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Die Erfindung bezieht sich auf einen Rotor, insbesondere zum Gebrauch in einem
Spirallader, einem Spiralkompressor oder anderen Spiral-Rotationsmaschinen. Rotoren dieses Typs sind
z.B. aus US-A-4 764 098 bekannt.
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Ein bekannter Spirallader zum Erzeugen von unter Druck stehender Luft, die einem Motor
zugeführt werden soll, ist in den beigefügten Zeichnungen gezeigt, von denen:
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Fig. 1 ein schematischer Querschnitt durch den Lader;
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Fig. 2 ein schematischer Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1; und
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Fig. 3 ein schematischer Längsschnitt durch einen Rotor des Laders aus Fig. 1 ist.
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Ein Gehäuse 1 beherbergt einen "männlichen" Spiralrotor 2, der vier Zähne oder Lappen
aufweist, und einen "weiblichen" Spiraltotor 3, der sechs Zähne aufweist, wobei die Rotoren 2 und
3 miteinander kämmend nebeneinander angeordnet sind. Die Rotoren 2 und 3 haben Wellen 4,
die an beiden Enden in Lagern 5 gelagert sind und durch einen Motor angetrieben werden.
Rotation der Rotoren 2 und 3 bewirkt, daß die Luft von einer Einlaßöffnung 6 an einer Seite des
Gehäuses komprimiert und durch eine Auslaßöffnung 7 an der gegenüberliegenden Seite des
Gehäuses 1 in den Motor ausgestoßen wird.
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In den Rotoren 2 und 3 erstreckt sich, wie in Figur 3 gezeigt, die Welle 4 der Länge nach
durch eine Rotortrommel 8. Ein Sackloch 9 erstreckt sich durch die Wand auf einer Seite der
Rotortrommel 8, durch die Welle 4 und teilweise durch die Wand auf der gegenüberliegenden
Seiet der Trommel. Ein Haltestift 10 ist zusammen mit einem Klebstoff in das Loch 9 eingepreßt,
um so zu verhindern, daß die Trommel 8 gegenüber der Welle 4 in axialer und Umfangsrichtung
verschoben wird, beispielsweise während der Rotation des Rotors. Um zu verhindern, daß der Stift
10 aufgrund der aus der hohen Rotationsgeschwindigkeit des Rotors resultierenden
Zentrifugalkraft aus dem Loch 9 fällt, ist ein Sicherungsstift 12 in ein sich axial durch die Welle 4 und den
Stift 10 erstreckendes Loch getrieben.
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Bei dieser Konstruktion muß das Loch 9 zur Aufnahme des Stiftes 10 mit einem hohen Grad
von Genauigkeit gefertigt werden, damit der Stift 10 fest sitzen kann. Selbst bei einem festen Sitz
des Stiftes 10 sind der Sicherungsstift 12 und das Loch 11 immer noch erforderlich.
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Entsprechend ist es ein Ziel der Erfindung, einen Rotor für eine Spiral-Rotationsmaschine
zu schaffen, bei der die Trommel auf eine Weise auf der axialen Welle gehalten wird, die
einfacher und billiger ist als die bisher gebräuchliche, und bei der vor allem der Sicherungsstift und das
zugeordnete Loch, die bisher nötig waren, vollständig entfallen können.
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Gemäß der Erfindung ist ein Rotor von dem Typ, der eine Rotortrommel und eine sich axial
durch diese erstreckende Welle umfaßt, wobei der Rotor ein oder mehrere Löcher aufweist, die
sich jeweils quer zur Achse der Welle durch die Wand auf einer Seite der Trommel, durch die
Welle und teilweise durch die Wand auf der anderen Seite der Trommel erstrecken, und wobei ein
Haltestift in jedem Loch angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwerpunkt des oder
jedes Haltestifts exzentrisch verlagert ist und zwischen der Achse der Welle und der
entsprechenden gegenüberliegenden Seite der Trommel liegt.
