AT402091B

AT402091B - Nebenrotor für eine schraubenmaschine, insbesondere einen schraubenverdichter

Info

Publication number: AT402091B
Application number: AT0318282A
Authority: AT
Original assignee: Ingersoll Rand Co
Priority date: 1981-08-25
Filing date: 1982-08-23
Publication date: 1997-01-27
Also published as: CH659688A5; IT8222643A0; IE53163B1; DK166292C; SE8204074D0; ATA318282A; BR8204952A; IE821996L; FI822935A0; SE8204074L; DD202751A5; SU1440356A3; SE455525B; DE3230720C2; FR2512105B1; DK360982A; IL66430A0; JPH0336121B2; DE3230720A1; IL66430A

Description

AT 402 091 B

Die Erfindung betrifft einen Nebenrotor für eine Schraubenmaschine, insbesondere einen Schraubenverdichter, dessen im wesentlichen konkave Zähne im Stirnschnitt, bezogen auf seine Drehrichtung, eine voranlaufende und eine nachlaufende Zahnflanke aufweisen, deren Profil aus Kreisbogen-, Ellipsen- und Evolventenabschnitten zusammengeseztzt ist. Ein derartiger Rotor ist aus der DD-128 035 A bekannt. Ziel der Maßnahmen dieser vorbekannten Druckschrift ist es, eine Flankenform zu schaffen, die einfach und damit kostengünstig zu fräsen ist und die robust gegen Profilbeschädigungen ist. Weitere Beispiele für Schraubenmaschinennebenläufer sind beispielsweise aus der DD-161 222 A5 und den US-PSen 3 423 017 A und 4 028 026 A bekannt.

Im Vergleich zu diesem Stand der Technik ist es Ziel der Erfindung, Rotorprofile anzugeben, durch die der Druckwinkel zwischen den Rotoren verbessert wird und durch die die Dichtflächen, die sich zwischen dem treibenden und dem angetriebenen Rotor bilden, eine Tasche definieren, in der der herrschende Gasdruck den angetriebenen Rotor mit einem in Drehrichtung wirkenden Drehmoment belastet.

Erfindungsgemäß ist dazu vorgesehen, daß die nacheilende Zahnflanke im Bereich des Zahnfußes einen Kreisbogenabschnitt, gefolgt von einem Evolventenabschnitt und einem Ellipsenabschnitt, der bis zum Hüllkreis reicht, aufweist.

Durch diese Maßnahme wird das Erfindungsziel erreicht und dadurch die Wirkungsweise der gattungsgemäßen Vorrichtungen verbessert.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß anschließend an den Ellipsenabschnitt der nacheilenden Zahnflanke die vorauseilende Zahnflanke einen Kreisbogenabschnitt aufweist. Dadurch erhält man eine günstige Form des Gegenrotors im Bereich von dessen Zahngrund.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Eyolventenabschnitt direkt an den Kreisbogenabschnitt und/oder direkt an den Ellipsenabschnitt anschließt. Durch das Vermeiden von Übergangstük-ken können die Herstellungskosten gesenkt werden.

In wieder einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Ellipsenabschnitt in einen benachbarten Vorsprung übergeht, der mittels eines weiteren Kreisbogenabschnittes in die führende Zahnflanke übergeht, wobei der Ellipsenabschnitt einen Zentralwinkel abdeckt, der zumindest doppelt so groß wie der vom weiteren Kreisbogenabschnitt abgedeckte Zentralwinkel ist. Auch dies trägt zu einer günstigen Ausbildung des Zahngrundes des zweiten Rotors bei.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Merkmale und Effekte der vorliegenden Erfinung gehen aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen hervor.

In den Zeichnungen stellen dar: Fig, 1 einen Teil des Profiles eines angetriebenen konkaven Rotors gemäß der vorliegenden Erfindung, Fig. 2 einen Teil des Profiles eines zugehörigen antreibenden konvexen Rotors, Fig. 3 eine schematische Darstellung der ineinander eingreifenden Rotoren gemäß den Fig. 1 und 2, Fig. 4 ein Diagramm der Kurven eines mittels der erfindungsgemäßen Profile verbesserten Schraubenkompressors.

