具有直接驱动的旋转活塞泵 |
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| 申请号 | CN201380068213.1 | 申请日 | 2013-10-30 | 公开(公告)号 | CN104870750A | 公开(公告)日 | 2015-08-26 |
| 申请人 | 福格申机械有限公司; | 发明人 | P·克兰佩; H·福格申; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种旋转 活塞 泵 ，其包括：具有泵腔的 泵壳 ，入口和出口，多 叶片 的第一旋转活塞，该第一旋转活塞设置在泵腔中并且围绕第一轴线可旋转地支承，和设置在所述泵腔中的多叶片的第二旋转活塞，该第二旋转活塞围绕与所述第一轴线间隔开距离的第二轴线可旋转地支承并且与所述第一旋转活塞 啮合 地咬合，其中，所述第一和第二旋转活塞通过围绕所述第一或者第二轴线的旋转而产生从入口到出口的 流体 流，驱动设备，该驱动设备为了驱动旋转活塞而与该 旋转活塞机 械联接。根据本发明，所述驱动设备包括为了驱动所述第一旋转活塞而与该第一旋转活塞机械联接的第一电驱动 马 达和为了驱动所述第二旋转活塞而与该第二旋转活塞机械联接的第二电驱动马达。 | ||||||
| 权利要求 | 1.旋转活塞泵，其包括： |
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| 说明书全文 | 具有直接驱动的旋转活塞泵技术领域[0001] 本发明涉及一种旋转活塞泵，其包括：具有泵腔的泵壳；入口和出口；多叶片的第一旋转活塞，该第一旋转活塞设置在泵腔中并且围绕第一轴线可旋转地支承；和设置在泵腔中的、多叶片的第二旋转活塞，该第二旋转活塞围绕与第一轴线间隔开距离的第二轴线可旋转地支承并且与第一旋转活塞啮合地咬合，其中，第一和第二旋转活塞通过围绕第一或者第二轴线旋转而产生从入口到出口的流体流；驱动设备，该驱动设备为了驱动旋转活塞而与该旋转活塞机械地联接。 背景技术[0002] 前述结构的旋转活塞泵用于输送流体。在此，流体可以具有利用旋转活塞泵可输送的大范围的粘度。特别是旋转活塞泵还可以用于输送载有固体材料的流体。 [0003] 由EP 1519044 B1事先公知了一种旋转活塞泵，该旋转活塞泵具有两根轴，相互啮合的旋转活塞抗扭矩地(drehmomentfest)固定在这两根轴上。利用液压马达来驱动各轴。原则上利用这样的驱动方式可以实现：通过两个旋转活塞相互的啮合运动本身来产生运行旋转活塞泵所需的两个旋转活塞的旋转运动的同步，这能够借助单独的液压马达实现对每个单独的旋转活塞的直接驱动。在这样的旋转活塞泵的正常运行期间，在每个单独的旋转活塞上出现的扭矩在较长的时间间隔上平均后对于两个旋转活塞来说是相同的，而如果观察的时间间隔比转一整圈所需的时间段短，那么在观察较短时间段的情况下在两个旋转活塞之间显示出扭矩差。由两个旋转活塞的相互啮合来承受这些扭矩差，然而这导致在旋转活塞上由于相互接触出现磨损并且因此增加了旋转活塞的轴支承在其中的轴承的负荷。因此在旋转活塞泵的效率方面部分地减少了通过液压直接驱动实现的优点。 发明内容[0004] 本发明的目的是，提供一种旋转活塞泵，该旋转活塞泵能够在经济上以比前述旋转活塞泵更加有效的方式运行。 [0005] 这个目的通过如下方式得以实现，即，第一和第二旋转活塞分别具有数量为N的叶片，其中，N大于或等于二，并且第一和第二旋转活塞的叶片螺旋状地沿着旋转活塞的周面延伸并且在此掠过至少300°除以N的角、优选掠过360°除以N的角，并且驱动设备包括为了驱动第一旋转活塞而与该第一旋转活塞机械联接的第一电驱动马达和为了驱动第二旋转活塞而与该第二旋转活塞机械联接的第二电驱动马达。 [0006] 通过根据本发明的旋转活塞泵一方面能够实现借助电动驱动的直接驱动，这通过电动机的高效率实现了效率的提高。通过如下方式能够实现这种直接驱动方式，即，旋转活塞的叶片螺旋状地沿着该旋转活塞的周面延伸并且在此掠过一个角范围，该角范围接近一整转的叶片数分之一的部分并且优选等于一整转的相应的部分或者超过这部分。通过旋转活塞的叶片的这种盘旋延伸实现了决定性地减少或者在螺旋状地延伸360°除以N的角度的情况下完全避免在两个旋转活塞之间短时出现的扭矩差。除了由于通过两个旋转活塞的啮合运动而理论上不再是必要的同步效应实现的由此决定性降低的旋转活塞磨损和旋转活塞泵内的由此降低的轴承负荷和轴承力之外，通过短期的扭矩差的降低或甚至避免能够实现为每个旋转活塞使用直接驱动器，该直接驱动器绝对没有通过液压马达产生的相对这样的扭矩差的公差和随之发生的周期性的角波动。取而代之，通过根据本发明的构造可以使用电动直接驱动器，该直接驱动器可以非常经济地运行，这是因为它能够以实际上恒定不变的扭矩且在两个旋转活塞之间无扭矩差地驱动旋转活塞。在此，由于几乎或完全无脉冲的运行和降低的或完全避免的扭矩波动，直接驱动的电动机的相对液压马达提高的惯性可以在设计中得到转化，而不会由此在电动机与旋转活塞之间的连接元件上出现临界脉动负荷。 [0007] 几乎或完全无脉冲的运行已经证明为根据本发明的旋转活塞泵的另外的特别优点，在该运行中由旋转活塞泵输送的流体以恒定不变的、无脉冲的液流得到输送。这决定性地减少了加速过程和制动过程并且降低了由此产生的旋转活塞泵的以及与其连接的输送管道的轴承负荷和管道负荷。在能够实现根据本发明的旋转活塞泵的旋转活塞的这种构造特性特别是电动驱动的同时，应该理解的是：作为备选在一定的应用方式中也可以使用液压驱动或其它的驱动方式并且这是有益的且在个别情况中相应地实现经济效率。 [0008] 原则上，根据本发明的旋转活塞泵的驱动马达可以借助减速器或加速器和在必要时经由同步变速器(Synchronisationsgetriebe)而与旋转活塞机械联接，例如以便使用转速特别高或特别低的驱动马达或者以便使用在不同的转速范围的情况下具有最大效率的两个驱动马达并且交替地运行。然而特别优选的是：第一和第二驱动马达直接与第一或第二旋转活塞机械联接，特别是通过如下方式，即，第一驱动马达直接驱动第一旋转活塞抗扭矩地固定在其上的第一轴，而第二驱动马达直接驱动第二旋转活塞抗扭矩地固定在其上的第二轴。通过这种直接的机械联接――在中间没有连接变速器的情况下如下地实施该机械联接，即，驱动马达的转速与旋转活塞的转速相符――进一步提高了旋转活塞泵的效率。 [0009] 在此特别优选的是：旋转活塞泵是没有变速器的。通过这样的没有变速器的设计避免了由旋转活塞泵的变速器中的摩擦所产生的效率损失，特别是放弃两个旋转活塞之间的同步变速器，这能够通过根据本发明的构造得以实现。在这种情况下，没有变速器的设计应该理解为旋转活塞泵的旋转活塞仅仅通过它们的啮合运动而相互同步，就是说，当两个旋转活塞之一从旋转活塞轴上拆下时，两根轴可以彼此独立地旋转。另外，没有变速器的设计的优点在于：由此可以降低轴承的负荷并且因此可以将轴承的尺寸设计得更小或者在相同尺寸的情况下可以承受更高的泵压。 [0010] 根据另一种优选的实施方式规定：其中至少一根轴可旋转地支承在至少一个借助输送的流体介质润滑的滑动轴承中，优选第一和第二轴支承在由输送的流体介质润滑的滑动轴承中。原则上由于与此相关的保养费用的降低所以优选在通过输送的流体介质本身润滑的滑动轴承中的支承。