Sowohl als Verdichter als auch als Notor verwendbare Naschine mit aus ineinandergreifenden Schraubenrädern bestehenden Läufern. Die Erfindung bezieht sich auf eine so wohl als Verdichter als auch als Motor ver wendbare Maschine mit aus ineinandergrei- fenden Schraubenrädern bestehenden Läu fern.
Durch neuere Untersuchungen ist festge stellt worden, dass Umlaufverdichter bezw. Umlaufmotoren mit aus ineinandergreifenden Schraubenrädern bestehenden Läufern nur dann eine befriedigende Leistung erzeugen, wenn die Schraubenräder mit sehr hohen Drehzahlen angetrieben werden und so kon struiert sind, dass sie nicht nur dem Gehäuse gegenüber vollkommen reibungsfrei angeord net sind, sondern dass auch zwischen den ein zelnen Schraubenrädern stets ein Spiel, wenn auch nur ein geringes, vorhanden ist, derart, dass die Schraubenräder nicht unmittelbar miteinander in Berührung kommen.
Bei den hohen Drehzahlen, die zu einem wirtschaft lichen Betrieb dieser Schraubenverdichter bezw. -Motoren erforderlich sind, ist nämlich eine Konstruktion mit sich berührenden Schraubenrädern wegen der grossen Umfangs geschwindigkeiten der miteinander in Berüh rung kommenden Teile praktisch undurch führbar. Anderseits dürfen aber die Spiel räume zwischen den Schraubenrädern und zwischen diesen und dem Gehäuse nicht zu gross sein, weil die Leistung und der Wir kungsgrad bei grösseren Spielräumen sehr schnell geringer werden.
Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, die Schraubenräder von als Verdichter oder als Hotoren verwendbaren Maschinen der angegebenen Art so auszu bilden, dass der die Hochdruckseite mit der Niederdruckseite verbindende, durch die Spielräume gebildete Undichtigkeitsquer- schnitt möglichst gering wird, und dass die Schraubenräder so kurz als möglich ausge führt werden können.
Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass so wohl die Saug- als auch die Druckflanke der Zähne des einen Schraubenrades konvex sind, und dass die Druckflanke der Zähne dieses Schraubenrades einen kleineren Krümmungs- radius besitzt als deren Saugflanke und bei einer bestimmten Eingriffstellung der beiden Schraubenräder vollständig an der benachbar ten Flanke einer Zahnlücke des andern. Schraubenrades anliegt.
Zweckmässig wird die Gewindelücke in derjenigen Lage ausge füllt, in welcher der Scheitel des Zahnes des zuerst genannten Schraubenrades die durch die Drehachsen der beiden Schraubenräder gehende Ebene schneidet. Unter Druckflanke des Gewindes ist dabei diejenige Zahnflanke zu verstehen, die dem höheren Drucke des zu verdichtenden bezw. zu expandierenden Mittels ausgesetzt ist; beim Betrieb als Ver dichter also die vordere, und beim Betrieb als Motor die hintere Zahnflanke, bezogen auf den Drehsinn des Schraubenrades.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird auf das in der beiliegenden Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel des Erfin dungsgegenstandes hingewiesen. Es zeigen: Fig. 1 einen gemäss der Erfindung ausge bildeten Verdichter im axialen Längsschnitt, Fig. 2 einen Schnitt des Verdichters nach der Linie II-II der Fig. 1, Fig. 3 einen der Läufer des Verdiehters mit dem Verlaufe der Dichtungslinien,
Fig. 4 einen Schnitt des Verdichters nach der Linie IV-IV der Fig. 1, Fig. 5 eine etwas abgeänderte Ausfüh rungsform, und Fig. 6 eine der Fig. 5 entsprechende Dar stellung mit einer weiteren Abänderung.
Der in der Zeichnung dargestellte Ver dichter besitzt zwei Schraubenräder 10 und 12, die von einem sich dem äussern Umfang der Läufer anschliessenden Gehäuse 14 um geben sind, welches zwecks Aufnahme einer Kühlflüssigkeit hohl ausgebildet ist. Die Läufer 10 und 12 bestehen mit ihren zugehö rigen Wellenteilen aus einem Stück und sind in .den die Radialdrücke aufnehmenden Rol lenlagern 16, 18 bezw. 20, 22 und in den die Axialdrücke aufnehmenden Kugellagern 24 bezw. 26 gelagert.