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Wenn der Rotor gemäß der Erfindung rotiert wird, wirkt so eine Zentrifugalkraft auf jeden
Stift, die ihn in Richtung des Grunds seines entsprechenden Loches drückt, so daß der Stift daran
gehindert wird, sich zu bewegen oder herauszufallen. Auf diese Weise erübrigt die Erfindung die
Notwendigkeit, das Loch zur Aufnahme des Haltestiftes mit einem solchen Grad von Genauigkeit
zu fertigen, daß der Stift fest in ihm sitzt, und die Notwendigkeit eines Sicherungsstifts und eines
zugeordneten Lochs, so daß die Fertigung des Rotors vereinfacht wird.
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Obwohl der Rotor nur einen einzigen Stift und ein zugeordnetes Loch haben muß, weist er
in einem anderen Ausführungsbeispiel zwei oder mehr Löcher und zwei oder mehr Haltestifte auf,
wobei die Stifte so angeordnet und gestaltet sind, daß sich bei Rotation des Rotors die auf die
Stifte ausgeübten Zentrifugalkräfte im wesentlichen ausgleichen, das heißt sie löschen sich im
wesentlichen aus, wodurch der Rotor vibrationsfrei rotiert. Wenn der Rotor eine gerade Zahl von
Zähnen aufweist, kann dies erreicht werden, indem man zwei Löcher und zwei Stifte vorsieht, die
sich in im wesentlichen entgegengesetzte Richtungen erstrecken, wodurch die Schwerpunkte der
Stifte symmetrisch und entgegengesetzt exzentrisch verlagert werden. Wenn der Rotor eine
ungerade Zahl von Zähnen aufweist, kann der Rotor drei Löcher und drei Stifte haben, wobei sich
zwei der Löcher unter gleichen und entgegengesetzten spitzen Winkeln zum dritten Loch
erstrecken. Die Erfindung beinhaltet auch eine Spiral-Rotationsmaschine, die einen solchen Rotor
umfaßt, und in diesem Fall ist es vorzuziehen, daß das Loch oder die Löcher in dem Rotor
angrenzend an den Auslaß der Maschine angeordnet sind.
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Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung einer Anzahl von spezifischen Ausführungsformen, die beispielhaft unter Bezugnahme
auf die Figuren 4 bis 10 der beigefügten Zeichnungen gegeben wird, wobei:
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Figur 4 ein schematischer Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform der Erfindung ist;
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Figur 5 ein schematischer Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Erfindung
ist;
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Figur 6 ein schematischer Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform der Erfindung ist;
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Figur 7 ein Schnitt entlang der Linie VII-VII in Figur 6 ist;
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Figur 8 ein schematischer Längsschnitt durch eine vierte Ausführungsform der Erfindung ist;
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Figur 9 ein schematischer Längsschnitt durch eine fünfte Ausführungsform der Erfindung ist;
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und
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Figur 10 eine diagrammatische Darstellung der auf die Haltestifte der fünften
Ausführungsform wirkenden Kräfte ist.
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Zum Bezeichnen ähnlicher Teile in den Figuren werden jeweils die gleichen Bezugszeichen
verwendet.
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Unter Bezugnahme auf Figur 4 wird in der ersten Ausführungsform die Erfindung auf einen
"männlichen" Rotor 2 mit vier Zähnen zum Gebrauch in einem Spirallader angewendet. Wie bei
dem herkömmlichen Rotor in Figur 2 erstreckt sich die Rotorwelle 4 entlang der Achse der
Rotortrommel 8 durch diese. Ein Loch 9 zur Aufnahme eines Haltestifts erstreckt sich durch die Wand
auf einer Seite der Trommel 8 und setzt sich teilweise durch die Wand auf der
gegenüberliegenden Seite der Trommel 8 fort. Ein Haltestift 10 ist in das Loch 9 getrieben, um die Trommel 8 mit
der Welle 4 zu verbinden.
