DE2560045B1 - Parallel- und aussenachsiger Rotationskolbenverdichter mit Kaemmeingriff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen parallel und außenachsigen Rotationskolbenverdichter mit Kämmeingriff zwischen einem Schraubenrippenmotor, dessen Rippenflanken zu einem größeren Teil außerhalb und zu einem kleineren Teil innerhalb des zugehörigen Teilkreises liegen, und einem Schraubennutenrotor, dessen Nutenflanken zu einem größeren Teil innerhalb und zu einem kleineren Teil außerhalb des zugehörigen Teilkreises liegen.

Bei einem bekannten Verdichter dieser Art (US-PS 74 522) ist der kleinere Teil einer jeden Nutflanke des Schraubennutenrotors in Gestalt eines Kreisbogens ausgebildet, dessen Zentrum sich auf dem zugehörigen Teilkreis befindet Die damit zusammenwirkenden kleineren Flankenteile des Schraubenrippenrotors sind dergestalt ausgerundet, daß sie den kreisbogenförmigen kleineren Flankenteilen des Schraubennutenrotors entsprechen. Der den kleineren Flankenteil tragende Ansatz am Nutensteg des Schraubennutenrotors hatte ursprünglich die Aufgabe, scharfe Kanten zwischen den Rotorflanken und den kreisbogenförmig um die Rotorachse verlaufenden Scheitelbereich des Nutenstegs zu verhindern. Später wurden derartige Ansätze dazu benutzt, daß Verdrängungsvolumen des Verdichters zu vergrößern und das Verhältnis zwischen den auf die verschiedenen Rotoren wirkenden Drehmomenten zu verändern. In allen diesen Fällen bestand jedoch keine Drehmoment übertragende Berührung zwischen dem betroffenen kleineren Flankenteilen der beiden Rotoren.

Es ist ferner bekannt (GB-PS 10 77 517), einen

ίο Verdichter der betroffenen Art derart auszugestalten, daß der Schraubennutenrotor unmittelbar mit der Antriebswelle verbunden ist, um die Umfangsgeschwindigkeit des Schraubenrippenrotors ohne Verwendung eines besonderen Übersetzungsgetriebes heraufzusetzen. Derartige Kompressoren sind mit einem seinerseits bekannten Rotorprofil (AT-PS 2 77 439, Fig. 6) versehen worden, bei welchem die nacheilende Nutenflanke des Schraubennutenrotors mit einem innerhalb des zugehörigen Teilkreises liegenden und an diesen anschließenden radialen Abschnitt versehen ist, der mit einem Fußabschnitt der eingreifenden Rippenflanke des Schraubenrippenrotors zusammenwirkt, wobei sich dieser Fußabschnitt außerhalb des zugehörigen Teilkreises unmittelbar an diesen anschließt. Dies bedeutet, bei Antrieb über den Schraubennutenrotor zum Schraubenrippenrotor nicht nur, daß die Umfangsgeschwindigkeit des treibenden Schraubennutenrotors im Berührungspunkt geringer ist als die des getriebenen Schraubenrippenrotors, sondern auch, daß die Gleitgeschwindigkeit der Berührungspunkte längs der treibenden Nutenflanke geringer ist als längs der getriebenen Rippenflanke, wodurch zwischen die Rotorflanken eingeführte Flüssigkeit abfließt, ohne einen tragenden Flüssigkeitsfilm im Berührungsbereich zwischen den Rotorflanken zu bilden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Flankenprofile der Rotoren dergestalt zu ändern, daß sie geeigneter sind für eine unmittelbare Flankenberührung in Verdichtern, bei denen der Schraubennutenrotor mit der Antriebsmaschine gekuppelt ist und den Schraubenrippenrotor seinerseits antreibt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß sich der kleinere Teil zumindest der nacheilenden Flanke einer jeden Rippe des Rippenrotors aus einem an dem zugehörigen Teilkreis anschließenden, hauptsächlich geraden Abschnitt und einem konkav gekrümmten Abschnitt zusammensetzt, wobei der gerade Abschnitt einen Winkel von weniger als 30° mit einem von der Achse des Schraubenrippenrotors durch den Schnittpunkt zwischen diesen Abschnitt und dem zugehörigen Teilkreis verlaufenden Radialstrahl einschließt.