特别是因为由于泵内腔中的静态的、非脉冲的压力比，通过输送流体对滑动轴承的加压显示轴承使用寿命的可估算的设计参数和轴承的鉴于轴承力的设计，所以这种类型的支承对根据本发明的泵可以是有益的。另外，这种实施方式能够实现无油运行，这特别是在利用根据本发明的旋转活塞泵可能实现的饮用水应用中是有益的。在此特别优选的是：使用介质润滑的陶瓷滑动轴承，这些陶瓷滑动轴承具有足够的使用寿命和抵抗大量输送的流体的、特别是抵抗水的抵抗力。使用滑动轴承的另一个优点是在结构空间相同的情况下由此可实现的较高的承载量(Tragzahl)，这能够实现承受较高的泵压。 [0011] 特别优选的是：通过相互啮合的第一和第二旋转活塞实现第一和第二旋转活塞的旋转运动的机械同步。通过这种经由相互齿啮合的旋转活塞的机械同步可以放弃与旋转活塞分离设置的同步变速器并且因此可以避免由在这样的变速器中的摩擦导致的效率损失。另外，由于这种同步类型，根据本发明的旋转活塞式马达能够构造得特别紧凑且耐用。最后，如果希望无油运行的话，那么这种改进方案是特别有益的，这是因为在这种情况中可以放弃在必要时需要油润滑的变速器。 [0012] 原则上根据本发明的旋转活塞泵的旋转活塞优选可以具有三个、四个、五个、六个、七个或更多个叶片。然而本发明的优选的实施方式规定：每个旋转活塞是三叶片的并且每个叶片螺旋状地在至少100°、优选120°的角度上延伸，或者每个旋转活塞是四叶片的并且每个叶片螺旋状地在至少75°、优选90°的角度上延伸，或者每个旋转活塞是六叶片的并且每个叶片螺旋状地在至少50°、优选60°的角度上延伸。利用这三种改进方案，当在每个旋转活塞上设置两个、三个或四个叶片时，实现对于在两个旋转活塞之间扭矩波动微弱或无扭矩波动的情况下的无脉冲运行来说特别有益的设计。在此应该理解的是：在惯常的设计中，对于三个、四个或者六个叶片的旋转活塞来说在120°、90°或60°时实现最理想的波动减少和对扭矩峰值的避免。 [0013] 进一步优选的是：泵壳在至少一侧利用第一内周壁段限定入口与出口之间的泵腔，并且第一旋转活塞的各叶片螺旋状地在一个角度上延伸，该角度的大小使得在第一旋转活塞的每个旋转位置中在叶片与第一内周壁段之间的一条接触线构成入口与出口之间的密封线，并且优选泵壳利用第一和第二内周壁段限定入口与出口之间的泵腔，并且第二旋转活塞的叶片螺旋状地在一个角度上延伸，该角度的大小使得在第二旋转活塞的每个旋转位置中叶片与第二内周壁段之间的一条接触线构成入口与出口之间的密封线。 [0014] 旋转活塞泵典型地从入口到出口通过两个典型地掠过180°的内周段传输输送流体，在所述内周段中在旋转活塞的各叶片之间的中间空隙中运送输送流体。由于旋转活塞的啮合，在两根旋转活塞轴线之间的中心对流体进行排挤并且因此并不进行输送。为了使得旋转活塞泵抗通流，就是说，在泵的静止状态中防止从出口侧到入口侧的回流，优选旋转活塞在静止状态中将从出口到入口的路径堵住。然而，如根据本发明规定的那样，当叶片的走向设置为螺旋状时，那么在一定的设计中，特别是当螺旋状的走向具有仅仅小的螺距时，通过叶片与泵腔的内壁之间的接触区域不能构成连续的密封线，因此不存在抗通流性。在为了脉冲减少的和在扭矩差中最佳的运行而力求叶片的小螺距的走向的同时，出于抗通路的原因这却不是值得追求的，因而减小叶片螺距受到壳体内壁的包角的限制。 [0015] 根据这种实施方式规定：在旋转活塞的每个位置中，在具有由壳体结构形式事先规定的包角的圆周内壁段上实现一条连续的密封线。在此应该理解的是：为了借助旋转活塞泵所实现的有效输送只须确保的是：在入口与出口之间、在旋转活塞的叶片与圆周内壁段之间在至少一个旋转位置中必须构造有两条在泵腔的整个长度上的连续的密封线，使得在旋转活塞的每个位置中构造有一条连续的密封线。