Der in Fig. 1 gezeigte, erfindungsgemäße, angetriebene konkave Rotor 10 besitzt sechs schneckenförmige Rippen 12 (von denen nur zwei detailliert dargestellt sind) und eine gleiche Anzahl schneckenförmiger Nuten 14 (von denen nicht alle dargestellt sind). Im Zusammenwirken mit dem zugehörigen konvexen Rotor gemäß Fig. 2 ergibt sich ein Abrollkreis 16. Der Rotor 10 ist um eine Achse 18 drehbar, welche mit der Drehachse des Rotors 38 in einer Ebene 20 liegt.

Erfindungsgemäß entsprechen die Profile des Rotors 10 in folgender Definition. Der Abschnitt B - C ist ein Kreisbogen 22, dessen Mittelpunkt auf dem Abrollkreis 16 liegt. Der Kreisbogen 22 beginnt etwas unterhalb der Ebene 20 und erstreckt sich bis etwa zur Mitte der angetriebenen voran laufenden Flanke 24 der Nut 14. Der Abschnitt C - D ist ein Evolventenabschnitt 26, welcher im Punkt C tangential zum Kreisbogen 22 verläuft. Der Envolventenabschnitt 26 endet an seinem Schnittpunkt mit dem Abrollkreis 16 des konkaven Rotors 10. Der Abschnitt D - E ist ein Ellipsenbogen 28, welcher so gewählt ist, daß er im Punkt D tangential zum Evolventenabschnitt 26 und im Punkt E tangential zum Hüllkreis 30 des konkaven Rotors verläuft. Der Abschnitt E - Εί ist ein Kreisbogen 32. Der Abschnitt B - A ist eine Epitrochoide 34, welche vom Punkt H des konvexen Rotors (Fig. 2) erzeugt wird. Der Punkt A liegt auf dem Abrollkreis 16 des konkaven Rotors. Der Abschnitt A - E ist ein Kreisbogen 36 mit Mittelpunkt auf dem AbrollKreis 16, welcher tangential zum Abschnitt 32 verläuft und durch den Punkt A geht.

Der in Fig. 2 gezeigte, erfindungsgemäße, antreibende konvexe Rotor 38 besitzt fünf schneckenförmige Lappen 40 (von denen nur einer ganz dargestellt ist) und eine gleiche Anzahl dazwischenliegender schneckenförmiger Nuten 42 (von denen nur zwei dargestellt sind). Im Zusammenwirken mit dem konkaven Rotor 10 (Fig. 1) besitzt der Rotor 38 einen Abrollkreis 44 und eine Drehachse 46. Die Achsen 18 und 46 der Rotoren 10 und 38 liegen in einer Ebene 20, wenn die Rotoren ineinander eingreifen.

Erfindungsgemäß ist das Profil des konvexen Rotors in folgender Weise definiert: Der Abschnitt Η - I ist ein Kreisbogen 48 mit Mittelpunkt auf dem Abrollkreis 44. Der Kreisbogen 48 ist identisch mit dem 2

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Kreisbogen 22 (B - C) des konkaven Rotors 10. Der Abschnitt J - K ist ein abgeleiteter Abschnitt 52, abgeleitet vom elliptischen Abschnitt 28 (D - E) des konkaven Rotors 10. Der Abschnitt K - K ist ein Kreisbogen. Der Abschnitt G - H ist eine Epizykloide 56, welche vom Punkt A des Rotors 10 erzeugt wird. Der Abschnitt G - K, ist ein Kreisbogen 58 mit Mittelpunkt auf dem Abrollkreis 44.

Die Fig. 3 zeigt die Rotoren 10 und 38 in Eingriffstellung. Dabei bildet der Envolventenabschnitt 26 des Rotors 10 mit dem abgeleiteten Abschnitt 50 (I - J) des Rotors 38 eine dichtende Trennfläche. Der hiebei definierte Andruckwinkel überstreicht einen Bogen von etwa 40*. Wenn sich der elliptische Abschnitt 28 (D - E) des konkaven Rotors 10 dicht an den abgeleiteten Abschnitt 52 (J - K) des konvexen Rotors 38 anlegt (in Fig. 3 strichliert dargestellt), bleibt der Andruckwinkel im wesentlichen unverändert.