Zweckmäßig ist dabei ein größerer Abschnitt des kleineren Teils der damit zusammenwirkenden Nutenflanke von dem hauptsächlich geraden Abschnitt des kleineren Teils der entsprechenden Rippenflanke des Rippenrotors erzeugt. Auf diese Weise läßt sich eine unmittelbare Flankenberührung zwischen den Rotoren innerhalb des Teilkreises des Schraubenrippenrotors bzw. außerhalb des Teilkreises des Schraubennutenrotors ermöglichen. Dies bedeutet bei Antrieb vom Schraubennutenrotor zum Schraubenrippenrotor nicht nur, daß die Umfangsgeschwindigkeit des treibenden Schraubennutenrotors im Berührungspunkt höher ist als diejenige des getriebenen Schraubenrippenrotors, sondern auch das die Gleitgeschwindigkeit der Berührungspunkte längs der reibenden Nutenflanke höher ist als diejenige längs der getriebenen Rippenflanke, wodurch

sich ein Flüssigkeitsfilm im Berührungsbereich zwischen den Rotorflanken positiv aufbaut. Auf diesem Wege werden die Antriebsverhältnisse für einen über den Schraubennutenrotor angetriebenen Verdichter verbessert, bei denen die Geschwindigkeitsverhältnisse gerade entgegengesetzt waren und praktisch kein Flüssigkeitsfilm im Berührungsbereich zwischen den Rotoren vorhanden waren.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen senkrechten Längsschnitt durch einen Rotationskolbenverdichter nach Linie 1 -1 in F i g. 2,

F i g. 2 einen Querschnitt durch den Verdichter nach Linie 2-2 in F i g. 1 und

F i g. 3 eine Einzelheit aus F i g. 2 mit dem Profilverlauf einer Schraubennut und einer Schraubenrippe in größerem Maßstab.

Der in den F i g. 1 und 2 gezeigte Rotationskolbenverdichter hat ein Gehäuse 10 mit einem darin enthaltenen Arbeitsraum 12, der im wesentlichen die Form zweier einander schneidender zylindrischer Bohrungen mit parallelen Achsen besitzt. Das Gehäuse 10 enthält ferner einen Niederdruckkanal 14 und einen Hochdruckkanal 16 für das zu verdichtende Arbeitsmedium, die mit dem Arbeitsraum 12 über einen Niederdruckeinlaß 18 bzw. einen Hochdruckauslaß 20 in Verbindung stehen.

Im gezeigten Verdichter ist der Niederdruckeinlaß 18 vollständig in der Niederdruckendwand 22 des Arbeitsraums 12 gelegen und erstreckt sich hauptsächlich auf einer Seite einer die Bohrungsachsen enthaltenden Ebene. Der Hochdruckauslaß 20 des Verdichters ist teilweise in der Hochdruckendwand 24 des Arbeitsraums 12 und teilweise in dessen Mantelwand 26 angeordnet und befindet sich vollständig auf der entgegengesetzten Seite der vorerwähnten, die Bohrungsachsen enthaltenden Ebene.

Im Arbeitsraum 12 befinden sich zwei im Kämmeingriff zusammenwirkende Rotoren, nämlich ein Schraubenrippenrotor 28 und ein Schraubennutenrotor 30, deren Drehachsen mit den Bohrungsachsen zusammenfallen. Die Rotoren 28, 30 sind im Gehäuse 10 in Zylinderrollenlagern 32 innerhalb der Niederdruckendwand und in paarweise angeordneten Schrägschulterkugellagern 34 innerhalb der Hochdruckendwand 24 gelagert Der Nutenrotor 30 trägt ferner eine Stummelwelle 36, die sich aus dem Gehäuse 20 heraus erstreckt.

Der Rippenrotor 28 weist vier schraubenförmige Rippen 38 mit Zwischenräume 40 auf, deren Umschlingungswinkel 300° beträgt. Der Nutenrotor 30 hat sechs von schraubenförmigen Stegen 42 getrennte Nuten 44 mit einem Umschlingungswinkel von etwa 200°. Die Stege 42 des Nutenrotors sind mit Ansätzen 48 versehen, die radial außerhalb des zugehörigen Teilkreises 46 liegen, und die Nuten 40 des Nutenrotors 30 sind mit entsprechenden Ausnehmungen radial innerhalb des zugehörigen Teilkreises 50 versehen.

