Drehkolbenmaschine. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf solche Drehkolbenmaschinen, bei welchen ein gasförmiges Mittel in Arbeitskammern komprimiert oder expandiert werden kann, die zwischen ineinandergreifenden, mit schrau benförmigen Rippen und Nuten versebenen Läufern und deren Gehäuse gebildet sind und ihr Volumen verändern, wenn sieh die Läufer drehen.
Maschinen dieser Art werden gewöhnlich ohne Schmierung mit dem praktischen kleinst möglichen Spielraum zwischen den ineinander greifenden Läufern und zwischen diesen und dem Gehäuse betrieben, so dass das Entweichen des Mittels durch Undichtigkeiten aus den Arbeitskammern auf ein Minimum herabge setzt ist. Um dies zu erreichen und damit einen verhältnismässig hohen volumetrischen Wirkungsgrad aufrechtzuerhalten, werden die Läufer gewöhnlich mit hohen Geschwindig keiten betrieben.
Uni ferner das gewünschte Vergrösserungs- oder Verkleinerungsverhält nis der Arbeitskammern zwischen Einlass- und Auslassseiten bei Läufern mit konstantem Durchmesser und Steigungswinkel der Rippen und Nuten zu gewährleisten, müssen die Läu fernuten einen Steigungswinkel von beträeht- licher Grösse haben.
Dies bedingt wiederum, eine Drehkolbenmaschine zu verwenden, bei velelwr- ein eingreifender Läufer mit. schrau benförmigen Rippen von konvexem Quer se hnitt, der wenigstens zum grösseren Teil ausserhalb des Teilkreises des Läufers liegt, drehbar in einer Gehäusebohrung angeordnet ist und in Eingriff mit einem eingegriffenen Läufer steht, der schraubenförmige Rippen von konkavem Querschnitt hat, der wenigstens zum grösseren Teil innerhalb des Teilkreises des Läufers liegt, und der drehbar in einer zweiten Gehäusebohrung angeordnet ist, welche die erstgenannte Bohrung überschneidet.
Gegenüber denjenigen Drehkolbenmaschi- nen, bei denen die Rippen des eingegriffenen Läufers auf ihrer Scheitelfläche wie auch die Sohlen der Nuten des eingreifenden Läufers konvex ausgebildet sind, besteht die Erfin dung darin, dass in einer Drehkolbenmaschine mit zwei mit schraubenförmigen Rippen und Nuten versehenen, ineinandergreifenden Läu fern, die sieh in parallel zueinander verlaufen den und sich überschneidenden Bohrungen eines Gehäuses drehen, das Rippenprofil des eingreifenden Läufers in seinem grösseren,
ausserhalb des Teilkreises dieses Läufers lie genden Teil symmetrisch zu einer Radiallinie konvex und in seinem kleineren, innerhalb die ses Teilkreises liegenden Teil symmetrisch zu einer Radiallinie konkav gekrümmt ausgebil det ist, während das Rippenprofil des einge griffenen Läufers in seinem grösseren, inner halb des Teilkreises dieses Läufers liegenden Teil symmetrisch zu einer Radiallinie konkav und in seinem kleineren, ausserhalb dieses Teil kreises liegenden Teil symmetrisch zu einer Radiallinie konvex gekrümmt ausgebildet ist.
In der Zeichnung sind ein Ausführungs beispiel des Erfindungsgegenstandes und eine Detailvariante dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Dreh kolbenmaschine, Fig. 2 einen Teilausschnitt aus diesem Querschnitt in grösserer Darstellung, Fig. 3 eine Einzelheit aus Fig. 2 in noch grösserer Darstellung, Fig. 4 und 5 eine Aufsicht auf die Läufer und ihre Dichtungslinien, Fig.6 und 7 Schnitte durch die Profil enden eines Läuferpaares in grösserem Mass stab.
In dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 5 enthält ein gemeinsames Gehäuse 10 in zwei parallelen, sich überschneidenden Bohrungen einen eingreifenden Läufer 20 mit vier schraubenförmig gewundenen Rippen und Nuten und einen eingegriffenen Läufer 22 mit sechs schraubenförmig verlaufenden Rippen und Nuten. Die Läufer und das Ge häuse bilden zwischen sich Arbeitskammern, die im Verlaufe der Drehung der Läufer ihr Volumen ändern. Der über den Teilkreis des eingreifenden Läufers hinausragende Teil des Rippenprofils ist im äussern Teil begrenzt durch einen Kreisbogen a vom Radius R, welcher Bogen von den Punkten b und c be grenzt ist und seinen Mittelpunkt P auf dem Teilkreis des Läufers hat.