当圆周内壁段具有至少180°的包角时，这在每个叶片的螺旋状走向在旋转活塞的长度上大于90°的四叶片旋转活塞的情况下得以实现，而在螺旋状走向大于120°的三叶片旋转活塞的情况下仅仅还能够以很小的入口和出口实现，而在螺旋状走向大于180°的两叶片旋转活塞的情况下不再实现。特别是在最后提到的情况中，虽然在确切的一个位置中实现了叶片相对圆周壁段的完整的密封线，然而当旋转活塞从这个密封的位置中继续旋转少量几度时，泵就已经会向后穿流，这是因为之前完整构成的密封线现在部分中断并且与圆周壁段新接触的叶片只组成它的密封线的一小部分。 [0016] 进一步优选多个旋转活塞共轴并排地设置在泵腔中，其中，共轴并排设置的旋转活塞优选具有彼此反向延伸的叶片。通过这样的构造可以提高泵的功率，而无需在这种情况下放弃在减少脉动和避免各旋转活塞之间的扭矩差方面的有利的性能。在此应该理解的是：为了实现根据本发明的优点，轴向相继按等级排列的旋转活塞中的每一个旋转活塞必须在之前阐述的角范围中具有叶片的螺旋状走向。以这种方式相互靠近的旋转活塞可以设计成一件式的或多件式的。 [0017] 另外优选规定：泵腔设置在第一与第二电驱动马达之间。在这种设置中，电驱动马达设置在泵壳的彼此相对的侧边，就是说，一根轴穿过左侧的壳盖延伸向其驱动马达，而另外的旋转活塞的轴穿过右侧的壳盖延伸向其驱动马达。通过这种设置方式，驱动马达对于保养目的来说容易接近并且在它们的直径方面不受两个驱动马达的相邻设置的限制，因此可以实现具有高效率电驱动马达的总体紧凑的结构。 [0018] 最后进一步优选的是：第一和第二驱动马达在第一运行模式中连接为用于将电能转换为流动能量的发动机，而在第二运行模式中连接为用于将流动能量转换为电能的发电机。在这种特殊的构造中，旋转活塞泵在第一运行模式中作为泵用于输送流体并且在这种模式中相应地通过电驱动马达使旋转活塞旋转。与此相反，在第二运行模式中，旋转活塞泵用作旋转活塞式马达或者涡轮机。在这种第二运行模式中，旋转活塞由在入口与出口之间的压差而旋转，将这个旋转通过机械联接传递到驱动马达上，该驱动马达在这种运行模式中作为发电机运行并且由这个旋转产生电能。在这样的两种运行模式中的运行可能性特别是可以在如下的应用中是有益的，在这些应用中，流体一方面必须克服阻力被输送，另一方面也能够且应该在利用压差的返流中回流，然而在这种情况下特别是为了例如防止过高的流速或者为了降压应该得到抑制。在这种情况中，通过旋转活塞泵在第一运行模式中可以产生泵效应(Pumpwirkung)并且在第二运行模式中旋转活塞泵用作节流器并且在此同时产生电能，该电能在必要时可以暂存在内部供电网内、例如相应的蓄电池或相应尺寸的电容器内或者可以馈电到公用电网，以便由此改善旋转活塞泵的使用者的经济收支。 [0019] 本发明的另一个观点是一种水力装置，其具有旋转活塞式马达，该旋转活塞式马达包括：具有马达腔的马达壳体；入口和出口；多叶片的第一旋转活塞，该第一旋转活塞设置在马达腔中并且围绕第一轴线可旋转地支承；和设置在马达腔中的多叶片的第二旋转活塞，该第二旋转活塞围绕与第一轴线间隔开距离的第二轴线可旋转地支承并且与第一旋转活塞啮合地咬合，其中，从入口到出口的流体流使第一和第二旋转活塞围绕第一或者第二轴线旋转；发电设备，该发电设备为了获得通过旋转活塞的驱动而与旋转活塞机械联接，在该发电设备中，第一和第二旋转活塞分别具有数量为N的叶片，其中，N大于或等于二，并且第一和第二旋转活塞的叶片螺旋状地沿着旋转活塞的周面延伸并且在此掠过至少300°除以N的角度、优选掠过360°除以N的角度，并且发电设备包括为了获得通过第一旋转活塞的驱动而与该第一旋转活塞机械联接的第一发电机和为了获得通过第二旋转活塞的驱动而与该第二旋转活塞机械联接的第二发电机。 [0020] 这样设计的水力装置以结构－几何形状一致的方式使用前述旋转活塞泵，然而将这个旋转活塞泵作为发电机或者涡轮机运行。这意味着：在根据本发明的水力装置中，旋转活塞由于入口与出口之间的压差而旋转，通过机械联接，驱动并使连接为发电机的电驱动马达旋转，由此这些驱动马达由压差产生电能。根据本发明的旋转活塞泵由于其设计构造和以此实现的运行性能以特别的方式适合于用作这样的发电机。首先，旋转活塞泵的脉冲很少的运行使得即使在高压的情况下也允许在长管道上传送流体，而管道不会由于可能的脉冲而因此受损或者由于流动的水的惯性使得泵被施加不允许的力。另外有益的是：根据本发明的旋转活塞泵可以没有变速器地运行，就是说，可以完全避免由变速器引起的损耗并且因此可以提高水力装置的效率。最后有益的是：利用根据本发明的旋转活塞泵可以实现对分别由一个旋转活塞构成的发电机的直接驱动，即，特别是在具有两个相互啮合的旋转活塞的旋转活塞泵的构造中可以相应地直接驱动两个发电机。这再次降低了系统的惯性和由于借助变速器、皮带传动器或类似装置传递旋转所导致的可能的摩擦损耗。 [0021] 最后，根据本发明的旋转活塞泵的另一个主要的优点是借助通过位于马达腔内的介质、特别是水润滑的滑动轴承的无油运行的可能性。这使旋转活塞泵能够用于由饮用水供应管道获得能量，而无需为此串接在后面的特别的净化措施或类似措施。 [0022] 在此，可以如之前对根据本发明的旋转活塞泵所阐述的那样深入构造根据本发明的水力装置，其中具有下列的预规定：泵壳相当于马达壳体，泵腔相当于马达腔，驱动设备相当于发电设备，并且电驱动马达相当于发电机。利用这些深入构造同样将之前阐述的旋转活塞泵的优点相应地转用到水力装置上并且与此相关地引用前面对相应优点和构造变型的说明。在此，原则上从一个旋转活塞机器出发，该旋转活塞机器可以作为旋转活塞泵或旋转活塞式马达运行并且相应地具有构造成泵壳或者马达壳体的机壳、构造成泵腔或者马达腔的机器腔和驱动设备或者发电设备以及电驱动马达或者发电机。 [0023] 优选用于利用旋转活塞泵以本发明的方式泵抽吸流体的方法的出众之处在于：借助第一和第二旋转活塞输送流体穿过泵腔，所述旋转活塞分别具有数量为N的叶片，其中，N大于或等于二，并且第一和第二旋转活塞的叶片螺旋状地沿着旋转活塞的周面延伸并且在此掠过至少300°除以N的角度、优选掠过360°除以N的角度，并且借助与第一旋转活塞机械联接的第一电驱动马达驱动该第一旋转活塞，并且借助与第二旋转活塞机械联接的第二电驱动马达驱动该第二旋转活塞。 [0024] 优选用于利用旋转活塞式马达以根据本发明的方式由流体压差产生电能的方法的出众之处在于：利用流体压差驱动旋转活塞式马达的第一旋转活塞和与该第一旋转活塞啮合的第二旋转活塞并且相应地使第一和第二轴旋转，其中，第一和第二旋转活塞分别具有数量为N的叶片，其中，N大于或等于二，并且第一和第二旋转活塞的叶片螺旋状地沿着旋转活塞的周面延伸并且在此掠过至少300°除以N的角度、优选掠过360°除以N的角度，并且第一旋转活塞驱动与该第一旋转活塞机械联接的第一发电机，而第二旋转活塞驱动与该第二旋转活塞机械联接的第二发电机。 [0026] 参照下面的附图对本发明的优选实施方式加以阐述。附图中： [0027] 图1示出根据本发明的旋转活塞泵的纵剖视图； [0028] 图2示出第一实施方式的带有壳体半壳的旋转活塞的透视图； [0029] 图3示出旋转活塞的第二实施方式的、如图2所示出的视图。 