CH649131A5

CH649131A5 - Rotationskolbenmaschine mit zwei in kaemmeingriff stehenden rotoren.

Info

Publication number: CH649131A5
Application number: CH2287/80A
Authority: CH
Inventors: Karl Prof Dr-Ing Bammert
Original assignee: Bammert Karl
Priority date: 1979-03-23
Filing date: 1980-03-24
Publication date: 1985-04-30
Also published as: IN153930B; US4350480A; AR219228A1; JPS6147281B2; FR2451996B1; FR2451996A1; GB2045355A; BE882350A; BR8001758A; JPS55131501A; IT8020863A0; GB2045355B; IT1130075B; DE2911415C2; DE2911415A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Der Einfachheit halber wird in der folgenden Beschreibung nur auf den Betrieb als Verdichter und die dabei vorliegende Drehrichtung der Rotoren Bezug genommen; für den Motorbetrieb gelten die Angaben sinngemäss für die entgegengesetzte Drehrichtung.

Eine Rotationskolbenmaschine der genannten Art ist aus der DE-OS 25 05113 bekannt. Bei ihr ist die vorliegende Nutflanke zum grössten Teil als Kreisbogen mit auf dem Wälzkreis liegenden Mittelpunkt ausgebildet, und der jeweils zwischen vor- und nacheilender Nutflanke liegenden Nutsteg hat einen über den Wälzkreis hinausragenden, verbreiterten Kopfteil mit einem Kopfbahnabschnitt, der mit einem geradlinigen Flankenabschnitt unter Bildung einer Kante in die nacheilende Nutflanke und mit einem Übergangskreisbogen tangential in die voreilende Nutflanke übergeht. Zwischen den Rippen des Rippenrotors sind den Kopfbahnabschnitten entsprechende Lücken vorgesehen, auf deren parallele zum Teilkreis des Rippenrotors verlaufenden Bodenflächen jeweils der Kopfbahnabschnitt des Nutste-ges abrollt.

Mit dieser Ausbildung sollen die Vorteile einer kurzen Dichtlinie und kleiner Blaslöcher, die bereits mit einer ähnlich ausgebildeten Rotationskolbenmaschine (US-PS 3414189) erreicht wurden, beibehalten, jedoch die Schwierigkeiten und der Herstellungsaufwand der komplizierten geometrischen Formen der Rippen und Nuten der Rotationskolbenmaschine nach dieser zuletzt genannten Patentschrift vermieden werden.

Bei der Erzeugung des im achsnächsten Punkt der Kontur der nacheilenden Nutflanke beginnenden Nutabschnittes wird nach der Lehre der an erster Stelle genannten Druckschrift ein punktförmiger Abschnitt der Kontur der Rippe des Rippenrotors, d. h. eine sogenannte «scharfe Kante» angewendet. Dies hat einerseits zwar die Bildung eines sehr kleinen Blasloches zur Folge, andererseits aber findet keine Verteilung des Verschleisses auf mehrere Bereiche des erzeugenden Abschnittes statt, wie dies bei der Anwendung wandernder Punkte durch Abrundung des erzeugenden Abschnitts der Fall ist. Auch die durch den geradlinigen Abschnitt der Kontur der nacheilenden Nutflanke geschaffene Kante ist nicht geeignet, den Verschleiss entsprechend zu verteilen . Die verhältnismässig breiten Kopf bahnabschnitte der Nutstege und die entsprechenden Lücken zwischen den Rippen des Rippenrotors verringern nicht nur die wirksame Arbeitsfläche der Nuten des Nutenrotors, bezogen auf die Rotordurchmesser; sie schaffen auch erhebliche Abdichtprobleme, denen, wie in der Druckschrift erläutert, mit zusätzlichen Dichtstegen begegnet werden soll, die ihrerseits wieder den Herstellungsaufwand vergrössern und erschweren und auch, je nach der Ausbildung dieser Dichtstege, den Betrieb der Maschine störanfälliger machen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Rotationskolbenmaschine der eingangs genannten Art einen Nutsteg mit nicht festpunkterzeugten Flanken derart auszubilden, dass bei möglichst grossem Verdrängungsvolumen die Blaslöcher möglichst klein gehalten werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale gelöst, die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführt sind.