Die weiter innen gelegenen Flankenteile f und g, die sich zwi schen den Punkten <I>b</I> und<I>d</I> einerseits sowie c und e anderseits erstrecken, sind praktisch Abwälzkurven, die je von einem Schnittpunkt des Rippenprofils des eingegriffenen Läufers mit seinem Teilkreis beschrieben werden, wenn sich letzterer auf dem Teilkreis des eingrei fenden Läufers abwälzt.
Die innerhalb des Teilkreises liegenden Profilteile a' des eingreifenden Läufers sollen je zum überwiegenden Teil als Kreisbogen aus gebildet sein, der einen Radius R' hat und dessen Mittelpunkt P' auf dem Teilkreis des eingreifenden Läufers liegt.
Wie aus Fig.2 ersichtlich, ist die lichte Weite zwischen den Rippen des eingegriffenen Läufers, auf dessen Teilkreis gemessen, min destens zweimal so gross wie die Rippenstärke auf diesem Teilkreis, während die Rippen stärke des eingreifenden Läufers, auf dessen Teilkreis gemessen, mindestens zweimal so gross wie die lichte Weite zwischen den Rip pen, ebenfalls auf diesem Teilkreis gemessen, ist.
Das Profil des innerhalb seines Teilkreises gelegenen Teils der Nut des eingegriffenen Läufers wird gebildet durch einen Bogen a'', der sich zwischen den Punkten B'' bis c'' er streckt, die beide auf dem Teilkreis des Läu fers liegen. Die ausserhalb dieses Kreise liegenden Teile sind gebildet durch einen Bo gen a', der einen Radius R'' hat und dessen Mittelpunkt P'' auf dem Teilkreis des ein gegriffenen Läufers liegt.
Man erkennt aus der Fig. 2, dass das Rippenprofil beider Läu fer symmetrisch mit Bezug auf eine Radial linie des betreffenden Läufers ist, dass das Rippenprofil des eingreifenden Läufers in seinem grösseren, ausserhalb des Teilkreises dieses Läufers gelegenen Teil konvex und in seinem kleineren, innerhalb dieses Teilkreises liegenden Teil konkav gekrümmt ist und dass das Rippenprofil des eingegriffenen Läu fers in seinem grösseren, innerhalb des Teil kreises dieses Läufers gelegenen Teil konkav und in seinem kleineren, ausserhalb dieses Teil kreises gelegenen Teilkonvex gekrümmt ist.
Wenn man das Läuferspiel vernachlässigt, dann haben die Bogenabschnitte a. und fa" den gleichen Radius; das jeweils erwünschte Spiel kann also durch Radiusdifferenzen herbei geführt werden. Ebenso haben die Bogen abschnitte a' und a.", wenn das Spiel vernaeb- lässigt wird, den gleichen Radius.
Da. aber im allgemeinen ein Läuferspiel zweckmässig ist, bestehen hinsichtlich dieserProfilabschnitte R.adiusdifferenzen: Für den Fall der Spielfreiheit müsste das theoretisch exakte Profil des ausserhalb des Teilkreises des eingegriffenen Läufers liegen den Rippenteils dieselbe Form haben wie das innerhalb des Teilkreises liegende Profil des eingreifenden Läufers,
wobei der über den Teilkreis reliehende Teil des eingegriffenen Läuferprofils durch Abwälzung gebildet wer den müsste. Nach Fig. 3 sind zur Erzielung eines theoretisch exakten Profils mit ununtel@ broehener Dichtungslinie ohne Läuferspiel die Teile<I>f'</I> und<I>g',</I> die sich zwischen den Punkten c'' und c' bzw.
b'' und b' erstrecken, durch Abwälzen erzeugte Kurven, und zwar je er zeugt von einem Schnittpunkt des Rippen profils des eingreifenden Läufers mit dessen Teilkreis bei Abwälzung des letzteren auf dem Teilkreis des eingegriffenen Läufers. Der Bo gen a''' jedoch, der den grösseren Teil des ausserhalb des Teilkreises liegenden Profil bereiehes ausmacht und der sieh zwischen den Punkten b' und c' erstreckt, ist kreisbogen förmig.
