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Dies
ist eine Zusatzanmeldung zu 10 2005 005 347.5 „ Rotorprofile für trockene
Schraubenkompressoren",
[1], in der das Konstruktionsprinzip der neuartigen Schraubkolben-
und -nutenprofile zeichnerisch und formelmäßig festgelegt ist. Leider
sind diese Profile entgegen der Behauptung in der Schrift mit groben
Blaslöchern
behaftet, die ihren Einsatz auf Rotoren mit kleinen Schraubkolbenzahlen
i und z für nicht
ratsam erscheinen lassen. Das Prinzip kann aber auf Rotoren mit
beliebig vielen Schraubkolben und -nuten angewendet werden. Bei
hoher Schraubkolbenzahl wandert die Dichtlinie mit den Gewindenuten
auf dem Rotor nach außen,
was bedeutet, daß die
durch die Blaslöcher
verursachten Energieverluste abnehmen. Bei einer Maschine mit je
12 Schraubkolben auf Rotor I und II stellen letztere, wie 1 zeigt, großdurchmessrige
Rohre mit schraubenförmig
gewellter Wand dar. Die Blaslochgröße relativ zur Arbeitsfläche nimmt
ab. Besonders effektiv ist aber, daß auch die den Verlust verursachenden
Differenzdrücke
zwischen benachbarten Schraubnuten reziprok zu 2i sinken. Beides
zusammen bewirkt den Rückgang
der Blaslochverluste. Von i = 10 an sind sie tolerierbar. Beim 12 zu
12-Kompressor betragen
sie nur noch 3 bis 4 % der aufgebrachten Energie.
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Wenn
auch die Maßnahme „hohe Schraubkolbenzahl" als unangenehme
Nebenwirkung die spezifische Förderleistung
der Schraubenarbeitsmaschine senkt, so rettet sie doch die außerordentlichen Vorteile
der neuen Profilart und erzeugt neue positive Merkmale, die dem
genannten Mangel entgegenwirken, was zusammen den Nachteil überwiegt.
In der Schrift wird der Kompressor als durchkonzipierte Arbeitsmaschine
gezeigt, und für
den Expander wird dargestellt, daß die Nutzung von Hochtechnologiekeramik
rationell umsetzbar und im Gegensatz zur Gasturbine erfolgversprechend
erscheint.
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Als
erster Vorteil ist anzuführen,
daß die
Rotoren sich wegen der einfachen, klaren geometrischen Form kostengünstig herstellen
lassen. Als zweites kommt hinzu, daß sie sich in einzigartiger Weise
von innen kühlen
lassen. Trotz der für
die berührungsfreie
Abdichtung notwendigen Erzeugung und Wahrung von Mikrolaufspalten
darf man auf druckgegossene Rotoren aus Aluminiumlegierung zurückgreifen,
was ihrer Großserienfertigung
für künftige Schraubenleichtmotoren
mit ebenso gekühlten
in Aluminium gegossenen Gehäusen
sehr entgegenkommt. Die großdurchmessrigen
Hohlrotoren können
mit inneren an ein Zentralrohr und an die Wände der als Schraubnuten vorliegenden
Arbeitsräume,
unter denen sie spiralig herlaufen, angegossenen Verstärkungsrippen
versehen werden. Das macht die Rotoren robust und steif und prädestiniert sie
für größte Baulängen und
höchste
Drehzahlen, um den Verlust an Förderkapazität zum großen Teil wieder
wettzumachen. Dabei soll zentrifugal nach außen getriebenes dünnes Kühlöl in durch Überlaufbohrungen
tiefenmäßig gesteuerten
Gräben
zwischen den Verstärkungsrippen
unter den Arbeitsräumen
durchfließen
und den Rotor mit thermostatisch geregelter niedriger Rückkühltemperatur
vor zu starker Wärmedehnung
bewahren, ihn auf jeden Fall aber mit kontrollierter Dehnung laufen
lassen.
