereiches ist der Rotor 1 in einem Stator 4 abge¬ dichtet gelagert eingepaßt. In diesem Einpassungsbe¬ reich besitzt der Stator Ausnehmungen 5, die nach ihrer Lage und ihrer Größe derart ausgebildet sind, daß der hierin wirkende Betriebsdruck der Flüssigkeit zu einem teilweisen oder vollständigen hydraulischen Kraftaus¬ gleich auch unter Berücksichtigung der Reibungs- und Gewichtskräfte führt. Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform befinden sich die Ausnehmungen 5 in axialer Richtung gesehen vor bzw. hinter dem Flügel- Arbeitsbereich 15 und symmetrisch dazu angeordnet.

Die vertikalen Stirnflächen bzw. Durchmessersprünge 6 bei einem in der oberen Hälfte der Fig. 2 vorhandenen

Durchmessersprung des Rotors 1 dienen gleichzeitig zur Rotorzentrierung, wodurch sich im Laufbetrieb stirn¬ seitig gleichgroße Spalte 7 zwischen der Rotorstirn¬ seite und der jeweils gegenüberliegenden Statorstirn¬ fläche ergeben. Bei den mit reduzierten Durchmessern verlängertem und axial sonst frei beweglichem Rotor dienen diese Durchmessersprünge 6 zur Zentrierung des Rotors zum Arbeitsraum wobei der vorher beschriebene Nachteil der einseitig stärkeren Wirksamkeit des hydraulischen Druckes durch Anliegen an der gegen¬ überliegenden Seite in Kauf genommen werden kann, da die Stirnfläche 6 als Wirkfläche durch einen geringen Druchmesserunterschied klein gehalten wird. Durch diese Rotorzentrierung zum Arbeitsraum werden zwischen den Stirnflächen des Rotors 1 und den beidseitigen Statoren 4 die Spalte 7 für einen hydrostatischen Kraftaus¬ gleich bei gleichem Druck gewährleistet.

Der Rotor 1 besitzt jeweils radial verlaufende Schlitze 8, in denen die Flügel 9 gleitend geführt werden. Der Raum in den Führungsschlitzen 8 unterhalb der Flügel 9 ist jeweils mit der in Drehrichtung davorliegenden Flügelzel¬ le verbunden, im vorliegenden Fall durch radiale Ausnehmungen 10 im Flügel und/oder Ausnehmungen 11 im Rotor. Da bei Still¬ stand der Flügelzellenmaschine, wie in Fig. 3 dargestellt, die in Betrieb durch Zentrifugalkraft nach außen beweg¬ ten Flügel 9 im Rotor eingetaucht sein können und der nicht im Durchmesser reduzierte freibewegliche Rotor 1 axial einseitig gegen eine Stirnseite des Stators 4 verschoben sein kann, wodurch beim Anlaufen der Flügel¬ zellenmaschine die Flügel 9 am Herauskommen gehindert werden, was bis zur Verkantung der Flügel an der be¬ treffenden Statorinnenwand führen kann, sind im Bereich

der nicht mit Differenzdruck beaufschlagten Flügel 9 die den Arbeitsraum 15 seitlich begrenzenden Stator¬ innenmantelteile 12 zur Drehachse hin den Arbeitsraum erweiternd konisch bzw. leicht ausgeschrägt ausgeführt. Diese konischen bzw. ausgeschrägten Statorinnenmantel- teile 12 reichen beidseitig geringfügig weiter als es der axialen Beweglichkeit des Rotors 1 im Stator ent¬ spricht, so daß mit Drehbeginn der Flügelzellenmaschine die durch Zentrifugalkraft herauskommenden Flügel so¬ fort eine Zentrierung des Rotors l zum Arbeitsraum 15 bewirken und diese bei fehlenden axialen Kräften auch ohne zusätzliche Reibung an den Flügeln 9 beibehalten wird.

Die An- und Abtriebsverbindung der Flügelzellenmaschine erfolgt über eine in das Statorgehäuse 4 hereinragende und dort abgedichtete Welle 13, die über eine Kupplung 14 mit dem Rotor axial rückwirkungsfrei verbunden ist.