Aus der Fig. 3 ergibt sieh aber, dass die Abweichung der Kurventeile f' und g' vom Kreisbogen so geringfügig ist, dass in Praxis, besonders in Ansehung eines anzu wendenden Läuferspiels, diese Abweichung vernachlässigt und der ausserhalb des Profil teils liegende Profilbereich ganz durch einen Kreisbogen begrenzt sein kann. Nur dann, wenn die Profile sieh wesentlich grösser dar stellen, als das aus den Zeichnungen erkennbar ist, wird man dazu übergehen, die dann auch wesentlich grösseren Flächen f' und g' als Ab- wälzkurven auszubilden.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind ferner Dichtungskanten vorgesehen, z. B. in Gestalt von Dichtungsstreifen 54, die in radialer Richtung aus der Scheitelfläche des eingreifenden Läufers herausragen, während die Rippen des eingegriffenen Läufers beid seits, auf Höhe des Teilkreises, mit Dichtungs streifen 56 und<B>58,</B> die sich in Richtung des Teilkreises erstrecken, und am Scheitel mit einer mittleren Dichtungskante 60 versehen sind, die sieh in radialer Richtung nach aussen erstreekt.
Gemäss dem in Fig. 2 dargestellten Aus führungsbeispiel kann der Scheitel der Rippe des eingreifenden Läufers etwas abgeflacht werden, indem man den Kreisbogen a nicht um den Punkt P, sondern mit dem Radius R um die Mittelachse des Läufers beschreibt. Eine ähnliche Abflachung kann man auch, wie Fig. 3 zeigt, in der Zone der Dichtungs rippe 60 am Scheitel der Rippen des einge griffenen Läufers vorsehen. Diese Abweichun gen vom exakten Kreisbogenprofil sind jedoch verhältnismässig gering. In den Fig. 4 und 5 sind die in dem Läu ferpaar auftretenden Dichtungslinien darge stellt.
Betrachtet man zunächst den in Fig. 4 gezeigten eingreifenden Läufer, so verläuft die Dichtungslinie zunächst auf dem Ab schnitt o-p auf der Verbindungslinie zwi schen der Bogenoberfläche a' und dem durch Abwälzung erzeugten Profilteil f oder, in an dern Worten, auf einer Zylinderfläche, die durch den Teilkreis des eingreifenden Läu fers bestimmt ist. Sie folgt weiter der Linie p-q auf der Abwälzfläche f der Rippen flanke; weiter dem Teil q-r, der rechtswink- lig zur Drehachse des Läufers steht und dem Bogenprofil a folgt. Die Linie r-s verläuft auf der Abwälzfläche g, und der Teil s-t folgt der Schnittlinie zwischen der Bogen fläche a' und der Abwälzfläche g.
Die Dich tungslinie innerhalb des Teilkreises auf der Kreisbogenfläche a' wird dargestellt durch die Linie t-o. Dieser Teil der Dichtungslinie verläuft ebenso wie die Strecke q-r senk recht zur Läuferdrehachse.
In Fig.5 verläuft die Diehtungslinie im eingegriffenen Läufer im Teil o-p schräg zur Abwälzfläche g' in der Nähe des Teil kreises; der Streckenteil p-q folgt der Schnittlinie zwischen dem bogenförmig ge krümmten Profilteil a''' und dem Teilkreis, wobei die Dichtungskante 56 gemäss Fig. 2 genau in dieser Schnittlinie liegt und gegen die Abwälzkurve f abdichtet; der Streckenteil q-r verläuft senkrecht zur Läuferdrehachse und folgt dem Bogenprofilteil a'';
der Strek- kenteil r=s folgt einer Schnittlinie zwischen der Bogenfläche a" und einer Zylinderfläche, die durch den Teilkreis des Läufers bestinnnt ist, wobei die Dichtungskante<B>58</B> entlang dieser Schnittlinie verläuft und gegen die Abwälz- fläche g des eingreifenden Läufers abdichtet;
die Strecke s-t- folgt schräg der Abwälz- flä.che f" und die Strecke t-o wiederum im rechten Winkel. zur Läuferdrehachse. Diese Strecke folgt dem Bogen ct"' und, wirkt mit dem Bogen a' des eingreifenden Läufers zLi- sammen. Indem dieselben Bezeichnungen o-p,
p-q usw. für die verschiedenen Teile der Diehtung-slinien sowohl in Pig.4 als auch in Fig. 5 gewählt wurden, ist es leicht, den Dich tungslinienverlauf im Profil zu verfolgen.