Die Lage, d.h. Beginn, Länge und Ende des Evolventenabschnittes 26 und des elliptischen Abschnittes 28 ist hinsichtlich der Definition der vorstehend erwähnten Andruckwinkel kritisch. Der Vollständigkeit halber wird der Anfangspunkt des Evolventenabschnittes 26 angegeben: Der Rotor 10 besitzt einen Gesamtdurchmesser, welcher vom Kreis 30 definiert ist. Die innersten Punkte der Nuten definieren den Minimaldurchmesser des Kreises 60. Der Evolventenabschnitt erstreckt sich entlang der vorauslaufenden Nutenflanke vom Anfangspunkt C weg. Dieser Anfangspunkt C liegt auf einem Kreis, dessen Durchmesser im wesentlichen dem Mittelwert zwischen den Durchmessern der Kreise 30 und 60 entspricht.

Der Evolventenabschnitt 26 endet bei D am Abrollkreis und geht dort glatt und allmählich in den elliptischen Abschnitt 28 über. Letztgenannter Abschnitt geht ebenfalls glatt und allmählich in den äußersten Kreisbogenabschnitt 32 über.

Bei einer solchen 5/6 Rotorenkonfiguration (d.h. mit fünf Lappen am konvexen Rotor und sechs Rippen am konkaven Rotor) ergibt sich ein weiteres wesentliches geometrisches Merkmal, welches eine Funktion der minimal zulässigen Rippendicke, der Längen des elliptischen Abschnittes 28 und des Evolventenabschnittes 26 und der Trennfläche zwischen dem abgeleiteten Abschnitt 34 und dem kreisförmigen Abschnitt 22 ist. Die letztgenannte Trennfläche entsteht am Punkt B, und das vorauslaufende Ende des elliptischen Abschnittes liegt am Punkt E (Hüllkreis 30). Eine durch die Punkte B und E gezogene Gerade muß annähernd auch durch den Anfangspunkt C des Evolventenabschnittes gehen.

Außer den schon erwähnten verbesserten Andruckwinkeln ergeben sich bei den erfindungsgemäßen Rotorprofilen Dichtungsstellen 64, 66 und 68 (Fig. 3), welche eine Tasche 70 mit komprimiertem Gas einschließen. Die Dichtungsstelle 64 ist im wesentlichen eine Flächendichtung von erheblicher Wirksamkeit. Sie bildet sich zwischen dem Evolventenabschnitt 26 des konkaven Rotors 10 und dem abgeleiteten Abschnitt 50 des konvexen Rotors 38. Die Dichtungsstellen 66 und 68 sind im wesentlichen Dichtungen mit Punktkontakt und sind deshalb nur von begrenzter Wirksamkeit, die Dichtungsstelle 66 wird von der Stoßstelle im Punkt H am konvexen Rotor zusammen mit der abgeleiteten Fläche 34 am konkaven Rotor gebildet; die Dichtungsstelle 68 wird von der Stoßstelle im Punkt A des konkaven Rotors zusammen mit der abgeleiteten Fläche 56 am konvexen Rotor gebildet. Die Rotorprofile wirken nun in solcher Weise zusammen, daß ein in Drehrichtung des konkaven Rotors 10 wirkendes Drehmoment entsteht, welches die Dichtungswirkung an den schwächeren Dichtungsstellen 66 und 68 unterstützt. Dies wird im folgenden näher erläutert.