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Die Länge des Haltestifts 10 ist geringer als der doppelte Abstand von der Achse 0 der
Welle 4 zum Grund 9a des Lochs 9, so daß der Schwerpunkt G des Stifts 10 bezüglich der Achse
0 in Richtung des Endes 9a des Loches 9 exzentrisch verlagert ist, wenn der Stift an Ort und Stelle
ist. Auf diese Weise ist, wenn der Stift 10 in die Bohrung 9 getrieben worden ist, der Abstand A
vom vorderen Ende 10a des Stifts zur Achse 0 größer als der Abstand B vom hinteren Ende 10b
des Stifts 10 zur Achse 0. Nachdem der Stift 10 in das Loch 9 getrieben worden ist, wird die
Öffnung des Loches 9 mit Hilfe eines Hammers oder dergl. verengt, so daß der Stift 10 daran
gehindert wird, herauszufallen, wenn der Rotor nicht rotiert.
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Der zum Grund 9a des Lochs 9 getriebene Stift 10 verbindet die Trommel 8 sicher mit der
Welle 4, wodurch verhindert wird, daß die Trommel in axialer oder in Umfangsrichtung gegenüber
der Welle 4 verschoben wird. Der Stift 10 bleibt in dem Loch 9, ohne herauszufallen, wenn der
Rotor um die Welle 4 rotiert, weil der Schwerpunkt G des Stifts 10 außerhalb der Achse 0, in
Richtung des Grundes des Lochs 9, angeordnet ist. Deshalb drückt die durch die Rotation des
Rotors hervorgerufene Zentrifugalkraft den Stift 10 in Richtung des Grundes 9a des Loches 9. Je
höher die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors ist, desto größer ist die Kraft, mit der der Stift 10 in
Richtung des Grundes 9a des Loches 9 gedrückt wird. Deshalb braucht der Stift 10 nur relativ
locker oder als Schiebesitz in dem Loch 9 sitzen, und das Loch braucht nicht genau gefertigt
werden. Der Stift 12 und das Loch 11, die in Figur 3 gezeigt sind, können vollständig weggelassen
werden.
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Als nächstes hat, unter Bezugnahme auf Figur 5, der Stift bei der zweiten Ausführungsform
der Erfindung einen ungleichmäßigen Querschnitt, so daß der Schwerpunkt G des Stifts 10 in
Richtung seines vorderen Endes 10a liegt anstelle bei der Hälfte der Länge bei C. Vorzugsweise
hat der Stift 10 einen ringförmigen Rücksprung 13 zwischen dem hinteren Ende 10b und dem
Mittelpunkt C.
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Wegen des ringförmigen Rücksprungs 13 auf dem Stift 10 anschließend an dessen hinteres
Ende 10b ist die sich zwischen dem hinteren Ende 10b und dem Mittelpunkt C erstreckende Hälfte
des Stifts 10 leichter als die verbleibende Hälfte des Stifts 10, die sich zwischen dem vorderen
Ende 10a und dem Mittelpunkt C erstreckt. Deshalb liegt der Schwerpunkt G des Stiftes 10 in
Richtung des vorderen Endes 10a anstatt beim Mittelpunkt C. Während des Gebrauchs wird der
Stift 10 in das Loch 9 getrieben, bis der Mittelpunkt C des Stiftes 10 mit der Achse 0 der Welle 4
zusammenfällt. Der Schwerpunkt G des Stiftes liegt dann, außerhalb der Achse der Welle 4, in
Richtung des Grundes 9a des Lochs 9. So wird der gleiche Effekt wie in der ersten
Ausführungsform erreicht.
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Obwohl der Haltestift 10 so gezeigt ist, daß der Mittelpunkt C des Stiftes 10 mit der Achse 0
der Rotorwelle 4 zusammenfällt, sollte bemerkt werden, daß die Position des Mittelpunktes C nicht
unbedingt auf der Achse der Rotorwelle liegen muß, wenn der Stift an Ort und Stelle ist, weil die
Form des Stifts modifiziert worden ist, um den Schwerpunkt G zum vorderen Ende 10a zu
verschieben.