In der Mantelwand 26 des Arbeitsraums 12 befinden sich eine Anzahl öleinspritzkanäle 54, die an der Verschneidungslinie 56 zwischen den den Arbeitsraum 12 bildenden Gehäusebohrungen münden. Diese Kanäle 54 stellen Verbindungen zwischen einer ölzufuhrkammer 58 und dem Arbeitsraum 12 her. Der Kammer 58 wird öl von einer (nicht gezeigten) Druckölquelle über eine Einspeiseöffnung 60 unter einem höheren Druck zugeführt, als er im Arbeitsraum 12 an den Mündungen der Kanäle 54 herrscht.

Jede Nut 44 des Nutenrotors hat eine erste Flanke 62, die bei Verwendung ais Verdichter die vorauseilende Flanke ist und eine zweite, in diesem Falle nacheilende Flanke 64. Jede dieser Flanken 62,64 erstreckt sich von einem achsnahen Punkt 66 der Nut 44 auswärts bis zu einem Punkt 68 bzw. 70 am Scheitel 72 des zugehörigen Stegs 42, der außerhalb des Teilkreises 46 des Nutenrotors 30 liegt, welcher die Flanken 62,64 in den Pumpen 74 bzw. 76 schneidet. Jede Flanke 62,64 besteht somit aus einem größeren Teil 66—74 bzw. 66—76 innerhalb des Teilkreises 46 und einem kleineren Teil 74—68 bzw. 76—70 außerhalb des Teilkreises 46.

Der größere Teil 66—74 der vorauseilenden Nutflanke 62 setzt sich aus drei Abschnitten zusammen. Der erste Abschnitt 66—78 ist von einem Kreisbogen gebildet, der sich über einen Winkel oi von etwa 10° erstreckt und sein Zentrum 80 auf dem Teilkreis 46 des Nutenrotors hat, wobei sein Radius r eine Länge von etwa 40% der Länge des Teilkreisradius des Rotors 30 besitzt. Der zweite Abschnitt 78—82 hat die Form eines Kreisbogens, dessen Zentrum 84 außerhalb des Teilkreises 46 auf einer Verlängerung der Geraden 78, 80 liegt und dessen Radius R eine Länge von etwa vier Dritteln derjenigen des Radius r besitzt. Der dritte Abschnitt 82—74 folgt einer Geraden, die in dem Punkt 82 eine Tangente an den Kreisbogen mit dem Radius R bildet und im Punkt 74 auf dem Teilkreis 46 einen Winkel β von etwa 20° mit einem von der Rotorachse 86 ausgehenden Radialstrahl durch diesen Punkt einschließt.

Der größere Teil 66—76 der nacheilenden Flanke 64 besteht ebenso aus drei verschiedenen Abschnitten. Der erste Abschnitt 66—88 ist ein Spiegelbild des ersten Abschnittes 66—78 der vorauseilenden Flanke 62. Der zweite Abschnitt 88—90 hat an seinem inneren Endpunkt 88 eine Tangente gemeinsam mit derjenigen an den ersten Abschnitt 66—88. Der äußere Endpunkt 90 des zweiten Abschnitts der nacheilenden Flanke liegt auf einem Kreis mit dem Teilkreisradius 86—80 als Durchmesser. Zwischen diesen zwei Punkten 88, 90 folgt der zweite Abschnitt 88—90 einer Epizykloide, die weiter unten beschrieben wird. Der dritte Abschnitt 90—76 folgt einer Geraden in Form eines von der Achse 86 des Nutenrotors 30 ausgehenden Radialstrahls.

Jede Rippe 38 des Rippenrotors 28 hat in derselben Weise eine voreilende Flanke 92 und eine nacheilende Flanke 94. Jede dieser Flanken 92,94 erstreckt sich von einem Scheitelpunkt 96 zu einem Punkt 98 bzw. 100 am Boden 102 des Rippenzwischenraums 40, der innerhalb des Teilkreises 50 des Rippenrotors 28 liegt, welcher die Flanken 92,94 in den Punkten 104 bzw. 106 schneidet.