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Die 4 läßt in einem
Längsschnitt
durch den 12 zu 12-Schraubenkompressor einen weiteren Vorteil
erkennen, den die dicken Hohlrotoren bieten. Man kann ihre Radial-
und Axialgleitlager in sie hinein auf von den gekühlten Gehäusestirnwänden vorragende
Stumpfwellen verlegen, die direkt angegossen und als Mehrflächengleitlager
sowie Axialgleitlager bearbeitet sein können. Die Innenlagerung der
Rotoren verkürzt
die Maschine und kompensiert die für den Förderkapazitätsausgleich erfolgte Rotorverlängerung.
Außerdem
vereinfacht sie die Montage der Arbeitsmaschine und erlaubt, auch
bei großen
Exemplaren auf eine Teilung des Gehäuses zu verzichten.
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Zwei
weitere Umstände
verkürzen
den Kompressor. An seiner Antriebsseite wird das Getriebe installiert,
indem in jeden der Rotoren eines der ineinandergreifenden Synchronzahnräder mit
Kerbverzahnung eingesetzt wird, das nun an seiner Stelle den Lagerbock
aufnimmt. Eines der Zahnräder
enthält
einteilig die Kompressorantriebswelle, die durch das Zentrum des
Lagerbocks nach außen
rausgeführt
ist. Die Laufspalte der Rotoren müssen rechts und links neben
den gasführenden
Schraubkolben und – nuten
gegen Gasdurchtritt abgedichtet werden. Dazu sind an die Rotoren
kurze Hohlwellenstümpfe angegossen,
auf denen doppelte Gewindewellendichtungen an Gegenflächen des
Gehäuses
abdichten. Aufgrund der geringen Spaltweite und der hohen Umfangsgeschwindigkeit
genügen
selbst bei sehr dünnem Öl schon
sehr kurze Fördergewinde.
Bei Stillstand der Maschine übernehmen
bei Betrieb zentrifugal abgehobene Aufsetzdichtringe die Trennung von
Gas- und Ölbezirk.
Eine Gewindwellendichtung mit Stillstandsaufsetzdichtring sperrt
auch im Laufspalt der Antriebswelle das Öl ab. Letztlich dient dasselbe
dünne Maschinenöl der Rotorkühlung, der
Gehäusekühlung, der
Lager- und der Getriebeschmierung sowie der axialen Maschinenabdichtung,
und eine thermostatische Rückkühlanlage
hält seine Temperatur
niedrig und seine Viskosität
und Kühlfähigkeit
in engen Grenzen.
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Mit
einem zweistufigen Kompressor und einem großen Expander empfiehlt sich
die neue Schraubenarbeitsmaschine für Motoren nach dem Jouleprozeß der Gasturbine,
obwohl sie auch für selbstständige Aggregate
nutzbar ist. Im Expander des Jouleprozeßmotors kommt aber eine weitere günstige Gestaltungsmöglichkeit
der neuen Profile zum Tragen. Sie können relativ leicht mit einer
sehr dicken Schicht aus hochwarmfesten Keramikkacheln ausgestattet
werden, die im Gegensatz zu den gescheiterten keramischen Turbinenschaufeln
gering beansprucht sind, viel günstigere
Bauformen aufweisen und deshalb kaum Probleme machen dürften.
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Die
keramische Kachelung des Expanders erlaubt bei gleichzeitiger Senkung
der Kühlverluste eine
starke Anhebung der Expandereintritts- und damit der Prozeßhöchsttemperatur,
die wiederum die Effektivität
und Leistung des Prozesses steigert. In Dubbel 17, Seite R 78, [2],
ist der Joule-prozeß für die Gasturbine
analysiert. Die für
die Strömungsarbeitmaschinen
angesetzten Teilwirkungsgrade werden von den neuen Schraubenaggregaten
mit Sicherheit erreicht. In dem Vergleich werden Gasmotoren mit und
ohne Gegenstromwärmetauscher
nebeneinander betrachtet. Solche „mit" erzielen deutlich bessere effektive
Wirkungsgrade als die „ohne", während ihre spezifische
Leistung etwas kleiner ausfällt.
