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Rootsverdichter
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Verschiebe-Steuerfläche 9 und 9'ausgebildet, sondern gegenüber einer gedachten symmetrischen Fläche derart zurückgesetzt, dass sie mit den Arbeitsdrehkolben nicht in Kontakt kommt.
In der Stellung der Fig. 1 hat der zylindrische Mantelteil 63 der Steuerwalze 3 die obere Begrenzung
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der Steuerwalze 3 und der Wand der Gehäuseerweiterung bereits verdichtetes Gas, das jedoch nicht eingeschlossen ist, weil die Fläche 64 mit dem Arbeitsdrehkolben nicht in Kontakt kommt, so dass zwischen ihr und dem Arbeitsdrehkolben ein Spalt frei bleibt, über den die in die Gehäuseerweiterung eingeschleuste Gasmerge in den Druckraum zurücktreten kann, ohne dass dabei eine weitere Verdichtung und damit ein unnötiger Arbeitsaufwand eintritt. Dieser Zustand bleibt dark der Aussparungen 62 bzw. 62'in den Ar- beitsdrehkjlben, deren Wirkung aus Fig. 3 am besten ersichtlich ist, bis kurz vor dem Erreichen der Stellung gemäss Fig. 4 erhalten.
Hier erfolgt ein Abschluss des erwähnten Raumes dadurch, dass die Spitze der Steuelkurve 9 mit dem Scheitel des Arbeitsdrehkolbens 2 in Kontakt kommt. Unmittelbar darauf kommt jedoch der Scheitel des Arbeitsdrehkolbens 2 ausser Kontakt mit der Gehäusewand 1, so dass das eingeschlossen gewesene Gas in den Raum zwischen dem Arbeitsdrehkolben 2 und dem Gehäuse übertreten kann. Die hiebei eintretende Rückexpansion bzw. der Arbeitsaufwand, der vorher nötig war, um die rückexpandierende Gasmerge auf den im Raum 19 herrschenden Druck zu bringen, ist die einzige theoretische Verlustleistung des Verdichters, die jedoch sehr klein gehalten werden kann, und überdies der Vorverdichtung des Hauptvolumens zugute kommt.
Dreht man den Verdichter im Sinne der eingezeichneten Pfeile über die in Fig. 4 hinaus gezeigte Stellung weiter, so gelangen der Arbeitsdrehkolben 2 und die Steuerwalze 3 in eine Stellung, die derjenigen des
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Teilen und der Gehäusewand gebildete Raum stetig, so dass eine Vorverdichtung stattfindet, die in der Stellung der Teile 2'und 3'gemäss Fig. 2 ihren Höhepunkt erreicht hat.
Sie entspricht bei dem gewählten Beispiel einem geometrischen Verdichtungsgrad von zirka 1, 7 : 1, und einem adiabatischen Verdichtungsgrad von 2, 8 : 1, sie kann aber ohne weiteres noch weiter getrieben werden, wenn man unter Vergrösserung der Durchmesser der Gehäuseerweiterung M und der Steuerwalzenmantelteile 63 bzw. 63'für einen noch länger dauernden Eingriff zwischen den Steuerflächen 9 bzw. 9'und den Arbeitsdrehkolben Sorge trägt.
Der erfindungsgemässe Übergang des Steuerflächenkontaktes der Steuerwalzen von den konvexen Profilteilen der Arbeitsdrehkolben in die konkaven ist deutlich auf den linken Seiten der Fig. 1 und 2 zu sehen. In Fig. 1 befindet sich der Kontakt gerade an der Grenze dieses Übergangs, nämlich auf dem Antriebsteilkreis 4', wo, wie etwas später ausgeführt, der Radius zum Kontaktpunkt vorzugsweise gleichzeitig eine Wendetangente in bezug auf das Drehkolbenprofil ist. In Fig. 2 erfolgt der Kontakt bereits im konkaven Teil dieses Profils.
Ein solches Verhalten ist keinesfalls mit den bei Rootsgebläsen bisher üblichen Arbeitsdrehkolbenprofilen zu erzielen. Es bedingt ferner eine charakteristische Form des Steuerflächenprofils 9, denn dieses muss erfindungsgemäss im allgemeinen zwei verschiedenartige Kurventeile aufweisen, von denen der eine mit dem konvexen und der andere mit dem konkaven Profilteil der Arbeitsdrehkolben zusammenarbeitet.