Die Rotoren führen eine Drehung gemäß den Pfeilen in Fig. 3 aus, wobei sich der konkave Rotor 10 im Uhrzeigersinn und der konvexe Rotor 38 entgegen dem Uhrzeigersinn dreht. Die Tasche 70 besitzt die Form eines geknickten Halbmondes, sodaß der Hauptteil des Gasdruckes auf eine beträchtliche Länge der vorauslaufenden Flanke des konkaven Rotors wirkt und auf diesen ein Drehmoment im Uhrzeigersinn, d.h. im Drehsinn des Rotors ausübt. Gleichzeitig übt der Gasdruck in der Tasche einen Druck auf die voranlaufende Flanke des Lappens am konvexen Rotor 38 aus. Dadurch werden die schwächeren Dichtungsstellen stärker zusammengedrückt, wodurch ihre kritische Dichtungswirkung verstärkt wird.

Dies ist nur eine sehr gedrängte Darstellung und die Verbesserungen ergeben sich noch aus kleinen weiteren Schritten. Die Einzelheiten der Profilverfeinerungen, der Druckwinkel und die Geometrie mögen vielleicht auf den ersten Blick von geringer innovativer Signifikanz erscheinen. Wenn jedoch solche verfeinerte Einzelheiten empfehlenswerte Verbesserungen der Wirksamkeit einer Maschine und beträchtliche Energieeinsparungen bewirken, müssen sie hervorgehoben werden und stellen einen wesentlichen Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik dar. Die vorstehend beschriebenen neuen Profile sind solche empfehlenswerte Verbesserungen. Die Fig. 4 zeigt die Wirksamkeitskurven miteinander vergleichbarer Schraubenkompressoren. Derzeit auf dem Markt befindliche Kompressoren sind mit den Indizes "G" und "K" bezeichnet. Die Kurve "I" wurde von einem Prototyp eines erfindungsgemäßen Schrauben-Kompres-sors der ersten Generation gewonnen und die Kurve "II" vom Prototyp eines Schraubenkompressors einer späteren zweiten Generation, der noch genauer und sorgfältiger nach den Lehren der Erfindung ausgebildet war. Es muß hervorgehoben werden, daß der niedrigere BHP-Wert und der flachere Verlauf der Kurve "II" einen bedeutenden Fortschritt des Kompressors mit dieser Kurve gegenüber dem bekannten Stand der 3