Besonders stark steigen die Werte aber mit der Turbineneintrittstemperatur,
jetzt Expandereintrittstemperatur. Der Expander braucht keine hochbeanspruchten Sonderwerkstoffe,
sondern wird aus einfachen Aluminiumlegierungen hergestellt, wunderbar
gekühlt und
kann sogar durch dicke Keramikkacheln geschützt werden.
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Metallische
Gegenstromwärmetauscher
sind temperaturbegrenzt keramischen Exemplaren ebenfalls unterlegen.
Um den Vorteil des keramischen Expanders voll ausnutzen zu können, wird
empfohlen, die Konstruktion und Entwicklung eines neuartigen kompakten,
stoßsicher
und wärmeisoliert
gekapselten Gegenstromwärmetauschers
aus gutleitendendem Siliziumkarbid nach einer Parallelanmeldung
-- ---- --- ---.-, [3], voranzutreiben. Bei Extrapolation der Ergebnisse
der im Dubbel dargstellten Prozeßanalyse zu den mit dem neuen
Schraubenexpander und dem neuen Rekuperator realisierbaren Gastemperaturen
macht man für
den Jouleprozeßschraubenmotor
effektive Wirkungsgrade von über
50 % aus. Da man auch neben der Brennstoffzelle immer noch Verbrennungsmotoren
einsetzen werden muß,
gebieten die mögliche
Brennstoffeinsparung und die ebenfalls gegebenen Vorteile bei der
Schadstoffunterdrückung durch
den Schraubenmotor, diesen zu entwickeln, zumal sich das allein
auf bereits vorhandene, nur der speziellen Anwendung anzupassende,
Techniken zu stützen
braucht. Im Leistungsbereich bis etwa 5000 KW kann der Jouleprozeßschraubenmotor
als rationelle, preiswerte Antriebsmaschine im KFZ-, Luftfahrt-,
Schiffs-, Eisenbahn- und Stationärsektor
Energieeinsparung und Schadstoffverminderung leisten.
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Die 1 bis 9 srellen
die Erfindung dar. Im Einzelnen zeigen die
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1 einen
Querschnitt durch einen 12 zu 12-Kompressor nach 10 2005
005 347.5, die
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2 eine
Bildserie von der schrittweisen Rotation der Rotoren I und II innerhalb
einer Schraubkolbenteilung (Δφ = 30°) mit eingetragener, aber
auch 3-fach vergrößert herausgezeichneter Dichtlinie,
die
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3 einen
Querschnitt durch den Schraubenkompressor, jedoch mit in die Rotoren
eingegossenen Verstärkungsrippen,
die
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4 einen
Längsschnitt
durch den Schraubenkompressor mit achtzehn von den 24 Schraubkolben
im Eingriff in achtzehn von den 24 Schraubnuten, die
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5 einen
Querschnitt durch eine prinzipiell gleichen Schraubenexpander mit
Schichten von Keramikkacheln auf den kühlöldurchströmten Rotoren (III und IV) und
im Gehäuse,
die
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6 eine
Keramikkachel des Rotors III in sechs Ansichten, die
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7 einen Querschnitt durch eine zusammengesetzte
Intrudierform für
Keramikgrünlige
eines Stranges von Kacheln nach 6, die
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8 einen
Querschnitt durch eine Zwischenbearbeitungsvorrichtung für gebrannte
Kachelstränge
mit Aufmaß,
die
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9 eine
Frontansicht einer Vorrichtung für die
Endhonung der Präzisionskacheln.
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In 1 sieht
man die Rotoren I und II als Rohre mit schraubenförmig gewellter
Wand (1/2). Im Rotorquerschnitt haben die 12 Schraubkolben
(3) von I ein konvexes Kreisbogenprofil (4) und
die 12 Schraubnuten (5) ein konkaves Kreisbogenprofil (6). Bei
II haben die Schraubkolben (7) ebenfalls ein konvexes Kreisbogenprofil
(8), die Schraubnuten (9) aber das nach 10 2005
005 347.5 geformte Muldenprofil (10). Die beiden Gehäuse (11/12)
verschmelzen an den Treffkanten (13 und 14) miteinander.