Nur im Ausnahmefall kann der eine Kurventeil zu einem einzigen Punkt verkümmern (Fig. 7).
Die Eröffnung eines Auslasses zum Druckraum 19 erfolgt bei weiterer Drehung zur in Fig. 3 links gezeigten Stellung zunächst ganz allmählich, so dass stossweises Arbeiten, Drehmomentschwankungen und Antriebsüberlastungen nicht auftreten und auch ein geräuscharmer Betrieb gewährleistet ist.
Bei der Ermittlung von Profilen für die Arbeitsdrehkolben und Steuerwalzen, welche die erfindunggemässen Eingriffsverhältnisse ergeben, ist es zweckmässig, Arbeitsdrehkolben-Profile zu verwenden, bei denen die Radien durch die Schnittpunkte des Profils mit den zugehörigen Antriebsteilkreisen 4 bzw. 4' zugleich Wendetangenten in bezug auf das Profil sind.
Wie man Arbeitsdrehkolben-Profile, ausgehend von einem vorgewählten Profilteil der zugehörigen Steuerwalzen zugleich mit dem Rest des Steuerwalzenprofils auf besonders einfache Art ermitteln kann, zeigen die Fig. 5-8. Das dabei verwendete Konstruktionsverfahren beruht im Prinzip darauf, dass man die aufeinander abrollenden Teilkreise des An- und Abtriebszahnrades der Steuerwalze in einer noch zu erläuternden Weise in Quadranten bzw. Halbquadranten einteilt und dann das vorgewählte Profilstück zu dem Winkelkoordinaten-System in Beziehung setzt, dessen Ursprung das Steuerwalzen-Zentrum ist, und zu dem sogenannten Bezugsquadranten des Abtriebsteilkreises, und dass man dieses Koordinationssystem einschliesslich des Bezugsquadranten und des Wahlprofils auf andere Koordinatensysteme nach den Gesetzen der Funktionentheorie winkeltreu abbildet.
Sämtliche gesuchten Profilteile ergeben sich dabei in genauester und unerreicht schneller Weise als winkeltreue Abbildungen des Wahlprofils.
Es sollen nun die Fig. 5-8 und das erwähnte Konstruktionsverfahren beschrieben werden.
Q ist das Zentrum des Arbeitsdrehkolbens 2 und P dasjenige der Steuerwalze 3. Der Umfangskreis U des Arbeitsdrehkolbens kann durch P gehen (Fig. 8), braucht es aber nicht (Fig. 5 und 7). 0 ist der Schnittpunkt der Verbindungslinie von P bis Q mit dem Teilkreis 4 des Arbeitsdrehkolbens. Es ist in allen Ausführungsbeispielen angenommen, dass dieser Teilkreis 4 mit dem Antriebsteilkreis der Steuerwalze übereinstimmt. Dies hat den Vorteil, dass die Steuerwalze von dem Zahnräderpaar der Arbeitsdrehkolben mitangetrieben werden kann. Es ist aber keine notwendige Bedingung, und das Prinzip der Erfindung sowie das Konstruktions-Verfahren können bei sinngemässer Abwandlung ebenso angewandt werden, wenn der Antriebs-Teilkreis der Steuerwalze nicht mit dem Teilkreis der Arbeitsdrehkolben übereinstimmt.
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Rechts von P ist der ablaufende Teil des Profiles der Steuerwalze lediglich angedeutet. Die Profilformen dieses ablaufenden Profils stimmen im Ermittlungsverfahren mit den Kurvenstücken Ob 6 und O-i 3 überein. Sie können jedoch gegebenenfalls später in zweckmässigerweise in mancher Beziehung willkürlich abgeändert werden, weil das ablaufende Profil zur Dichtung der Steuerwalzen beim Verdichtungshub nichts beiträgt, wenn es auch zur Rückgewinnung der Verdichtungs-und Verschiebe- (Verdrängungs-) Arbeit für das Rückexpansionsvolumen unter Umständen wenigstens teilweise wesentlich sein kann, wie z. B. aus Fig. 14 ersichtlich.