Jede Flanke 92, 94 hat somit einen größeren Teil 96—104 bzw. 96—106 außerhalb des Teilkreises 50 und einen kleineren Teil 104—98 bzw. 106—100 innerhalb des Teilkreises 50.

Der größere Teil 96—104 der voreilenden Flanke 92 besteht aus drei verschiedenen Abschnitten. Der erste Abschnitt 96—108 ist, mit Ausnahme eines zur Bildung einer Dichtleiste am Scheitel 96 ausgesparten Bereichs 100, als Kreisbogen ausgebildet, der mit dem ersten Abschnitt 66—78 der vorauseilenden Flanke 62 des Nutenrotors 30 übereinstimmt. Der zweite Abschnitt 108—112 ist von dem zweiten Abschnitt 78—82 der voreilenden Flanke 62 des Nutenrotors 30 erzeugt. Der dritte Abschnitt 112—104 ist von dem dritten Abschnitt 82—74 der voreilenden Flanke 62 des Nutenrotors 30 erzeugt.

Der größere Teil 96—106 der nacheilenden Flanke 94 des Rippenrotors 28 besteht ebenso aus drei verschiedenen Abschnitten. Der erste Abschnitt 96—114 ist das Spiegelbild des ersten Abschnitts 96—108 der voreilenden Flanke 92. Der Endpunkt 114 dieses ersten Abschnittes erzeugt ferner den als Epizykloide ausgebildeten zweiten Abschnitt 88—90 der nacheilenden Flanke 64 des Nutenrotors 30. Der zweite Abschnitt 114—116 ist von einem Punkt 90 auf der nacheilenden Flanke 64 des Nutenrotors 30 erzeugt. Der dritte Abschnitt 116—106 ist von dem dritten Abschnitt 90—76 der nacheilenden Flanke 64 des Nutenrotors 30 erzeugt.

Der kleinere Teil 104—98 der voreilenden Flanke 92 des Rippenrotors 28 besteht aus zwei verschiedenen Abschnitten. Der erste Abschnitt 104—118 folgt einer Geraden, die eine Tangente an den dritten Abschnitt 112—104 des größeren Teils 96—104 der Rippenflanke 92 im Schnittpunkt 104 mit dem Teilkreis 50 bildet. Der zweite Abschnitt 118—98 des kleineren Flankenteils ist von dem achsfernen Punkt 68 der voreilenden Flanke 62 des Nutenrotors 30 erzeugt. Der Verbindungspunkt 118 zwischen den Flankenabschnitten 104—118 und 118—98 ist so gelegen, daß die Gerade 104—118 eine Tangente an die Kurve 118—98 in dem Punkt 118 bildet.

Der kleinere Teil 74—68 der voreilenden Flanke 62 des Nutenrotors 30 folgt einer Kurve, die von dem ersten Abschnitt 104—118 des kleineren Teils 104—98 der voreilenden Flanke 92 des Rippenrotors 28 erzeugt ist.

Der kleinere Teil 106—100 der nacheilenden Flanke 94 des Rippenrotors 28 besteht aus zwei verschiedenen Abschnitten. Der erste Abschnitt 106—120 folgt einer Geraden, deren Verlängerung durch die Achse 122 des Rippenrotors 28 verläuft. Diese Gerade 106—120 bildet eine Tangente zum dritten Abschnitt 116—106 des größeren Teils 96—106 der nacheilenden Flanke 94 des Rippenrotors 28 im Punkt 106 auf dem Teilkreis 50. Der zweite Abschnitt 120—100 ist vom achsfernen Punkt 70 der nacheilenden Flanke 64 des Nutenrotors 28 erzeugt. Der Verbindungspunkt 120 zwischen den Flankenabschnitten 106—120 und 120—100 ist derart gelegen, daß die Gerade 106—120 eine Tangente an die Kurve 120—100 in diesem Punkt 120 bildet.