Da wo die Schraubkolben (3/7) die Treffkante (13)
quasi berühren, läuft bei
Rotation ein schädliches,
hier nicht sichtbares, Blasloch mit dem Quasiberührungspunkt an der Treffkante
und dem Schraubkolben sowie der angrenzenden Schraubnut, vor dem Schraubkolben
liegend, entlang. An der Treffkante (14) entlang bewegen
sich mit den Schraubkolben (3/7) gleichartige
Bläslöcher, die
aber, weil im Saugbereich, nicht schädlich sind. Die Blaslöcher liegen jeweils
zwischen den Schraubkolben und den in die axial voreilende Schraubnut
eintauchenden Gegenschraubkolben. Bei Rotation der Rotoren um 270° laufen sie
mit der Dichtstelle jeweils sehr rasch axial von der Saug- zur Druckseite
der Maschine oder umgekehrt, je nachdem, ob sie sich an der Treffkante (13 oder 14)
befinden. Die Kreisbogenprofile der Schraubkolben erweisen sich
als ungünstig
bezüglich
der Blaslochgröße. Bei
hohen Schraubkolbenzahlen i stört
das jedoch nur noch wenig.
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Die 2 zeigt
an sechs Punkten der Rotorfortdrehung um eine Schraubkolbenteilung,
wie sich die Schraubkolben (3/7) und Schraubnuten
(5/9) mit, abgesehen von den Fertigungsgrenzen,
beliebig engem Spalt (15) berührunglos aneinander vorbeibewegen.
Die Dichtlinie (16) der in die Zeichnungsebene projizierten
Quasiberührungspunkte
der Profile von Rotor I und II, der Punkte des engsten Spaltes, ist
in die Serienbilder eingetragen. Zusammen mit den Rotorkonturen
(4/10) ist die Dichtlinie (16) aber auch
noch dreifach vergrößert herausgezeichnet.
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Die 3 stellt
noch einmal den Querschnitt der 1 durch
die Schraubenmaschine mit den Rotoren I und II dar, jedoch mit eingegossenen
spiralig mit umlaufenden Verstärkungsrippen
(17/18) In einem Abteil ist der in jedem Abteil
vorhandene, zentrifugal gefüllte,
von Kühlöl durchströmte Graben
(19) gezeigt, dessen Tiefe von dem angedeuteten Überlaufloch
(20) bestimmt wird. Man sieht, daß die Rotorwände (1/2)
inklusive der Verstärkungsrippen
(17/18) intensiv gekühlt werden.
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Die 4 bringt
einen Längsschnitt
durch den 12 zu 12-Kompressor mit dem Eingriff von 9 Schraubkolben
(3) von Rotor I in 9 Schraubnuten (9) von Rotor
II und umgekehrt von 9 Schraubkolben (7) von II in 9 Schraubnuten
(5) von I. Das Kühlöl (21) durchströmt die Rotoren
I und II, mit Überlaufbohrungen
(20) gesteuert, in den zentrifugal entstehenden Gräben (19)
zwischen den Rotorwänden
(1/2) und den Verstärkungsrippen (17/18).
Außerdem
durchfließt
es auch das Gehäuse
(11+12) samt den Frontwänden (22/23)
und allen Räumen
des Kompressors, außer
den gasführenden
(5/9/24/25), wobei die beiden
letzten Gasein- und -auslaß sind.
Die mit Kerbverzahnungen (26/27) in die Rotoren
I und II eingesetzten, bei (30) ineinandergreifenden Synchronzahnräder (28/29)
verlängern
die Rotoren bis über die
an die antriebsseitige Frontwand (22) angegossenen Lagerböcke oder
Stumpfwellen (31/32), an welche radiale Vierflächengleitlager
(33) und Axialgleitlager (34) angearbeitet sind.
Einstückig
und angedreht, trägt
das Synchronzahnrad (29) die zentral durch den Lagerbock
(32) nach draußen
geführte
Kompressorantriebswelle (35).