Die Rollenlager werden von mit dem Gehäuse 14 verschraubten Deckeln 28 und 30 getragen, die den Arbeits raum des Verdichters zu beiden Seiten in axialer Richtung abschliessen und durch welche die Wellen der Läufer unter Zwi schenschaltung von Dichtungen 32,- 34, 36 und 38 geführt sind.
Der Antrieb des Verdichters erfolgt von der Welle 40 aus, deren Bewegung durch die Zahnräder 42 und 44 auf den Läufer 12 übertragen wird, der gegenüber dem Läufer 10 so angeordnet ist, dass sich die beiden Läufer an keiner Stelle berühren.
Um die Läufer auch von innen kühlen zu können, sind die Wellen hohl ausgebildet und mit einem koachsialen Innenrohr 46 bezw. 48 versehen. Zwecks Innenkühlung des Läufers 10 wird Kühlflüssigkeit durch eine Düse 50 in das Innere des Rohres 46 ge leitet.
Die Kühlflüssigkeit durchfliesst zu nächst das Rohr 46 in der Richtung des Pfeils 52, strömt dann zwischen dem Innen rohr und der Hohlwelle in entgegengesetzter Richtung zurück und tritt in Richtung der Pfeile 54, 56 in einen durch einen Deckel 58 abgeschlossenen Raum 60 ein, den es durch eine in der Zeichnung nicht ersichtliche Aus lassöffnung verlässt, um gekühlt und von neuem dem Kühlsystem zugeführt zu wer den. Die Innenkühlung des Läufers 12 er folgt, wie aus der Zeichnung ohne weiteres ersichtlich ist, in gleicher Weise und braucht daher nicht näher beschrieben zu werden.
Der Einlass in den Verdichter ist mit 62, der Auslass mit 64 bezeichnet. Der Deckel 30 am Saugende des Verdichters ist mit radialen Bohrungen 66, 68 versehen, die von den Läuferwellen nach aussen sich erstrecken und den Zweck haben, eine Saugwirkung auf die rechts von den Dichtungen 34 und 38 befind lichen Räume und ein Ansaugen von Schmier mittel in den Verdichter zu verhindern. Der am Druckende des Verdichters befindliche Deckel 28 besitzt ebenfalls von den Wellen nach aussen führende Bohrungen 70, 72, die zu dem Zwecke vorgesehen sind, um ein Ein dringen von verdichtetem Mittel in die die Lager enthaltenden,
links von den Dichtun- gen 32 und 36 gelegenen Räume mit Sicher heit zu verhindern und infolge von Undicht- heiten austretendes Druckmittel abzuleiten. im Spalt zwischen dem Hochdruckende der Schraube 10 und dem Deckel 28 sind eine oder mehrere Dichtungskanten 71 zwecks Vermeidung von Druckverlusten angeordnet.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind im vor liegenden Falle die beiden Läufer als drei gängige Schraubenräder ausgebildet. Die Er findung ist jedoch an keine bestimmte Gang zahl der Schraubenräder gebunden. Die Grö ssenverhältnisse der beiden Schraubenräder sind so gewählt, dass der theoretische Kopf kreis 74 des kleineren Schraubenrades und der theoretische Fusskreis 76 des grösseren Schraubenrades mit dem Teilkreis zusammen fallen. Während bei der Darstellung in Figur 1 die Spielräume zwischen den beiden Läu fern und zwischen Läufern und Gehäusen an gedeutet wurden, sind in den folgenden Figu ren die zusammenarbeitenden Teile ohne Spiel eingezeichnet worden, um eine bessere Übersicht über die sich abspielenden Vor gänge zu ermöglichen.
Selbstverständlich ist dabei aber im Einklang mit den eingangs an geführten Überlegungen immer vorausge setzt, dass sich tatsächlich ein gewisses Spiel von beispielsweise 0,2 mm zwischen den be treffenden Teilen vorfindet. Auch die fol gende Beschreibung berücksichtigt zum gröss ten Teil der Einfachheit halber nur die Ver hältnisse, wie sie ohne Vorhandensein von Spielräumen auftreten würden. Wie sich die Verhältnisse in Wirklichkeit gestalten, er kennt man jedoch leicht, wenn man sich die Spielräume als tatsächlich vorhanden hinzu denkt.
Die in der Zeichnung als Beispiel darge stellten Gewindeprofile sind wie folgt er mittelt worden: Mit einem auf dem Fusskreis 76 der grö sseren Schraube gelegenen Punkte A als Mittelpunkt ist ein Kreisbogen BC geschla gen, dessen Radius r gleich der Kopfhöhe AC des Gewindes ist. Dadurch erhält man eine Flanke a eines Gewindeprofils. Auf dem Kopfkreis 74 der kleineren Schraube wird ein Punkt D derart bestimmt, dass die Punkte A und D gleichzeitig die Verbindungslinie der beiden Schraubenmittelpunkte H und K durchlaufen, also im Punkte E zusammen fallen.