Durch diese Ausbildung wird der Vorteil erzielt, dass die Kontur der nacheilenden Nutflanke mittels des abgerundeten Abschnitts der Rippenspitze wanderpunkt-, also nicht festpunkterzeugt ist, so dass sich eine erhebliche Verschleissminderung ergibt, während aber gleichzeitig die Blaslöcher etwa so klein gehalten werden können, wie dies bisher nur bei Verwendung mehr oder weniger «scharfer Kanten» möglich schien. Die Ausbildung des Konturenverlaufes nach der Erfindung führt ferner zu sehr schlanken Nutstegen mit der Folge einer erheblichen Vergrösserung der wirksamen Arbeitsfläche der Nuten in

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bezug auf den Rotordurchmesser, und damit zu einem grossen Verdrängungsvolumen .Der Verlauf der Nut- und Rippenkonturen lässt sich im Rahmen der erfindungsgemässen Lösung dem gewünschten Betriebsverhalten in weiten Grenzen anpassen, ohne dass neue Schwierigkeiten bei der Herstellung auftreten. Wegen des Fehlens von Kopfbahnabschnitten des Nutsteges und ihnen entsprechender Abwälzlücken zwischen den Rippen des Rippenrotors treten die vorstehend geschilderten Abdichtungsprobleme ebenfalls nicht auf.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann der achsfernste Punkt der in einem konvexen Bogen verlaufenden Kontur des über den Wälzkreis hinausragenden Kopfteiles des Nutsteges gegenüber dem Schnittpunkt dieses Bogens mit einem durch die Bogenmitte des Wälzkreisabschnitts verlaufenden radialen Achsstrahl des Nutrotors in Richtung auf die im Verdichterbetrieb nacheilende bzw. im Motorbetrieb voreilende Nutflanke peripher verschoben sein. Hierdurch wird erreicht, dass die jeweils achsfernsten Punkte des Nutenrotors und des Rippenrotors kurz hintereinander an der Zylinderverschnei-dungskante des Maschinengehäuses vorbeilaufen und auf diese Weise ein kleines Blasloch entsteht. Die Drehversetzungdes Vorbeilaufs der beiden Rotoren sollte weniger als 9° betragen, im Optimum 2 bis 3°.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Schnittwinkel der Kontur der im Verdichterbetrieb voreilenden bzw. im Motorbetrieb nacheilenden Nutflanke mit radialen Achsstrahlen des Nutrotors mindestens 4°, vorzugsweise 15 bis 20° beträgt.

Vorzugsweise beträgt ferner der Abstand der Schnittpunkte der beiden den Nutsteg bildenden Nutflanken mit dem Wälzkreis des Nutenrotors 3 bis 12 % und der radiale Überstand des Kopfteils des Nutstegs über den Wälzkreis des Nutsteges weniger als 2% des Durchmessers des Kopfkreises des Rippenrotors.

Vorteilhaft ist ferner eine Ausbildung, bei der ein im achsnächsten Punkt der Kontur der Nut beginnender Abschnitt der voreilenden Nutflanke mindestens über ein Drittel, vorzugsweise über die Hälfte der Länge dieser Flanke berührend an der Rippenflanke des Rippenrotors anliegt, wenn der achsfernste Punkt der Kontur dieser Rippe den achsnächsten Punkt der Kontur der Nut berührt. Eine solche Kontur verhindert die Bildung von sogenannten Taschen, d. h. länglichen Verdichtungsräumen, die sich nur schwer füllen und entleeren lassen.

Die erfindungsgemässe Profilkontur des Nutsteges mit einer in Drehrichtung beim Verdichterbetrieb gekrümmten Schwerpunktlinie bringt den Vorteil kleiner Blaslöcher mit sich, da dadurch die Zeitpunkte des Vorbeigangs der achsfernsten Punkte der Rippen- und Nutstege an der Verschneidungskante des Maschinengehäuses einander angenähert werden. Vorzugsweise beträgt der Winkelabstand, den der achsfernste Punkt a des Nutsteges NS von der Verschneidungskante VK des Gehäuses im Augenblick des Vorbeilaufs des achsfernsten Punktes der zugehörigen Rippe R des Rippenrotors RR hat, weniger als 9°.