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In
radial eingezogene Abschnitte (36) des Gehäuses sind
doppelte Fluidfördergewinde
(37) eingeschnitten, in denen an die Rotoren angegossene, u.
a. die Synchronzahnräder
in den Kerbverzahnungen (26/27) tragende Hohlwellen
(38) mit engstem Spalt laufen und den Ölraum des Kompressors gegen
den Gasraum absperren. Die Rotoren haben eingesetzte Stillstandsaufsetzdichtringe
(39), die mit zentrifugal gegen einen Anschlag angehobenen Dichtlippen
mitrotieren, welche sich bei Maschinenstillstand aber federangepresst
auf an das Gehäuse angedrehte
Flächen
aufsetzen, um dann das Maschinenöl
aus dem Gasraum fernzuhalten. Am Saugende des Kompressors sind die
Lagerung und die axiale Abdichtung der Rotoren analog ausgeführt, nur,
daß dort
keine Synchronzahnräder
sondern Kappen (40,41) mit angedrehten Laufwellen
(42/43) in sie eingebaut sind. Jeder Rotor wird
mit einem Zentralanker (44/45), der in das Synchronzahnrad
eingeschraubt und, durch die Kappe (40/41) durchgeführt, in
dieser verschraubt ist, zusammengezogen. Die Kompressorantriebswelle
ist nach außen
hin ebenfalls durch ein, allerdings einfaches, Fluidfördergewinde
(46) und einen Stillstandsaufsetzdichtring (47)
abgedichtet.
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Die 5 stellt
in einem Querschnitt durch einen Expander dar, daß die Rotoren
III und IV aus Aluminiumlegierung, wie geschildert, von innen gekühlt, aber
mit schraubengängig
umlaufenden Schwalbenschwanznuten (48, 49) versehen
sind, in die sehr dicke keramische Kacheln (50/51)
aus z. B. Cordierit, Pormulit, Dimulit, oder RBSN mit schraubengängig angeschliffenen
Rotorprofilen (4/6/8/10) und
Schwalbenschwanzfüßen (52/53)
eingefädelt sind.
Die Kacheln müssen
unter folgenden Gesichtspunkten sehr präzise gefertigt werden. Erstens
sollen die Spalte zwischen ihnen dehnungsmäßig bei Erreichen der Betriebstemperatur
vollständig
zugewachsensein, ohne daß die
Kacheln überstark
aufeinander drücken.
Zweitens sollen dann die Laufspalte zwischen den beiden Rotoren
und zwischen diesen und dem Gehäuse
ein gefordertes Mikrometer-Maß angenommen
haben. Und drittens sollen die Kacheln sehr scharfkantig geschliffen
sein, damit im Betrieb keine tiefen Kerbfugen zwischen ihnen bestehen bleiben.
Das sind strenge Forderungen, die man aber in Großserienfertigungen
bei ausreichenden Anstrengungen in der Entwicklung wirtschaftlich
erfüllen kann.
Die enormen Brennstoffeinsparungen und Schadstoffverminderungen,
die mit der Rotorkachelung bei gleichzeitiger keramischer Auskleidung
(54) des Expandergehäuses
(55) verbunden sind, veranlassen dazu, einen ersten halb
laienhaften, sich aber auf bekannte Techniken stützenden Verfahrensvorschlag
für die
serienmäßige Kachelfertigung
in den Figuren (6 bis 9) zu unterbreiten,
wenn das vielleicht auch die Einheitlichkeit der Anmeldung stört. Vor
einem derartigen Keramikeinsatz sollte man nicht zurückschrecken,
sondern ihn ernsthaft versuchen. Andererseits kann der Expander
in einem schwächeren
Kreisprozeß und
bei größeren Kühlverlusten
auch ohne Keramik zum Einsatz kommen.
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Die 6 stellt
eine keramische Kachel (50) des Rotors III in sechs Ansichten
dar, die wegen der schraubengängigen
Verwindung der Kachel kompliziert erscheinen.
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Die 7 zeigt einen Querschnitt durch eine Intrudierform
(60) für
Grünlinge
aus kunstharzgebundenem Keramikpulver eines schraubengängig gewundenen
Profilstranges von 5 Stück
Kacheln. Die Form setzt sich aus vier gewundenen metallischen Halbschalen
(61/62/63/64) zusammen, in die
der nach dem Kachelprofil inklusive des Schwalbenschwanzfußes mit
Bearbeitungsaufmaß geformte Hohlraum
(65) eingefräst
ist, und die durch ein Außenrohr
(66) auf einem Rundschaft (67) zusammengefaßt sind.