In der alternativen Ausführungsform nach Fig. 6 und 7 ist der Rotor 1 rohrformig ausgeführt, wobei in die Rohr¬ öffnung zentrisch ein Statorzapfen 16 hineinragt, wobei der Statorzapfen 16 mit den übrigen Statorteilen fest ver¬ bunden ist. Durch diese Ausgestaltung wird der hydrau¬ lische Betriebsdruck im Bereich der Rohrschlitze nicht auf den Rotor wirksam. Die verbleibenden hydraulischen und durch Gewicht und Reibung verursachten radialen Kräfte werden durch mit dem hydraulischen Betriebs¬ druck beaufschlagte Ausnehmungen 17 an der Oberfläche des zentrischen Statorzapfens 16 bei Pumpen im Bereich der sich verkleinernden Flügelzellen und bei Motoren und volumetrischen Zählern Ausnehmungen 18 im Bereich der sich vergrößernden Flügelzellen abhängig von der

Größe und Lage der Ausnehmungen teilweise oder voll¬ ständig ausgeglichen.

Während bei den bisher beschriebenen Ausführungsfor¬ men die Füllung der sich erweiternden Flügelzellen im wesentlichen tangential von außen erfolgt, ist in der in Fig. 8 und 9 dargestellten Auführungsform ein Ein¬ laßanschluß an den bis zum Ende der Arbeitsraumbreite 20 hohl ausgeführten Statorzapfen 16 vorgesehen. Dieser Stator besitzt im Arbeitsbereich 15 der sich erweiternden Flügel 9 ein Fenster 21, wobei in den Flügeln 9 und/ oder im Rotor 1 radiale Ausnehmungen 10 und 11 vorge¬ sehen sind, durch die die sich erweiternden Flügel¬ zellen mit Unterstützung durch die Zentrifugalkraft gefüllt werden. Die Ausnehmungen 10 und 11 sind in Drehrichtung gesehen an der Rückseite der Flügel und/ oder im Rotor unmittelbar hinter den Flügeln angeordnet.

Die in Fig. 10 und 11 dargestellte Flügelzellenmaschine besteht im wesentlichen aus einem auf einer Hohlwelle 110 als Innenstator 100 gelagerten Rotor 111, der dreh¬ bar und von diesem umgeben in seinem Stator 112 ange¬ ordnet ist. Der Stator 112 kann - wie Fig. 10 entnehm¬ bar - zweiteilig, insbesondere mit einem mit der Hohl¬ welle 110 integrierten Bauelement 113 ausgebildet sein. Der Rotor 111 besitzt außerhalb des durch die Flügel 124 bestimmten Arbeitsbereiches (Fig. 10) jeweils seit¬ lich hiervon einen reduzierten Durchmesser und liegt mit seiner Außenmantelfläche abgedichtete am Stator¬ innenmantel an. Jeweils zwischen den Stirnseiten 114 und 115 des Rotors ist zur gegenüberliegenden Stirn¬ fläche des Stators ein Spalt 116 bzw. 117 gebildet, der druckbeaufschlagt ist. Für einen Druckausgleich

zwischen den Spalten 116 und 117 sorgt beispielsweise eine axiale Bohrung 118 und eine radiale Bohrung 118'. An- bzw. abtriebsseitig ist der Rotor direkt oder über eine nicht dargestellte Kupplung mit einer Welle 119 verbunden, die abgedichtet im Statorgehäuse oder in der An- bzw. Abtriebsmaschine drehbar gelagert ist. Die Hohlwelle 110 ist als in Richtung des Pfeils 120 zugängliche stirnseitige Einlaßöffnung ausgebildet, die über eine Fensteröffnung 121 der Hohlwelle über entsprechende Ausnehmungen des Rotors mit radialen sich erstreckenden nutförmigen Ausnehmungen 122 im Rotor und Ausnehmungen 123 in den Flügel in Ver¬ bindung steht. Die Flügel 124 befinden sich in Radial¬ schlitzen 125 des Rotors 111. Der Innenstator 100 ist an seiner Lauffläche mit Vertiefungen 126 versehen, die mit dem PumpenfOrderdruck oder dem Eingangsdruck des Motors hydraulisch beaufschlagt und in Größe und Lage so angeordnet sind, daß die radiale hydraulische Lagerbelastung teilweise oder voll ausgeglichen wird.