Die aufgezählten Ausbildungsformen führen, wie bereits erwähnt, zu einem grossen Fördervolumen pro Rotorumdrehung, da sich Nuten mit grosser Querschnittsfläche schaffen lassen. Ein hoher Liefergrad wird durch die Verkleinerung der Spaltflächen und eine strömungsbremsende Gestaltung der Profilabschnitte in der umittelbaren Umgebung der Spalte erreicht; dies gilt besonders für den Stirnspalt am druckhöheren Ende der Rotoren und den Spalt zwischen den radial äussersten Konturen der einzelnen Rotoren und den Zylinderflächen des Gehäuses, sowie schliesslich die das Blasloch bildenden Spalte. Es treten weiter geringe Reibungs- und Strömungsverluste auf, weil den ein- und austretenden Strömen des Arbeitsmediums grosse Strömungsflächen zur Verfügung stehen. Da die miteinander in Berührung kommenden Konturabschnitte herstellungstechnisch keine Schwierigkeiten bereiten, lassen sie sich besonders sorgfältig bearbeiten und erhöhen auf diese Weise die Betriebssicherheit der Maschine und verringern den Schmier- und Kühlmittel649 131

bedarf sowie die Leckverluste. Die problemlose Herstellbarkeit der Konturen beruht unter anderem darauf, dass der gesamte Konturverlauf von Nuten und Rippen keine Kanten aufweist und durch die schlanke Gestaltung der Stege ein Hinterschnitt keine Probleme mit sich bringt.

Die Erfindung erlaubt es, den Konturverlauf unter Berücksichtigung des gewünschten Betriebsverhaltens der Maschine punktweise vorzugeben und mittels benachbarter, vorgegebener Punkte der Kontur Interpolationskurven höheren Grades so zu legen, dass sich im Ergebnis ein möglichst glatter Verlauf ergibt. Die Kontur des zugehörigen Abschnitts des anderen Rotors, die sich theoretisch als Hüllkurve der erzeugenden Kontur des ersten Rotors ergibt, kann bei der Ausbildung nach der Erfindung so abgewandelt werden, dass sich ein niedriger Spaltdurchfluss und eine günstige Kraftverteilung ergeben. Die bei dieser Gestaltung erforderlichen Abweichungen vom theoretischen Verlauf der Kontur können, wie anfangs geschildert, ebenfalls durch vorgegebene Punkte und Interpolationskurven höheren Grades ermittelt werden. Es können deshalb beliebig viele Profilabschnitte vorgebend berechnet werden und die sich dabei ergebende Kontur unterliegt nicht mehr den Einschränkungen, die sich aus der Vorgabe bestimmter relativ einfacher geometrischer Kurven ergeben.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 die Rotationskolbenmaschine im Radialschnitt in sche-matischer Darstellung;

Fig. 2 bis 4 Einzelheiten des Nutenrotors in vergrössertem Massstab, ebenfalls in schematischer Darstellung;

Fig. 5a bis 5f und 6 Einzelheiten des Abwälzvorgangs beider Rotoren in schematischer Darstellung.

Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, sind der Nutenrotor NR und der Rippenrotor RR im Maschinengehäuse MG in zwei einander mit Verschneidungskanten VK durchdringenden Zylindern ZN und ZR um Achsen n bzw. h drehbar gelagert und stehen mit ihren Rippen R bzw. Nuten N in Kämmeingriff miteinander. Die Nuten N des Nutenrotors NR liegen im wesentlichen innerhalb des Wälzkreises WKN und die Rippen R des Rippenrotors RR im wesentlichen ausserhalb des Wälzkreises WKR. Die achsferne Spitze o-p der Rippe R ist mit dem kleinen Radius r abgerundet. Die Profilkontur des von den benachbarten Flanken zweier nebeneinanderliegender Nuten N jeweils gebildeten Nutsteges NS wird, wie in Fig. 2 gezeigt, durch eine Vielzahl von die Flanken des Nutsteges NS berührenden Kreisen bestimmt. Die Mittelpunkte dieser Kreise liegen auf einer in der mit einem Pfeil DRN angedeuteten Drehrichtung des Nutenrotors NR strichpunktiert angedeuteten Linie MKL.

Die Durchmesser der Kreise werden kleiner, je weiter diese radial aussen liegen. Der Mittelpunkt MK des radial äussersten Kreises liegt noch innerhalb des Wälzkreises WKN des Nutenrotors NR, dicht bei diesem. Der Überstand des Kopfteils KTN entspricht dabei etwa dem Radius deses Kreises.

Der im achsnächsten Punkt der Nut N, bei d beginnende und bei c endende Abschnitt der voreilenden Nutflanke (vgl. den eingezeichneten Drehrichtungspfeil in Fig. 1) ist ein Kreisbogen um den Schnittpunkt i des radialen Achsstrahls 1 des Nutenrotors NR mit dem Wälzkreis WKN dieses Rotors. Der an diesen Abschnitt anschliessende, bei c beginnende und bei b endende Abschnitt stellt eine Tangente t an den Kreisbogen d-c dar. Diese Tagente t ist gleichzeitig Tangente an den anschliessenden Kreisbogen, der bei b beginnt und tangential in den den achsfernsten Punkt a des Kopfteils KTN des Nutsteges NS bildenden Abrun-dungsradius einläuft. Der Mittelpunkt MJ des Abrundungsradius liegt innerhalb des Wälzkreises WKN auf dem durch den achsfernsten Punkt a des Nutsteges NS gehenden Achsstrahl 2.