Der kleinere Teil 76—70 der nacheilenden Flanke 64 des Nutenrotors 30 folgt einer Kurve, die von dem ersten Abschnitt 106—120 des kleineren Teils 106—100 der nacheilenden Flanke 94 des Rippenrotors 28 erzeugt ist.

Der Scheitel 72 eines jeden Steges 42 des Nutenrotors 30 trägt eine Dichtleiste 124 zur Verbesserung der Abdichtung gegen die Mantelwand des Gehäuses. Der Boden 102 jedes Zwischenraums 40 am Rippenrotor 28 enthält ferner eine Nut 26, mit welcher die Dichtleiste 124 des damit zusammenarbeitenden Nutensteges 42 in und außer Eingriff gelangt, wenn die Rotoren 30, 28 rotieren.

Die vorstehend erläuterten Rotorprofile beziehen sich alle auf deren theoretische Form. Um jedoch die mechanische Zuverlässigkeit der Maschine, in der diese Rotoren eingebaut sind, sicherzustellen, müssen bestimmte Spalte oder Zwischenräume zwischen den Rotoren innerhalb der Flankenteile vorgesehen sein, damit sich dort die Rotoren nicht unmittelbar berühren. Um derartige Spalte zu erhalten, müssen die Profile eines oder beider Rotoren derart geringfügig modifiziert werden, daß sie von der theoretischen Gestalt abweichen. Die Formen und Größen dieser Abweichungen unterscheiden sich für verschiedene Maschinenausführungen in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen, d.h. der Verdichtung oder Entspannung des Arbeitsmittels, der Art des darin zu behandelnden Gases, der Gastemperatur in Abhängigkeit vom Kühlsystem der Maschine einschließlich Flüssigkeitseinspritzung und dem System der Drehmomentübertragung zu den Rotoren, nämlich einem getrennten Synchronisiergetriebe, unmittelbarer Flankenberührung mit dem Rippenrotor als treibenden Rotor oder unmittelbarer Flankenberührung mit dem Nutenrotor als treibenden Rotor, sowie den Abmessungen der Rotoren.

In der Zeichnung sind die Abweichungen von den theoretischen Rotorprofilen vollständig auf den Nutenrotor 30 verlagert. Ihre Form ist durch die gestrichelte Linie 128 angedeutet, die aus Klarheitsgründen in einem übertrieben großen Abstand gegenüber dem theoretischen Flankenprofil eingezeichnet ist. In der Zeichnung sind die Abweichungen für einen Verdichter mit unmittelbarer Flankenberührung und Antrieb über den Nutenrotor 30 gezeigt. Die Abweichungen von der theoretischen Gestalt längs der ersten und zweiten Abschnitte 66—78, 66—88 bzw. 78—82, 88—90 der größeren Teile der Nutflanken 62 und 64 haben eine konstante erste Größe, lotrecht zu diesen Flanken gemessen. Die Abweichung längs dem dritten Abschnitt 82, 74 des größeren Teils 66—74 der vorauseilenden Flanke 62 des Nutenrotors vermindert sich fortgesetzt von der Größe im Punkt 82, wo sie gleich der des anschließenden zweiten Abschnittes 78—82 ist, bis zu einer zweiten minimalen Größe im Punkt 74 auf dem Teilkreis 46. Die Abweichung längs dem kleineren Flankenteil 74—68 ist von konstanter Größe gleich der zweiten Größe im Punkt 74, lotrecht zur Flanke gemessen. Die Abweichungen über dem dritten Abschnitt 90—76 des größeren Teils 66—76 der nacheilenden Flanke 64 und längs dem kleineren Teil 76—70 der nacheilenden Flanke 64 haben eine dritte Größe. Die Abweichung über dem Scheitel 72 mit Ausnahme für die Dichtleiste 124 ist von einer konstanten vierten Größe, lotrecht zum Scheitel 72, d. h. in radialer Richtung des Rotors gemessen. In einem aktuellen Anwendungsfall als Verdichter für Luft unter Atmosphärendruck und Umgebungstemperatur mit einem Druckverhältnis von 8:1, bei dem mit Öleinspritzung zur Kühlung, Abdichtung und Schmierung bei unmittelbarer Flankenberührung mit dem Nutenrotor 30 als treibenden Rotor und einem Rotordurchmesser von etwa 200 mm gearbeitet wird, betragen die Werte für die erste, zweite, dritte und vierte Größe der Abweichung 0,06—0,10 mm, 0,02—0,05 mm, Null bzw. 0,06—0,10 mm. Für Antrieb durch den mit unmittelbarer Flankenberührung sollten die Werte für die zweite und dritte Größe der Abweichung gegeneinander vertauscht werden. Für Antrieb über ein Synchronisiergetriebe sollten die Werte für die zweite und dritte Größe der Abweichung positiv und kleiner als der Wert für die erste Abweichungsgröße sein.