Alle Wände
des Hohlraumes tragen eine Teflongleitschicht (68). Wenn
der Binder des eintrudierten Grünlings
abgebunden hat, wird letzterer aus der Form herausgeschoben, wobei
im Abstand der Kacheln Fixierlöcher
(69) in die Schwalbenschwanzsohle im Vorbearbeitungsmaß eingesenkt
werden. Danach werden die Kachelstränge keramisch gebrannt.
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Gemäß 8 werden
nach dem Brand acht schraubengängig
gewundene Kachelstränge
(65) in eine innen mit 8 Schraubgängen (70) mit dem
vormaßigen
Kreisbogenkopfprofil (4+) der Schraubkolben versehene Hilfstrommel
(71) nebeneinander eingelegt und mit Spezialbolzen (72)
festgeschraubt. Dann werden die Bohrungen (69) für spätere Fixierbolzen in
den Schwalbenschwanzfüßen in genauem
Durchmesser und genauen Abständen
von innen nachgesenkt, und anschließend wird der Sohlendurchmesser
(73) der Schwalbenschwanzfüße an die eingebauten Kachelstränge angedreht
und -geschliffen, die danach aus der Hilfstrommel herausgenommen werden,
um zu je vier Stück
auf ein Hilfsrohr, den sogenannten Kachelstrangträger (74),
aufgeklebt und mit von innen durchgesteckten und festgeschraubten Fixierbolzen
(69) festgelegt zu werden. Für die Aufklebung hat der Kachelstrangträger (74)
vier schraubgängig
gewundene Stege (75) von Schwalbenschwanzsohlenbreite und
-durchmesser.
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Die 9 zeigt
eine Queransicht des Hauptteils der Endbearbeitungsvorrichtung.
Es ist eine Honbrille (76), durch welche eine Honmaschine
den Kachelstrangträger
(74) mit den vier aufgebockten Kachelsträngen (65)
zu deren Vor- und Endprofilerzeugung in einer unter Schraubkolbensteigung
ausgeführten
Schraubbewegung mit überlagerter
Honschwingung hindurchschraubt. Die Honbrille trägt 20 aufgeschraubte dünne Schneidplatten (77/78a/78b/79/81),
deren mit Diamantkörnern
besetzte, der Gewindesteigung angepasste, schmale Schneidflächen zusammen
das Kachelprofil herstellen. Die Schneidplatten (77) enthalten
den Kopfkreisbogen (4) der Schraubkolben (3),
die Schneidplatten (78a und 78b) beide den Profilkreisbogen
(6) der Schraubnuten (5), die Schneidplatten (79)
je zwei radiale Trennkanten (80a und 80b) der
Kacheln, und die Schneidplatten (81) je zwei Kachelbodenkreisprofile
(82a und 82b), sowie je zwei schräge lineare
Seitenkonturen (83a und 83b) der Schwalbenschwanzfüße. Nachdem
das Kachelprofil (50) am Kachelstrang (65) angehont
ist, wird er orthogonal zur Rotorachse in einzelne Kacheln genauer
Länge aufgeteilt.
Dazu hat der Kachelstrangträger
(74) außen
quer zur Achse im Kachellängenabstand
periphere Rechtecknuten, in denen zum Schluß Trenn- und danach Präzisionsschleifscheiben
ihn umkreisen und die Kacheln scharfkantig auf Länge schneiden.
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Literatur:
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- [1] Albrecht Kayser, Deutsche Patentanmeldung
10 2005 005 347.5, Rotorprofile für trockene Schraubenkompressoren
- [2] Dubbel-Taschenbuch für
den Maschinenbau, 17. Auflage, Springer-Verlag Berlin Heidelberg
New York, R 8.2, N. Gasparovic, Gasturbinen, Thermodynamische Grundlagen
S. 76–79
- [3] Albrecht Kayser, Deutsche Patentanmeldung -- ---- --- ---.-,
Keramischer Gegen Stromwärmetauscher