Der zwischen dem Rotor 111 und dem Stator 112 liegende Raum mit den sichelförmigen Förderzellen 127 wird je¬ weils durch Flügel 124 unterteilt, die auf dem mit dem Bogen 128 dargestellten Bereich mit dem jeweiligen Flü¬ gelende umlaufen. Darüber hinaus besitzt der Stator¬ innenmantel noch zusätzliche Ausnehmungen 129, die über die maximale radiale Auslenkung (Kurve 128) sichelförmig hinausragen.

Zwischen einer sich erweiternden und einer sich ver¬ engenden Förderzelle 127 ist ein Übertragungsbereich 130 vorgesehen, in dem die Flügel 124 bei Rotation in Richtung des Pfeils 131 keine Radialbewegung aus¬ führen.

Die Flügelzellenmaschine nach Fig. 10 und 11 arbeitet folgendermaßen:

Die in Richtung des Pfeils 120 einströmende Flüssigkeit wird über die Fensteröffnung 121 in die nutförmigen radia¬ len Ausnehmungen 122, 123 radial nach außen in die För¬ derzellen 127 geführt und im wesentlichen tangential in Richtung des Pfeils 132 abgeführt. Der Flüssig¬ keitseintritt durch die hohle Achse und die Füllung der sich vergrößernden Flügelzellen von innen nach außen erfolgt bei Pumpen damit weitgehend durch die Energiezufuhr vom Antrieb und führt auch bei hohen Drehzahlen zu niedrigen Haltedrücken. Gleichzeitig kann durch einfache konstruktive Maßnahmen ein hy¬ draulischer Druckausgleich geschaffen werden.

In Fig. 12 und 13 ist am Beispiel der Pumpe eine funktio- nell und herstelltechnisch besonders vorteilhafte Ausge¬ staltung des Ausgleichs der auf den Rotor wirkenden radialen hydraulischen Druckkräfte dargestellt.

Der rohrförmige Rotor 201 ist in den beiden Lagern 202 und 203 gleitgelagert. Der einhubige Hubring 204 bildet den Arbeitsraum 205 und ist mit den Lagern 202 und 203 fest verbunden. Dieser 3-teilige außenzylindrische Stator ist mit einem flüssigkeitsführenden bzw. durchströmbaren Spalt 206 in das Pumpengehäuse 207 eingesetzt und an beiden Enden zum Pumpengehäuse z.B. durch O-Ringe 208 abgedichtet. Der im Hubring befindliche Druckaustritt 209 beaufschlagt bei seinem Übergang auf den entsprechenden Austrittsstutzen 218 des Gehäuses 207 den Spalt 206 mit dem jeweiligen Betriebsdruck der Pumpe.

Den auf den Rotor, in etwa in Richtung der Schnittlinie der Fig.12, wirkenden radialen hydraulischen Druckkräften gegenüberliegend sind in den Lagern 202 und 203 eine oder mehrere radiale Bohrungen 210 angeordnet, die innerhalb der Lagerbereiche entgegengesetzte Druckrafte auf den Rotor wirk¬ sam werden lassen und zum teilweisen oder vollständigen Druckausgleich führen.

Der Innenstator 213 ist berührungslos jedoch mit einem engen Spalt in den Innendurchmesser des Rotors 201 eingepaßt. Über die zur Antriebsseite durchgehende Eintrittsbohrung 214 des Innenstators 213 und das Fenster 215 im Bereich der sich erweiternden Flügelzellen erfolgt die Füllung derselben. Über die durchgehende Bohrung 214 und die Bohrung 216 ist an beiden Stirnseiten des Rotors der Eingangsdruck wirksam.

Um die hydraulischen radialen Druckkräfte weitgehendst auf den Arbeitsbereich, d.h. der axialen Länge des Hubringes, zu begrenzen, sind die Lager im Umfangswirkbereich der hy¬ draulischen radialen Druckrafte mit Ausnehmungen 211 verse¬ hen, die über die Spalte 217 und die Bohrungen 214 und 218 mit der Niederdruckseite verbunden sind, so daß im Bereich der Ausnehmungen 211 nur eine kleine, für Dichtung und La¬ gerung ausreichende Lagerlänge 212 verbleibt.

Durch die Schlitze 217 im Rotor wirkt der hydraulische Be¬ triebsdruck ohne Belastung des Rotors direkt auf den Innen¬ stator und außerdem wird über die Rotorschlitze die Spalte zwischen Rotor und Innenstator mit Druck beaufschlagt, der zu einem weiteren teilweisen Druckausgleich beiträgt.