Dieser achsfernste Punkt a der in einem konvexen Bogen verlaufenden Kontur des über den Wälzkreis WKN hinausragenden Kopfteils KTN des Nutsteges NS ist, wie in Fig. 3 verdeutlicht.

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gegenüber dem Schnittpunkt eines durch die Bogenmitte des entsprechenden Wälzkreisabschnittes e'-u verlaufenden radialen Achsstrahls 2' in Richtung auf die nacheilende Flanke der Nut N peripher verschoben. Der Abstand der Schnittpunkte e' und u der beiden den Nutsteg NS bildenden Nutflanken mit dem Wälzkreis WKN desNutenrotorsNRbeträgtetwa3 bis 12% des Durchmessers des Kopfkreises KKR des in Fig. 1 dargestellten Rippenrotors RR, und der radiale Abstand des achsfernsten Punktes a der Kontur des über den Wälzkreis WKN hinausragenden Kopfteils KTN des Nutsteges NS von diesem Wälzkreis WKN weniger als 2 % des Durchmessers des Kopfkreises KKR des Rippenrotors RR.

Der Abrundungsradius a-e geht im Bereich des Wälzkreises WKN in einen Abschnitt e-g der nacheilenden Flanke der Nut N über, der durch die erwähnte abgerundete Spitze o-p der Rippe R des Rippenrotors RR als Hüllkurve erzeugt wird.

Der Rippenabschnitt p-q der Rippe R wird dabei als Hüllkurve des Kreisbogenabschnitts a-e des Nutsteges NS erzeugt, und der, an der Spitze der Rippe R beginnende Abschnitt o-m durch den bereits geschilderten Kreisbogen d-c der voreilenden Flanke der Nut N.

Der anschliessende Abschnitt m-1 der Rippe R wird durch den geradlinigen Tangentialabschnitt c-b dieser Nutflanke und der Abschnitt 1-k durch die an den geradlinigen Abschnitt c-d anschliessenden Kreisbogenabschnitte b-a und a-e gebildet.

Wie Fig. 4 zeigt, betragen hier die Schnittwinkel ai bis a7 der an die Kontur der voreilenden Hanke der Nut N gelegten Tangenten mindestens 4°, vorzugsweise 15 bis 25° und mehr.

Die Kontur des Flankenabschnittes c-d der voreilenden Flanke der Nut N durch die den Flankenabschnitt o-m der Rippe

R und der lange Flankenabschnitt d-g der Nut N durch den kurzen Flankenabschnitt o-p der Rippe R erzeugt.

Die langen Flankenabschnitte p-q der Rippe R werden durch den kurzen Flankenabschnitt a-e des Kopfteils KTN des Nutste-5 ges NS des Nutenrotors NR und der lange Flankenabschnitt m-k der Rippe R durch den kurzen Flankenabschnitt a-b des Nutsteges NS des Nutenrotors NR erzeugt.

Der Abwälzvorgang zwischen Nut- und Rippenflanken, wie in den Fig. 5a und 5f dargestellt, zeigt (vgl. Fig. 5a bis 5b), dass der io Konturverlauf des Kopfteils KT des Nutsteges NS des Nutrotors eine einwandfreie Abdichtung zwischen Nut- und Rippenflanken gewährleistet, wenn sich der Kopfteil durch den achsnahen Übergangsbereich zwischen den Rippen R des Rippenrotors RR bewegt, ferner dass die Spaltflächen sehr klein sind und die das 15 Profil bildenden Flankenabschnitte in der unmittelbaren Umgebung der Spalte strömungsgünstig verlaufen. Fig. 5c zeigt dabei besonders deutlich, dass ein im achsnächsten Punkt d der Kontur der Nut beginnender Abschnitt d-c der Nutflanke mindestens über ein Drittel, vorzugsweise über die Hälfte der Länge dieser 20 Flanke berührend an dem Flankenabschnitt o-m der Flanke der Rippe R des Rippenrotors RR anliegt, wenn der achsfernste Punkt o der Kontur dieser Rippe R den achsnächsten Punkt d der Kontur der Nut N berührt.