Wie in den Figuren dargestellt, sind die erwähnten Quadranten und Halbquadranten in gleiche numerierte Abstände unterteilt worden, wobei auf 90 der Steuerwalze sechs Abstände gewählt wurden.
Diese Unterteilung ist für das Konstruktionsverfahren eine Vorarbeit. Die Anzahl der Abstände der Unterteilung ist an sich beliebig.
Das Verfahren besteht nun in folgendem : Das Wahlprofil Ob 6 wird so festgelegt, dass es von dem ausgezeichneten Rollpunkt 0 ausgeht und dass seine Krümmungsradien durch Punkte des Bezugsquadranten 0-a 6 (a-Punkte) gehen. Es wird nun jedem a-Punkt der b-Punkt zugeordnet, dessen Krümmungshalbmesser durch diesen a-Punkt geht. Hierauf wird weiter wie folgt vorgegangen : Um das Profil O-g 6 aus O-b 6 zu erhalten, wird der Bezugsquadrant O-a 6 auf den Halbquadranten O-c 6 in der weiter unten erläuterten Weise abgebildet und der Punkt P gemäss dem Rollgesetz auf den Halbquadranten P-f 6.
Um das Profil O-h 6 aus ob 6 zu erhalten, wird der Bezugsquadrant O-a 6 auf den Halbquadranten O-d 6 abgebildet und der Punkt P gemäss dem spiegelbildlichen Rollgesetz (Rollgesetz für die andere, spiegelbildliche Hauptwalze) auf den Halbquadranten 11-16.
Um das Profil O-i 3 aus O-h 6 zu erhalten, wird der Halbquadrant P-k 6 auf P zurück abgebildet und der Halbquadrant old 6 auf den Quadranten O-e 6.
Dieses Verfahren geht in der Praxis sehr schnell, so dass innerhalb kurzer Frist Profile ermittelt werden, zu deren Feststellung nach den Methoden der Zahnradgegenprofil-Ermittlung (z. B. Methode Reuleaux) ein Mehrfaches an Zeit und Mühe benötigt wird.
Im einzelnen soll dies an Hand der Fig. 5 schrittweise erläutert werden : Im Falle der Fig. 5 wird das Wahlprofil ob 6 wie folgt ausgesucht : Es besteht einesteils aus einem Kreisbogen, der durch den ausgezeichneten Rollpunkt 0 geht, und dessen Zentrum M oberhalb von P in relativ grosser Entfernung (hier 6, 5 X Steuerwalzen-Abtriebsteilkreis-Durchmesser) auf der Tangente durch P zum Kreise um Q liegt. Die Radien r von M durch die einzelnen bezifferten a-Punkte treffen dann definitionsgemäss den b-Kreisbogen in den zugeordneten und demnach gleich bezifferten b-Punkten.
Das geschilderte Zuordnungsverfahren kann nur bis zum Punkt a 2 angewandt werden, denn der Radius von M durch Punkt a 1 schneidet nicht den b-Kreisbogen, sondern geht an 0 vorbei. Dem Punkt a1 wird deshalb der ausgezeichnete Rollpunkt 0 selbst zugeordnet, als Teil des Wahlprofils, so dass Punkt b 1 mit 0 zusammenfällt.
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festgelegt.
Die äussere Begrenzung U der Hauptwalzen wurde in Fig. 5 willkürlich gewählt, indem einfach von
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Ein solches Vorgehen ist aber nicht unbedingt notwendig, wie die Ausführung gemäss Fig. 6 zeigen soll. In dieser Ausführung besteht die Wahlkurve aus drei Kreisbögen. Das Zentrum des mittleren Kreisbogens befindet sich nahe beim Punkt a 4. Das Zentrum des linken Anschlussbogens liegt gleich unter-
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halb von 0, u. zw. so, dass der linke Bogen einerseits durch 0 geht, anderseits tangential in den mittleren Kreisbogen einläuft. Das Zentrum des rechten Anschlussbogens liegt in P, und der Bogen ist so gewählt, dass er wieder tangential in den mittleren Bogen einläuft. Der linke Anschlussbogen enthält dicht gedrängt die Punkte b 1-b 4, während der rechte ebenfalls dicht nebeneinander die Punkte b 5 und b 6 enthält.