Bei Verlagerung aller spaltbildender Abweichungen auf nur einen Rotor, vorzugsweise den Nutenrotor, sollte der andere Rotor für alle verschiedenen Ausführungsformen in seiner Form gleichbleibend sein. Auf diesem Wege kann dasselbe Schneidwerkzeug für den anderen Rotor unabhängig vom Anwendungsfall benutzt werden, und bei Umstellung der Produktion muß nur ein neues Schneidwerkzeug bereitsgestellt werden, was besonders vom wirtschaftlichen Stand-

punkt her wesentlich ist.

Der Winkel β kann zwischen 0° und 30° variieren. Je kleiner dieser Winkel ist, umso besser werden die Berührungsbedingungen zwischen den zusammenwirkenden Flanken 62,92 sein. Andererseits sind, je größer dieser Winkel ist, die Bedingungen für ein Schneidwerkzeug umso besser, besonders bei Verwendung in einer Abwälzfräsmaschine, was bedeutet, daß mehr Rotoren

mit demselben Werkzeug ohne Nachschleifen desselben bearbeitet werden können. Mit anderen Worten, die Herstellung der Rotoren erfolgt schneller und billiger. Die Größe des Winkels β mit 20° gemäß der Darstellung in der Zeichnung kann zumindest bei der beschriebenen Ausführungsform als Verdichter mit unmittelbarer Flankenberührung und Antrieb über den Nutenrotor als optimal angesehen werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

030108/293

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Parallel- und außenachsiger Rotationskolbenverdichter mit Kämmeingriff zwischen einem Schraubenrippenmotor, dessen Rippenflanken zu einem größeren Teil außerhalb und zu einem kleineren Teil innerhalb des zugehörigen Teilkreises liegen, und einem Schraubennutenrotor, dessen Nutenflanken zu einem größeren Teil innerhalb und zu einem kleineren Teil außerhalb des zugehörigen Teilkreises liegen, dadurch gekennzeichne t, daß sich der kleinere Teil (104-98,106-100) zumindest der nacheilenden Flanke (92, 94) einer jeden Rippe (38) des Rippenrotors (28) aus einem an dem zugehörigen Teilkreis (50) anschließenden, hauptsächlich geraden Abschnitt (104—118 bzw. 106—120) und einem konkav gekrümmten Abschnitt (118—98 bzw. 120—100) zusammensetzt, wobei der gerade Abschnitt (104—118) bzw. 106—120) einen Winkel von weniger als 30° mit einem von der Achse (122) des Schraubenrippenrotors durch den Schnittpunkt zwischen diesem Abschnitt und dem zugehörigen Teilkreis (50) verlaufenden Radialstrahl einschließt.

2. Rotationskolbenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein größerer Abschnitt des kleineren Teils (68—74, 70—76) der damit zusammenwirkenden Nutenflanke von dem hauptsächlich geraden Abschnitt (104—118 bzw. 106—120) des kleineren Teils der entsprechenden Rippenflanke des Rippenrotors (28) erzeugt ist.

3. Rotationskolbenverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gerade Abschnitt (106—120) mindestens der nacheilenden Flanke (94) einer jeden Rippe (38) des Rippenrotors (28) radial gerichtet ist.

4. Rotationskolbenverdichter nach einem oder vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der konkav gekrümmte Abschnitt (118—98 bzw. 120—100) von der achsfernen Endkante (68 bzw. 70) der zugehörigen Nutflanke (62 bzw. 64) des Schraubennutenrotors (30) erzeugt ist.