Da im vorliegenden Beispiel die Punkte<I>A</I> und<I>D</I> auf den Teilkreisen liegen und sich daher mit gleicher Geschwindigkeit bewegen, müssen ihre Abstände von Punkt E jederzeit einander gleich sein: Mit D als Mittelpunkt ist ein Kreisbogen FG gezeich net, der denselben Radius r besitzt wie der Bogen BC und sich vom Schnittpunkt F mit der Linie DK bis zum Schnittpunkt G mit dem Kopfkreis 74 erstreckt. Dadurch erhält man eine Flanke c des Profils der Gewinde lücke. Aus der beschriebenen Entstehung der Profillinien a und c folgt, dass dieselben in einanderfallen, wenn sich die Punkte A und D im Punkte E befinden.
In dieser Lage fallen somit auch die Punkte C und F zu sammen, und zwar treffen sie sich auf der Verbindungslinie HK der Sehraubenräder- achsen H und K. Es ergibt sich daraus, dass in der genannten Lage die Gewindelücke längs der Linie FG vollständig von einem Teil des Gewindeprofils a ausgefüllt wird, was mit Rücksicht auf Erzielung einer guten Dichtung von Bedeutung ist.
Der die Gewindelücke auf der andern Seite begrenzende Punkt L ergibt sich aus der Bedingung, dass die Punkte L und C gleichzeitig sich im Schnittpunkt M der bei den Kopfkreise befinden sollen. Die zwischen den Punkten C und N gelegene Flanke b wird vom Punkte L erzeugt, das heisst der Punkt L berührt die Flanke b auf seiner ganzen Länge von C bis N. Schliesslich wird die Flanke<I>d</I> von F bis<I>L</I> durch den Punkt C erzeugt.
Der im vorstehenden gebrauchte Aus druck Punkt gilt natürlich nur, soweit es sich um die Betrachtung der in Fig. 2 dar gestellten Schnittflächen handelt. Betrachtet man aber die Schraubenräder, so wird natür lich aus dem Punkt C eine Linie.
In Fig. 3 ist das Schraubenrad 10 allein dargestellt, und zwar im Sinne des Pfeils 82 (Fig: 2) .gesehen, um die Dichtungslinie, d. h. .die Linie, längs welcher sich die beiden Läufer berühren bezw. längs welcher sie den geringsten Abstand voneinander haben, zu veranschaulichen. Wie sich aus der Betrach tung von Fig. 2 ohne weiteres ergibt, ist auf der Flanke b die Dichtungslinie durch die Lage der Linie L bestimmt, und man erhält darnach den Teil 84 bis 86 der Dichtungs linie.
Darauf folgt von 86 bis 88 ein achs paralleler Teil, der von den kreiszylindri schen Flächen NBi und<I>LM</I> gebildet wird. Die theoretische Dichtungslinie, d. h. die Linie, die sich ohne Berücksichtigung des Spielraumes zwischen den Läufern ergibt, folgt dann weiter längs der Linie G bis 90 und verläuft dann auf der Schnittlinie einer zur Achse senkrechten Ebene mit der Fläche ai bis zum Schnitt mit der Linie Ci bei 92. Die theoretische Dichtungslinie folgt darauf der Linie Ci bis zum Schnitt mit der Linie Li bei 94 und dann der Linie Li bis zum Punkt 96.
Von hier aus wiederholt sich der weitere Verlauf der Dichtungslinie in glei cher Weise wie vom Punkt 86 aus. Berück sichtigt man das Vorhandensein. von Spiel räumen zwischen den beiden Läufern, so er hält die Dichtungslinie infolge der Krüm mung der Flanken<I>a, b, c, d</I> teilweise einen etwas von der theoretischen Dichtungslinie abweichenden Verlauf, und zwar folgt sie von 88 bis 92 der Linie 98 und von 92 bis 96 der Linie 100: Fig. 4 zeigt, in welcher Weise die Ver dichtung des Arbeitsmittels vor sich geht.