Der mittlere Kreisbogen repräsentiert als Linie eine Vielzahl von Punkten gleichen Namens, nämlich bM.
Das Schnellverfahren zur Bestimmung der Profile g, hund i ist dasselbe wie vorher beschrieben. Diesmal wird aber das gesamte Arbeitsdrehkolbenprofil aus b erhalten, einschliesslich der Begrenzung längs des Umfangskreises U.
Die Fig. 7 zeigt eine weitere beispielsweise Ausführung der Profile. Das Wahlprofil b ist hier nicht mehr als Profilkurve sichtbar. Es ist zu einem einzigen Punkt in 0 zusammengeschrumpft, so dass sämtliche b- Punkte b 1-b 6 in 0 liegen.
Das Schnellverfahren zur Bestimmung der Profile ist wieder das gleiche wie vorher. Nähme man aber das g-Profil vollständig, so wie es sich als Abbildung des b-Profils (also als Abbildung des Punktes 0) verfahrensgemäss ergibt, so würde der Aussendurchmesser der Hauptwalzen zu gross werden. Dieser Aussendurchmesser wird deshalb unter Abschneiden der Kappe des g-Profils gewählt u. zw in diesem Falle so, dass er durch den Punkt g 6 verläuft. Es wird dadurch erreicht, dass die Steuerwalze in der oben rechts eingezeichneten Symmetrielage gerade die äusseren Arbeitsdrehkolbenkanten berührt. Der konvexe Teil g des Arbeitsdrehkolben-Profils ist bei dieser Lösung erfindungsgemäss eine reine Epizykloide.
Der mit n bezeichnete Profilteil der Steuerwalze sowie deren Spitze Y gehören nicht zum Wahlprofil.
Diese Profilteile müssen in bisher üblicher Weise schrittweise durch Ermittlung der aufeinander folgenden Stellungen von Arbeitsdrehkolben und Steuerwalze bestimmt werden. Der rechts oben eingezeichnete ablaufende Profilteil 64 der Steuerwalze weicht in seiner Form vom Profilteil n ab. Ausserdem ist im Scheitel des Arbeitsdrehkolbens eine Ausnehmung 62 vorgesehen, um eine Überverdichtung im abgeschlossenen Steuerwalzenraum wie oben näher beschrieben, zu verhindern.
Eine der Fig. 6 ähnliche, aber dieser gegenüber vereinfachte Ausführung zeigt Fig. 8, die übrigens auch den Fig. 1-4 entspricht.
Das Wahlprofil besteht hier aus einem Kreisbogen mit dem Zentrum M in a 4, und aus den beiden
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mit P. Der Punkt b 4 erscheint in unendlicher Vielzahl auf dem ganzen Kreisbogen des b-Profiles. Das Schnellverfahren zur Bestimmung der Profile ist wieder das gleiche wie früher.
Wie im Falle der Fig. 6 wird auch hier das gesamte Profil der Arbeitsdrehkolben vollständig und in erwünschter Form als Abbildung des b-Profiles erhalten, so dass ein willkürliches Abschneiden des Kopfteiles und dementsprechendes Abändern des Innenteiles der Hauptwalzen nicht in Frage kommt.
Die Fig. 9 und 10 zeigen Beispiele der Anordnung von mit Sicherheitsventilen ausgestatteten Rückleitungen 10 bzw. 10', um eine Überverdichtung im abgeschlossenen Steuerwalzenraum zu vermeiden. Dabei ist beim Beispiel nach Fig. 9 ein um 11 schwenkbarer Teil 8 der Gehäusewand als Rückschlagventil ausgebildet, während nach Fig. 10 ein Kugelrückschlagventil S'in Verbindung mit einer Rohrleitung 10' Verwendung findet.