Aus Fig. 6 geht hervor, dass der Abstand der jeweils achsfern-25 sten Punkte o der Rippe R des Rippenrotors RR und anschliessend a des Nutsteges NS des Nutenrotörs NR beim aufeinanderfolgenden Vorbeilauf der Verschneidungskante VK der beiden einander durchdringenden Zylinder ZN und ZR des Maschinengehäuses MG einer Drehversetzung von weniger als 9° ent-3° spricht.

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7 Blatt Zeichnungen

Claims

649 131 PATENTANSPRÜCHE

1. Rotationskolbenmaschine mit einem einen durch zwei parallelachsige, einander durchdringende Zylinder (2N, ZR) gebildeten Innenraum aufweisenden Maschinengehäuse (MG), einem schraubverzahnten Rippenrotor (RR) und einem schraubverzahnten Nutenrotor (NR), welche Rotoren in Kämmeingriff sind und deren Rippen (R) bzw. Stege (NS) im wesentlichen ausserhalb bzw. innerhalb des jeweiligen Wälzkreises liegen, wobei der Konturverlauf der bei Verdichterbetrieb nacheilenden und bei Motorbetrieb voreilenden Nutflanke vom achsnächsten Punkt bis zu dem im Bereich des Wälzkreises liegenden Übergang in den Kopfteil des von beiden Nutflanken gebildeten Nutsteges durch die achsferne Spitze der entsprechenden Rippe des Rippenrotors erzeugt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die achsferne Spitze (o-p) der Rippe mit einem Radius (r) abgerundet ist, dass die Profilkontur des Nutsteges (NS) die Hüllkurve von Kreisen darstellt, deren Mittelpunkte auf einer bei Verdichterbetrieb in und bei Motorbetrieb entgegen der Rotordrehrichtung gekrümmten Linie (MKL) liegen und deren Durchmesser nach radial aussen kontinuierlich abnehmen, dass der Mittelpunkt (MK) des radial äussersten Kreises unmittelbar innerhalb des Wälzkreises ( WKN) des Nutenrotors liegt und dass der Radius des radial äussersten Kreises etwa dem Überstand des Kopfteiles (KTN) des Nutsteges (NS) über den Wälzkreis (WKN) entspricht.

2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der achsfernste Punkt (a) der in einem konvexen Bogen verlaufenden Kontur des über den Wälzkreis (WKN) hinausragenden Kopfteiles (KTN) des Nutsteges (NS) gegenüber dem Schnittpunkt dieses Bogens mit einem durch die Bogenmitte des Wälzkreisabschnitts verlaufenden radialen Achsstrahl j^') des Nutrotors (NR) in Richtung auf die im Verdichterbetrieb nacheilende bzw. im Motorbetrieb voreilende Nutflanke peripher verschoben ist (Fig. 3).

3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittwinkel der Kontur der im Verdichterbetrieb voreilenden bzw. im Motorbetrieb nacheilenden Nutflanke mit radialen Achsstrahlen des Nutrotors (NR) mindestens 4°, vorzugsweise 15 bis 20° betragen (Fig. 4).

4. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Schnittpunkte (e', u) der beiden den Nutsteg (NS) bildenden Nutflanken mit dem Wälzkreis des Nutrotors (NR) 3 bis 12% des Durchmessers des Kopfkreises (KKR) des Rippenrotors (RR) beträgt (Fig. 3).

5. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Abstand des achsfernsten Punktes (a) der Kontur des über den Wälzkreis (WKN) hinausragenden Kopfteils (KTN) des Nutsteges (NS) von diesem Wälzkreis (WKN) weniger als 2% des Durchmessers des Kopfkreises (KKR) des Rippenrotors (RR) beträgt.

6. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein im achsnächsten Punkt (d) der Kontur der Nut (N) beginnender Abschnitt (c-d) der bei Verdichterbetrieb voreilenden und bei Motorbetrieb nacheilenden Nutflanke mindestens über ein Drittel, vorzugsweise über die Hälfte der Länge dieser Flanke berührend an der Rippenflanke des Rippenrotors (RR) anliegt, wenn der achsfernste Punkt (o) der Kontur dieser Rippe (R) den achsnächsten Punkt (d) der Kontur der Nut (N) berührt (Fig. 1, 5c).

7. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelabstand, den der achsfernste Punkt (a) des Nutsteges (NS) von der Verschneidungskante (VK) des Gehäuses (MG) im Augenblick des Vorbeilaufs des achsfernsten Punktes (o) der zugehörigen Rippe (R) des Rippenrotors (RR) an dieser Verschneidungskante (VK) hat, weniger als 9' beträgt (Fig. 6).