Es sei angenommen, dass Luft verdichtet wer den soll, die durch den Eintrittsstutzen 62 in die Saugseite des Verdichters eintritt. Bei der Drehung der Läufer im Sinne der einge zeichneten Pfeile werden in den Räumen P und R Luftmengen zunächst ohne Verdich tung mitgenommen, bis die in der Zeichnung dargestellte Lage erreicht ist, in welcher die Punkte C, L und M zusammenfallen. Bei fortschreitender Drehung der Läufer dringt das Gewinde 1J in den Raum P ein, wo durch das Volumen des Raumes P verringert und der Druck der eingeschlossenen Luft menge erhöht wird.
Sobald der Punkt Gi den Punkt M überlaufen hat, kommen die beiden Räüme P und R miteinander in Verbindung, wodurch ein Druckausgleich in diesen Räu men stattfindet. Bei weiterer Drehung der Läufer schiebt sich das Gewinde Ti in die Lücke R, und die Verdichtung schreitet so lange fort, bis die sich vermindernden Räume P, R bei ihrer Verschiebung gegen das Druckende hin mit der Auslassöffnung in Verbindung kommen.
Beim oben beschriebenen Ausführungs beispiel erfolgen. Ein- und Austritt der ver dichteten Luft in bezw. aus dem Verdichter im wesentlichen in radialer Richtung. Zur Bewältigung grosser Volumina ist es aber oft erwünscht, die Luft gleichzeitig auch in axialer Richtung ein- bezw. ausströmen zu lassen. Man könnte dies zum Beispiel da durch erreichen, dass man die die Läufer in axialer Richtung abgrenzenden Gehäuseteile entfernt und den Ein- und Auslassstutzen entsprechend abändert.
Dies würde aber so lange Schraubenräder erfordern, dass ohne axiale Begrenzung geschlossene Verdich tungsräume gebildet werden. Gemäss der Er findung können die Schraubenräder ganz wesentlieh kürzer gebaut werden, indem an den Enden der Läufer besondere Abschluss platten oder dergleichen angeordnet werden, die nur einen bestimmten Ein- bezw. Aus trittsquerschnitt in axialer Richtung offen lassen, den übrigen Teil aber vollkommen ab schliessen.
In welcher Weise der Abschluss des Verdichters in axialer Richtung erfolgen kann, sei im folgenden an einigen Beispielen erläutert.
In der mehr oder weniger schematischen Darstellung nach Fig. 5 sind die Läufer in axialer Richtung vom Druckende aus ge sehen. Der grössere Teil der Stirnseiten der Läufer ist durch eine Endplatte 102 abge schlossen, deren Form sich aus folgenden Überlegungen ergibt.
Zunächst ist ohne weiteres einleuchtend, dass die Räume Pi und Ri so lange abge schlossen sein müssen, bis der gewünschte Verdichterenddruck erreicht ist. Angenom men, dies sei der Fall, wenn der Punkt Ci nach U und der Punkt G2 nach V gelangt ist. Daraus folgen die Abschlusslinien k und e der Platte, die bei der zuletzt genannten Stellung mit den Flanken bi bezw. c2 zu sammenfallen.
Die Linien<I>f</I> und<I>g</I> schliessen sich den Fusskreisen der beiden Läufer an. Eine Verlängerung der Platte 102 über die Fusskreise hinaus würde den Austrittsquer schnitt vermindern, dagegen könnten die Kurventeile f und g ohne weiteres etwas nach innen zum Beispiel durch gerade Linien ersetzt werden. In der in Fig. 5 darge stellten Lage schliessen die Flanken<I>b</I> und<I>d</I> einen keilförmigen Raum ein, der sich nach unten bis zur Saugseite erstreckt und somit eine unerwünschte direkte Verbindung zwi schen Druckseite und Saugseite bildet.
Man erkennt dies auch aus dem Verlauf der Dich tungslinie in Fig. 3. Um die in Fig. 5 ge zeigte Lage zu erhalten, muss man sich die Schraube in Fig. 3 durch eine durch die Linie 90 bis 92 gehende, zur Achse senk rechte Ebene geschnitten und den obern Teil entfernt denken. Die Ansicht von oben auf den untern Teil entspricht dann der in Fig. 5 dargestellten Lage. Man erkennt ohne weite res, dass der zwischen dem Punkt 92 und der Linie Li gelegene Teil mit der Saugseite un mittelbar in Verbindung steht.
Um diese Ver bindung zu verschliessen, wird die Abschluss platte an dieser Stelle nach aussen geführt und man erhält die Begrenzungslinie h. Ausserhalb dieser Linie ist ein Abschluss nicht erforderlich, weil dort schon der obere Kurvenbogen 100 (Fix. 3) gegen die Saug seite hin abdichtet. .