具体实施方式[0030] 图1示出的是可以作为旋转活塞泵或旋转活塞式马达运行的设备，该设备由总共四个组件组装而成：在一个框形底座10的中央固定有一个壳体单元20，该壳体单元的两侧安置有一个左侧的电驱动马达40和一个右侧的电驱动马达50，这些电驱动马达同样固定在框形底座10上。 [0031] 驱动马达40、50设计为三相交流电机并且一方面能够在第一运行模式中被供电，以便经由从动轴41、51分别驱动旋转活塞泵20中的旋转活塞21、22。在第二运行模式中，驱动马达40、50可以作为发电机运行。在这个第二运行模式中，扭矩经由从动轴41、51从旋转活塞21或者22传递到发电机40或者50上，并且该发电机40或者50产生电能，该电能可以暂存或给电网馈电。 [0032] 旋转活塞泵20具有一个壳体30，该壳体构造成多件式的。在壳体30上设置有可以通过法兰连接而相应地连接的入口和出口，在图1中可以看到出口的法兰31。 [0033] 两个旋转活塞21、22设置在一个由泵壳30全面限定的泵腔中。旋转活塞21、22抗扭矩地固定在旋转活塞轴23、24上。 [0034] 如从图1中可以看出的那样，两个旋转活塞21、22具有多个叶片21a/b、22a/b，这些叶片按照两个齿轮的齿的方式相互咬合并且因此相互啮合。轴23、24通过旋转活塞的叶片的这种咬合只能强制性地以一致的转速旋转。 [0035] 上部的旋转活塞21的旋转活塞轴23支承在一个右侧的滑动轴承23a和一个左侧的滑动轴承23b中。两个滑动轴承23a、b设计成无油轴承并且由被输送穿过泵腔的流体润滑。为了这个目的设置有相应的排流管60、61。排流管60通入到一个壳盖32中，排流管61通入到旋转活塞泵的右侧的一个壳盖33中。 [0036] 旋转活塞轴23穿过左侧的壳盖32一直延伸向联轴单元42，借助该联轴单元，旋转活塞轴23抗扭矩地与驱动马达40的从动轴41联接。旋转活塞轴23支承在右侧的壳盖33中，然而并不延伸穿过这个右侧的壳盖。 [0037] 旋转活塞轴24穿过右侧的壳盖33延伸向联轴节52，借助该联轴节，盖旋转活塞轴抗扭矩地与驱动马达50的从动轴51联接。这个旋转活塞轴24又支承在左侧的壳盖32中，然而并不延伸穿过这个左侧的壳盖。 [0038] 如可以看到的那样，驱动马达40经由联轴节42直接与旋转活塞21联接并且驱动这个旋转活塞或者在发电机运行中由这个旋转活塞驱动。驱动马达50同样经由联轴节52直接与旋转活塞22联接并且驱动这个旋转活塞或者由这个旋转活塞驱动。在根据图1的根据本发明的旋转活塞泵上没有用于使旋转活塞21、22的旋转运动同步的变速器减速或加速或者其它的变速器。 [0039] 图2示出的是三叶片的旋转活塞121，该旋转活塞总共有三个叶片121a、b、c。三个叶片中的每一个叶片在旋转活塞的整个轴向延伸的长度上沿着螺旋线旋转120°。 [0040] 在图2中旋转活塞121构造在壳体半壳134中，该壳体半壳限定入口的上部限制边缘134a和出口的上部限制边缘134b。 [0041] 图3示出的是一个具有总共四个叶片221a至d的旋转活塞221。每个叶片在旋转活塞221的整个轴向长度上螺旋状地缠绕90°的圆周角。 [0042] 旋转活塞221又构造在一个壳体半壳234中，该壳体半壳与壳体半壳134相符。 [0043] 原则上应该理解为：旋转活塞121、221在运行中分别与一个竖直位于下面的旋转活塞共同作用并啮合。这个第二旋转活塞在其叶片数和角度方面与旋转活塞121或者221相符，一个叶片螺旋状地在旋转活塞的长度上延伸经过所述角度。然而位于下面的旋转活塞如此构造，即，叶片沿着相反的旋转方向延伸，从而能够实现两个旋转活塞的啮合运动。 |
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