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Unter Bezugnahme auf die Figuren 6 und 7 ist die dritte Ausführungsform der Erfindung im
wesentlichen ähnlich der ersten, außer daß im Rotor zwei Aufnahmebohrungen 9 für Haltestifte
ausgebildet sind. Vorzugsweise sind die Bohrungen so angeordnet, daß sie sich während des
Betriebs des Rotors in der Nähe der Auslaßöffnung des Spiralladers befinden. Bei dem gezeigten
"männlichen" Rotor mit vier Zähnen erstreckt sich ein Loch 9 vom Grund einer Senke zwischen
zwei aneinandergrenzenden Zähnen oder Rücken der Trommel durch die Wand der Trommel und
setzt sich teilweise durch die Wand auf der gegenüberliegenden Seite fort. Das andere Loch 9'
erstreckt sich parallel zu dem ersten Loch 9 in ihm entgegengesetzter Richtung und weist die
gleiche Tiefe und den gleichen Durchmesser wie das erste Loch 9 auf. Die Löcher sind bezüglich
der Achse 0 der Welle axial voneinander beabstandet. Die Länge der Haltestifte 10 und 10', die in
die Löcher 9 und 9' getrieben werden, ist kürzer als der doppelte Abstand von der Achse 0 der
Welle 4 zum Grund 9a jedes Lochs. Als Ergebnis liegt der Schwerpunkt G jedes Stifts 10 und 10'
außerhalb der Achse 0 der Welle 4, in Richtung der jeweiligen Böden 9a der Löcher, wenn die
Stifte 10 und 10' in die Löcher 9 und 9' getrieben sind.
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Die zwei Haltestifte 10 und 10', sind, wenn sie an Ort und Stelle sind, bezüglich der Achse 0
der Welle im wesentlichen unter 180º zueinander ausgerichtet, d.h. in im wesentlichen
entgegengesetzten Richtungen. So löschen sich die Unwuchteffekte, die durch jeden der Stifte 10 und 10'
verursacht werden, weil ihre Schwerpunkte G nicht auf der Achse 0 der Welle liegen, gegenseitig
aus. Wegen der Tatsache, daß die Stifte 10 und 10' in dem nahe der Auslaßöffnung gelegenen
Teil, bzw. der Hochdruckseite des Spiralladers, des Rotors aufgenommen werden, kann das
Endspiel zwischen dem Auslaßende des Rotors und der Endwand unabhängig von thermischer
Expansion im wesentlichen konstant gehalten werden, wodurch ein hohes Maß an
Auslaßgenauigkeit sichergestellt wird.
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Die Anordnung der dritten Ausführungsform kann auch bei einem "weiblichen" Rotor mit
sechs Zähnen, wie in Figur 2 gezeigt, oder sogar bei jedem Rotor mit einer geraden Zahl von
Zähnen in gleicher Weise angewendet werden.
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Figur 8 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung, bei der die Erfindung auf einen
"männlichen" Rotor mit drei Zähnen angewendet ist. Der Rotor hat drei Löcher, die sich jeweils
von einer Senke zwischen jeweils benachbarten Zähnen auf der Trommel durch die Wand der
Trommel erstrecken und sich teilweise durch die Wand auf der gegenüberliegenden Seite der
Trommel fortsetzen. Die Löcher sind bezüglich der Achse 0 der Welle axial voneinander
beabstandet und in Intervallen von im wesentlichen 120º um die Achse herum ausgerichtet. Die Löcher
sind in einem Abschnitt des Rotors ausgebildet, der sich in der Nähe des Auslaßendes befindet,
wenn sich der Rotor in einem Lader oder Kompressor befindet. Stifte 10 werden iso n jedes der
Löcher 9 getrieben, daß die Schwerpunkte G der entsprechenden Stifte 10 außerhalb der Achse 0
in Richtung der entsprechenden Lochböden 9a liegen. Jeder Schwerpunkt G liegt im gleichen
Abstand vom Grund der zugeordneten Senke auf der Trommel 8.