Claims

AT 402 091 B Technik darstellen. Der Fortschritt ergibt sich nach den Lehren der Erfindung aus der Verfeinerung der Profile, den verbesserten Andruckwinkeln und aus der speziellen Profilgeometrie. Über das bereits dargestellte hinaus besitzt insbesondere der konkave Rotor 10 weitere spezielle Merkmale seiner Geometrie, welche seine gute Wirkung erhöhen. Z.B. kann ein um den voranlaufenden Punkt B der abgeleiteten Fläche 34 geschlagener, durch den nachlaufenden Punkt A dieser Fläche gezogener Kreisbogen einen Radius besitzen, der etwa genau zweimal so groß ist, wie der Radius eines Kreisbogens 74, der um den Anfangspunkt C des Evolventenabschnittes 26 geschlagen ist und durch den Anfangspunkt D des elliptischen Abschnittes 28 geht. Der elliptische Abschnitt 28 erstreckt sich über einen (auf den Mittelpunkt 18 bezogenen) Bogenwinkel 76, welcher nicht kleiner ist als das Doppelte des Bogenwinkels 78, über den sich der kreisförmige Abschnitt 36 erstreckt. Die Dicke der Profile der Rippen 12 an ihrem äußersten Ende (E - E') ist kleiner als ein Drittel der Profildicke am Ort des Anfangspunktes C des Evolventenabschnittes 26. Diese geometrischen Angaben, Größenverhältnisse und Relationen wurden sorgfältig abgeleitet und dargestellt, um die Profile mit verbesserter Wirksamkeit für die neuartigen Rotoren 10 und 38 zu erhalten. Sie enthalten die Lehren der vorliegenden Erfindung. Vorstehende Erläuterungen eines Ausführungsbeispieles dienen lediglich zum besseren Verständnis der Erfindung und stellen keine Einschränkungen des Schutzumfanges der folgenden Patentansprüche dar. Patentansprüche 1. Nebenrotor für eine Schraubenmaschine, insbesondere einen Schraubenverdichter, dessen im wesentlichen konkaven Zähne im Stirnschnitt, bezogen auf seine Drehrichtung, eine voranlaufende und eine nachlaufende Zahnflanke aufweisen, deren Profil aus Kreisbogen-, Ellipsen- und Evolventenabschnitten zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die nacheilende Zahnflanke (24) im Bereich des Zahnfußes einen Kreisbogenabschnitt (22), gefolgt von einem Evolventenabschnitt (26) und einem Ellipsenabschnitt (28), der bis zum Hüllkreis (30) reicht, aufweist.
2. Nebenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend an den Ellipsenabschnitt (28) der nacheilenden Zahnflanke (24) die vorauseilende Zahnflanke einen Kreisbogenabschnitt (32) aufweist.
3. Nebenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Evolventenabschnitt (26) direkt an den Kreisbogenabschnitt (22) und/oder direkt an den Ellipenabschnitt (28) anschließt.
4. Nebenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ellipsenabschnitt (28) in einen benachbarten Vorsprung übergeht, der mittels eines weiteren Kreisbogenabschnittes (36) in die führende Zahnflanke übergeht, wobei der Ellipsenabschnitt (28) einen Zentralwinkel (76) abdeckt, der zumindest doppelt so groß wie der vom weiteren Kreisbogen abgedeckte Zentralwinkel (78) ist.
5. Nebenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ellipsenabschnitt (28) einen Zentralwinkel (76) abdeckt, der zumindest doppelt so groß wie der vom Kreisbogenabschnitt (32) abgedeckte Zentralwinkel ist.
6. Nebenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ellipsenabschnitt (28) außerhalb des Abrollkreises (16) des Rotors (10) liegt.
7. Nebenrotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Evolventenabschnitt (24) innerhalb des Abrollkreises (16) des Rotors (10) liegt.
8. Nebenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreisbogenabschnitt (22), der Evolventenabschnitt (26) und der Ellipsenabschnitt (28) ungleich lang sind, und daß der Kreisbogenabschnitt (22) der längste dieser Abschnitte ist.
9. Nebenrotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ellipsenabschnitt (28) nur einen kleinen Teil der Flankenlänge einnimmt.
10. Nebenrotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Evolventenabschnitt (26) einen mittleren Teil der Flankenlänge einnimmt. 4 AT 402 091 B
11. Nebenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Evolventenabschnitt (26) außerhalb eines Punktes (C) liegt, dessen Abstand zur Rotorachse (18) im wesentlichen in der Mitte zwischen dem des Kopfkreises (30) und dem des Fußkreises (60) des Rotors (10) liegt.
12. Nebenrotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die nachlaufende Zahnflanke (22) in einen benachbarten Vorsprung übergeht, der das Flankenende (E) definiert, und daß der Kreisbogenabschnitt (22) mit dem Ende, das im Zahnfußbereich an die führende Zahnflanke grenzt, das Kreisbogenende (B) definiert, und daß eine gerade Linie (62) vom Flankenende (E) zum Bogenende (B) durch das radial innere Ende (C) des Evolventenabschnittes (24) geht. w
13. Nebenrotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die vorlaufende Zahnflanke einen abgeleiteten Abschnitt (34) mit einem vorderen Endpunkt (B) und einem hinteren Endpunkt (A) aufweist, wobei ein um den vorderen Endpunkt (B) des abgeleiteten Abschnittes (34) als Mittelpunkt durch den hinteren Endpunkt (A) des abgeleiteten Abschnittes (34) gezogener Kreis (72) einen Radius besitzt, der ?5 im wesentlichen genau zweimal so groß ist wie der Radius eines Kreisbogens (74), der um den Anfangspunkt (C) des Evolventenabschnittes (24) geschlagen ist und den nachlaufenden Endpunkt (D) des Ellipsenabschnittes (28) schneidet.
14. Nebenrotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnstärke am Kopfkreis (30) des 20 Rotors (10) kleiner ist als ein Drittel der Zahnstärke am Anfangspunkt (C) des Evolventenabschnittes (24). Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 25 30 35 40 45 50 5 55