Wie sich aus den Zeichnungen ergibt, ist die Dichtungslinie bei Anwendung der er läuterten Profile verhältnismässig kurz im Vergleich zu solchen Konstruktionen, in denen sowohl die Rippen als auch die Nuten durch weg als Abwälzkurven ausgebildet sind. Die Anordnung von über den Teilkreis hinaus ragenden Profilteilen am eingegriffenen Läu fer und innerhalb des Teilkreises sich erstrek- kenden Teilen der Nuten des eingreifenden Läufers beeinträchtigt nicht die Tatsache, dass die Scheitellinien der Rippen des ein greifenden Läufers dicht an den Nutenwänden innerhalb des Teilkreises des eingegriffenen Läufers arbeiten.
Charakteristisch für alle Ausführungsfor men ist, dass mit Ausnahme der rechtwinklig zu den Läuferachsen verlaufenden Teilen der Dichtungslinie die Dichtung in der Dich tungslinie selbst, zwischen einer Oberfläche auf der einen Seite und einer verhältnismässig dünnen Kante auf der andern Seite herge stellt werden kann. Die gleiche Dichtung kann auch zwischen den Läufern und ihren Ge häusebohrungen angewendet werden.
Es wird also auf allen eine axial verlau fende Komponente aufweisenden Teilen der Dichtungslinie - und diese machen den grö sseren Teil der Gesamtdichtungslinienlänge aus - die Dichtung nicht. zwischen zwei be nachbarten Flächen, sondern immer zwischen einer Fläche und einer Kante herbeigeführt. Infolgedessen können Verwerfungen infolge ungleichmässiger Ausdehnung oder anderer mechanischer Einflüsse eine Berührung zwi schen den Läufern längs der Dichtungslinie hervorrufen, jedoch bleiben solche Berührun gen doch nur auf kleine Ausmasse beschränkt, weil diese Berührung nietet auf breiteren Flä chen, sondern eben nur im Bereich von Dich tungsleisten oder Dichtungskanten erfolgt, die, wenn sie beschädigt werden, leicht zu erset zen sind.
Die senkrecht zu den Läuferachsen verlaufenden Teile der Dichtungslinie, die nur einen geringen Anteil an der Gesamtlänge der Dichtungslinie haben, können zur Verineidung nachteiliger Berührung zwischen den Ober flächen mit verhältnismässig grossem Spiel ausgeführt werden. Die Anwendung der Dich tungskanten bzw. Dichtungsleisten erlaubt es, das Spiel zwischen den Oberflächen der beiden Läufer verhältnismässig gross zu bemessen, was natürlich die Herstellung erheblich er leichtert und verbilligt, insofern hierbei grö ssere Toleranzen erlaubt sind.
Zugleich wird aber eine Wirkungsgradver besserung erzielt, insofern es möglich ist, das Spiel und die Dichtungskanten so auszulegen, dass beim Zusammenbau zunächst die Kanten reiben, dann aber während des Einlaufens der Maschine so weit weggeschliffen werden, dass nach vollendetem Einlaufen eine Abdichtung erzielt ist, die besser wirkt als die mit engstem Spiel ausgeführten Flächendichtungen.
Die Ausführung der Erfindung ist an die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht gebun den. So können z. B. die Dichtungskanten mit den Rippen aus einem Stück bestehen, indem die Rippen entsprechend gefräst werden. Man kann aber auch durch Walz- oder Rollver fahren aus den Rippen vorstehende Leisten oder Kämme herausformen. So zeigt z. B. Fig. 6 ein Profil, bei welchem die Dichtungs leisten 56, 58, 60 aus dem Profil leerausgerollt worden sind, während im Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 die Dichtungsleiste 54 aus dem Vollen gefräst sein kann.
Zwischen den Stirnflächen der Läufer und ihrer Gehäuse können ebenfalls Leistendich tungen vorgesehen werden, wobei daranf zu achten ist, dass diese Dichtungen innerhalb des Fusskreises der Profile liegen. Die Stei gung der Schraubenprofile wird gewölnlich so gewählt, dass der Windungswinkel der Rip pen vom Eimass zum Auslass ni-@iit weniger als 90 , aber weniger als 360 W.trägt. Das Ver hältnis der Rippenanzahl Cuf eingreifendem und eingegriffenem Läufer kann grösser oder kleiner gewählt werden als iii Fig. 1.
Wird das Verhältnis grösser, dann kann der Wen dungswinkel für die Rippen des eingegrif fenen Läufers erheblich kleiner sein als 90 ; im a111eineinen wird man es aber bei c,en oben < lar < @elcgien Vcrllältilissell belassen. Die neue Drehkolbenmaschine kann sowohl als Verdichter als auch als Motor arbeiten.