Fig. 5 zeigt, wie gross man die axiale Austrittsöffnung wählen kann. Aus prak tischen Gründen, nämlich mit Rücksicht auf die Unterbringung der Dichtungen und La ger, ist es -aber nicht immer möglich, den axialen Abschluss in der gezeigten Weise aus zuführen, und es kann aus diesem Grunde er forderlich werden, der Abschlussplatte 104 beispielsweise die aus Fig. 6 ersichtliche Be grenzungslinie<I>k<U>m</U></I> n-o-e zu geben.
An dem Abschluss des in Fig. 5 gezeigten Flä chenkeils d-b, der in Fig. 6 durch b'-d' wiedergeben ist, wird durch die andere Form der Platte naturgemäss nichts geändert. Da gegen erfordert diese Plattenform eine wei tere Massnahme, die anhand der Fig. 6 er läutert werden soll.
In dieser Figur sind die Gewindeprofile in einer Lage eingezeichnet, die sie kurz vor Erreichung der in Fig. 5 dargestellten Lage einnehmen. Wie aus Fig. 6 ersichtlich, schlie- ssen die Flanken a, c sowie ein Teil der Flanke d einen keilförmigen, nach dem Saug ende hin sich verjüngenden Raum ein,
der bei der Weiterdrehung der Läufer immer ge ringer wird und bei Erreichung der in Fig. 5 dargestellten Lage schliesslich vollständig verschwindet. Um nun die in diesem Raume eingeschlossene Luftmenge, die infolge der Lage der Platte 104 vollkommen abgeschlos sen ist, nach aussen abführen zu können und dadurch eine unzulässige Drucksteigerung in dem Raume zu verhindern, ist in der Platte 104 an geeigneter Stelle eine Öffnung<B>106</B> vorgesehen, die den zwischen <I>a,
</I> c und<I>d</I> ein geschlossenen Raum mit der Auslassseite des Verdichters verbindet. Selbstverständlich muss die Öffnung 106 eine derartige Lage haben, dass sie den zwischen<I>b</I> und<I>d</I> einge schlossenen Raum nicht mit der Saugseite verbindet.
Die am Saugende gelegene Abschluss platte erhält zweckmässig die in Fig. 4 durch den Linienzug s-t-u-v z dargestellte oder eine diesem ähnlich verlaufende Begren zung, wobei die Platte den mit Bezug auf die Fig. 4 links vom genannten Linienzug gelegenen Teil abschliesst. Der Verlauf der Linie a ergibt sich aus der Überlegung, dass der Raum P nach der Saugseite hin vollstän dig abgeschlossen sein muss,
wenn das Ge winde .S in 'diesen Raum einzudringen be- ginnt oder wenn, mit andern Worten, die Verdichtung im Raume P beginnen soll. Die übrigen Linienzüge sind so gewählt, dass un ter allen Umständen eine unmittelbare Ver bindung zwischen Saug- und Druckseite ver hindert wird.
Anstatt besondere Abschlussplatten an zuordnen, können die in Fig. 1 gezeigten, die Läufer nach beiden Seiten hin in axialer Richtung abschliessenden Deckel 28 bezw. 30 mit zweckmässig geformten Ausnehmungen versehen sein, die dem Arbeitsmittel einen Ein- und Austritt in axialer oder wenigstens teilweise axialer Richtung ermöglichen.
Die beschriebene Maschine kann auch als Motor, beispielsweise als Dampf- oder Gas maschine betrieben werden. In diesem Falle erfolgt die Treibmittelzufuhr durch den Stutzen 64 und der Auslass des expandierten Treibmittels bei 62, wobei die Umlaufrich tung der Läufer entgegengesetzt derjenigen ist; die sie beim Betrieb als Verdichter haben. Man kann auch die Maschine bei gleicher Umlaufrichtung sowohl als Verdichter als auch als Motor verwenden, doch sind in die sem Falle die Stutzen 62 und 64 zu vertau schen, d. h. das Arbeitsmittel durchfliesst die Maschine in leicher Richtung un abhängig davon, ob sie als Verdichter oder Motor arbeitet.
Die Erfindung ist nicht an die nui als Beispiel dargestellte Ausführungsform ge bunden, sondern kann in mannigfacher Weise verkörpert werden. Selbstverständlich kann die Erfindung auch bei doppeltwirkenden Läufern zur Anwendung kommen, bei denen das Arbeitsmittel in parallelen Strömen Ar beit aufnimmt bezw. abgibt.