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Entsprechend wird jeder Unwuchteffekt, der verursacht werden kann, wenn der Rotor rotiert,
weil die Schwerpunkte G jedes Stifts 10 außermittig liegen, durch die Effekte der beiden anderen
Stifte 10 eliminiert. So wird Vibrieren des Rotors während der Rotation verhindert.
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Figur 9 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Erfindung, bei der die Erfindung auf einen
"weiblichen" Rotor mit fünf Zähnen angewendet ist. Haltestifte 10 sind in Löcher getrieben, die sich
vom Grund von Senken oder Rücksprüngen zwischen den Zähnen der Rotortrommel 8 erstrecken.
Aus Überlegungen der Fertigungsgenauigkeit und der Einfachheit des Bohrens der Löcher heraus
ist es vorteilhaft, die Löcher in den Rücksprüngen anstatt in den Zähnen anzubringen. Es ist
jedoch bei einem Rotor mit fünf Zähnen dann unmöglich, die Löcher in gleichmäßigen
Winkelabständen um die Achse 0 der Welle anzuordnen, wie bei der dritten und vierten Ausführungsform.
Dieses Problem wird besonders deutlich bei einem "weiblichen" Rotor, der dünne Zähne hat, in die
man nur schwer ein Loch bohren könnte. Deshalb wird die in Figur 9 gezeigte Anordnung
eingesetzt, bei der die Form und/oder das Gewicht der Stifte unterschiedlich ist, um ihre
ungleichmäßige Verteilung auszugleichen.
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Figur 10 zeigt nun, daß sich ein erster Stift 10&sub1;, wenn an Ort und Stelle, in eine erste
Durchmesserrichtung bezüglich der Trommel 8 erstreckt. Zweite und dritte Stifte 10&sub2; und 10&sub3;
erstrecken sich, wenn an Ort und Stelle, in zweite und dritte Durchmesserrichtungen, jeweils mit
dem gleichen stumpfen Winkel von mehr als z.B. 120º gegenüber der ersten Richtung und mit
einem Winkel θ zwischen sich. Die Tiefe, bis zu der jeder Stift getrieben wird, sowie Form und
Gewicht der Stifte sind so gewählt, daß die vom ersten Stift 10&sub1; verursachte Zentrifugalkraft F&sub1;
für jede beliebige Rotationsgeschwindigkeit durch die von den zweiten und dritten Stiften 10&sub2; und
10&sub3; verursachten Zentrifugalkräfte F&sub2; und F&sub3; ausgeglichen wird, wenn der Rotor rotiert. Die
Größen der Zentrifugalkräfte erfüllen die folgende Gleichung:
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Bei dieser Ausführungsform ist der Rotor fünfeckig, d.h. er hat fünffache
Rotationssymmetrie und θ=72º, so daß
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Während die fünfte Ausführungsform unter Bezugnahme auf Figur 9 beschrieben worden
ist, die einen Rotor mit fünf Zähnen zeigt, sollte bemerkt werden, daß die fünfte Ausführungsform
ebenso bei jedem Rotor mit einer ungeraden, von Eins verschiedenen Zahl von Zähnen
angewendet werden kann.
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Bei er fünften Ausführungsform werden die gleichen Funktionen und Effekte erreicht, wie in
jeder der oben beschriebenen ersten bis vierten Ausführungsformen. Die obigen
Ausführungsformen
beziehen sich auf Rotoren für Spirallader, aber die Erfindung kann ebenso bei Rotoren zum
Gebrauch in Spiral-Kompressoren oder dergl. auf die oben beschriebene Weise verwendet
werden. Es wurde dargelegt, daß die Haltestifte in dem nahe der Auslaßöffnung gelegenen
Abschnitt des Rotors liegen sollten, aber die Erfindung ist nicht auf diese Gestalt beschränkt und
die Löcher zur Aufnahme von Haltestiften können an jeder beliebigen Position angeordnet sein.