Gemäss den Fig. 11 und 12, die ein anderes Ausführungsbeispiel in zwei verschiedenen Stellungen zeigen, dient zur Vermeidung einer Überverdichtung im eingeschlossenen Steuerwalzenraum eine Aussparung 65, die sich über einen Teil des Umfangs der Zylinderfläche 63 der Steuerwalze 3 erstreckt. Eine solche Aussparung kann sich ebensogut im Gehäuse 1 befinden, z. B. an der zylindrischen Führungsfläche 61, oder auch an den Stirnführungsflächen in den seitlichen Gehäusedeckeln. Statt solcher Aussparungen kann auch wie in Fig. 13 gezeigt, die Auslasskanalbegrenzung 20 selbst so weit herangeführt werden, dass eine verkürzte Wandführung 61 entsteht, oder, wie aus Fig. 14 ersichtlich, dass eine entsprechende zweckmässige Stirnwandaussparung 65, im Gehäusedeckel entsteht.
Bei den Beispielen nach den Fig. 9-13 ist es übrigens möglich, das ablaufende Profil 64 der Steuerwalzen genau symmetrisch zum auflaufenden Profil 9 zu gestalten.
In Fig. 14 ist veranschaulicht, wie der Ein- und Auslasskanal in für die vorliegende Erfindung besonders zweckmässiger Weise in einem oder auch beiden stirnseitigen Deckeln des Verdichters untergebracht werden kann, wie das im Zusammenhang mit andersartigen Verdrängungsgebläsen an sich bekannt ist.
Dargestellt ist die Aufsicht auf die Innenseite eines Deckels bei eingebauten Läufern und Steuerwalzen.
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Innenbegrenzung 20, 20'befindet sich im dargestellten Beispielsfall im gleichen Deckel.
Die deckelseitige Anordnung der Ein- und Auslasskanäle hat hier den besonderen Vorteil, dass die durch die Steuerwalzen verursachte erhöhte Breite des Verdichters, die bei der Montage in beschränkten Raumverhältnissen störend wirken könnte, nicht mehr auffällt. Gegenüber einem normalen Rootsverdichter ohne Steuerwalzen, aber mit üblicher Queranordnung der Ein- und Auslasskanäle, wird durch die neue Anordnung sogar an Einbaubreite gespart. Gleichzeitig wird durch die deckelseitige Anbringung des Einlasskanals eine verbesserte Füllung beim Einlasshub erzielt. Die Zentrifugalkraft des mitrotierenden Fördermediums stellt sich nun nicht mehr wie beim üblichen Rootslader dem Füllvorgang entgegen, sondern sie unterstützt im Gegenteil denselben durch die Saugwirkung in der Nähe der Arbeitsdrehkolben-Zentren Q, Q'.
Die Einlasskanalbegrenzung 21, 21' wird deshalb so nahe wie möglich an diese Zentren herangeführt.
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Daneben zeigt die Fig. 14 auch eine besonders einfache Ausführungsform der Steuerwalzen. Die Profile wurden in der vorher beschriebenen Weise bestimmt, indem von einem geradlinigen Wahlprofil gemäss der Linie 0-P ausgegangen wurde. Es entsteht auf diese Weise eine Steuerfläche, die gebildet wird von einer ebenen, durch die Achse P der Walze gehenden Fläche 66 und einem kurzen, zylindrisch gebogenen Flächenstück 67, das einerseits tangential in die ebene Fläche 66 einläuft und anderseits eine Längskante 68 mit dem äusseren, kreiszylindrischen Walzenmantel 63 bildet.
PATENTANSPRÜCHE : 1. Rootsverdichter mit zwei je mit einem der Arbeitskolben nach dem Abwälzprinzip dichtend zusammenwirkenden und dadurch eine Vorverdichtung des Fördermediums im Verschieberaum bewirkenden Steuerwalzen, die beiderseits der Auslassöffnung des Verdichtergehäuses derart nahe aneinandergerückt sind, dass die von ihnen bestrichenen Räume in den sich dem Auslass vorlagernden, von den Arbeitskolben nicht bestrichenen Auslassraum eingreifen, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenteile der Arbeitskolben (2, 2'), die mit den Steuerflächen (9, 9') der Steuerwalzen (3, 3') nacheinander in Berührung kommen, sich vom Scheitel über den Antriebstei1kreis (4, 4') hinaus und vorzugsweise bis in die konkaven Profilteile der in Drehrichtung gesehen rückwärtigen Seite der Arbeitskolben hinein erstrecken und in diesem Bereich stetig sind.