CH659688A5

CH659688A5 - Schraubenverdichter.

Info

Publication number: CH659688A5
Application number: CH5036/82A
Authority: CH
Inventors: James L Bowman
Original assignee: Ingersoll Rand Co
Priority date: 1981-08-25
Filing date: 1982-08-24
Publication date: 1987-02-13
Also published as: IT8222643A0; IE53163B1; DK166292C; SE8204074D0; ATA318282A; BR8204952A; IE821996L; FI822935A0; SE8204074L; DD202751A5; SU1440356A3; SE455525B; DE3230720C2; FR2512105B1; DK360982A; IL66430A0; JPH0336121B2; AT402091B; DE3230720A1; IL66430A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schraubenverdichter, bestehend aus einer Spindel mit schraubenförmigen Gängen und dazwischenliegenden Rillen, die um eine Achse so innerhalb eines zusammenwirkenden Maschinengehäuses rotierbar angeordnet ist, und aus einer, mit der ersten Spindel verwundenen zweiten Spindel, wobei in das Gehäuse gelangendes Fluid in den Rillen aufgenommen und durch die Verwindung und die Rotation der Spindeln im Druck geändert 55 wird.

Es sind viele Spindelprofile bekannt, die für die hier bezeichneten Maschinen verwendet werden und die die Leistungsfähigkeit dieser Maschinen verbessert haben. Beispiele davon sind in den US-Patentschriften Nr. 3 423 017 und Nr. 60 4 028 026 zu finden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Schraubenverdichter mit wirkungsvollem Spindelprofil zu schaffen, welches die Leistungsfähigkeit von Maschinen verbessert, indem der Druckwinkel zwischen den Spindeln verbessert wird und 65 indem Dichtungsflächen zwischen drehender und gedrehter Spindel geschaffen werden, welche die gedrehte Spindel durch Gasdruck in einem geschlossenen Raum in positiver oder vorwärtsdrehender Richtung belasten und drehen.

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Entsprechend der Erfindung wird ein Schraubenverdichter geschaffen, dessen Spindel schraubenförmige Gänge um' Rillen aufweist, die in einem Maschinengehäuse um eine Achse rotierbar ist und mit einer zweiten Spindel zusammenwirkt, so dass in dieses Gehäuse einströmendes Fluid von den Rillen aufgenommen wird. Durch die schraubenförmige Ver-windung und durch die Rotation der Spindeln wird der Druck im Verdichtungsraum geändert. Die Flanken der Rillen der ersten Spindel sind im wesentlichen konkav, wobei jede Rille relativ zur Drehrichtung eine vordere und eine hintere Flanke aufweist und wobei ein erster Abschnitt der vorderen Flanke ein Ellipsenabschnitt ist.

Weitere Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der zugehörigen Zeichnungen, in welchen zeigen:

Fugur 1 eine Strichzeichnung eines Profils eines Teils einer ersten weiblichen Spindel,

Figur 2 eine Strichzeichnung eines Profils eines Teils einer zusammenwirkenden, drehenden, männlichen Spindel,

Figur 3 eine Strichzeichnung der vollständigen Profile der zusammenwirkenden Spindeln der Figuren 1 und 2,

Figur 4 eine Darstellung der Leistungskurven von Schraubenverdichtern.

Wie in Figur 1 gezeigt, weist die gedrehte, weibliche Spindel 10 sechs schraubenförmige Zähne 12 auf, wobei lediglich zwei vollständig gezeichnet sind, und eine gleiche Anzahl dazwischenliegender schraubenförmiger Rillen 14, wobei auch hier nicht alle dargestellt sind. Bezüglich der zusammenwirkenden, männlichen Spindel (Fig. 2) besitzt die weibliche Spindel 10 einen Grundkreis 16 und eine Drehachse 18.

Befinden sich die beiden Spindeln in gegenseitigem Eingriff, liegt die Drehachse 18 in der gleichen Ebene 20 wie die Drehachse der männlichen Spindel.

Entsprechend der Erfindung ist das Profil der weiblichen Spindel 10 wie folgt definiert. Der Abschnitt B-C des weiblichen Laufrades 10 ist ein kreisförmiger Bogen 22 mit dem Mittelpunkt auf dem Grundkreis 16. Der kreisförmige Bogen 22 beginnt unterhalb der Ebene 20 und erstreckt sich ein wenig mehr als bis zur Mitte der gedrehten Vorderflanke 24 der Spindel. Der Abschnitt C-D der weiblichen Spindel 10 ist ein Evolventenabschnitt 26, der tangential zum kreisförmigen Bogen 22 in C ist. Der Evolventenabschnitt 26 endet dort, wo er den Grundkreis der weiblichen Spindel 16 schneidet. Der Abschnitt D-E der weiblichen Spindel 10 ist ein Ellipsenabschnitt 28, der im Punkt D tangential zum Evolventenabschnitt 26 und bei E tangential zum äusseren Kreis 30 ist. Der Abschnit E-Ei der weiblichen Spindel ist ein Teil eines kreisförmigen Bogens 32.

Der Abschnitt B-A der weiblichen Spindel ist eine Epitro-choide 34, die durch einen Punkt H der männlichen Spindel (Fig. 2) erzeugt wird. Der Punkt A liegt auf dem Grundkreis 16 der weiblichen Spindel. Der Abschnitt A-Ei der weiblichen Spindel ist ein kreisförmiger Bogen 36, dessen Zentrum auf dem Grundkreis 16 der weiblichen Spindel liegt und der tangential zum Abschnitt 32 ist und durch den Punkt A geht.

Wie in der Figur 2 gezeigt, weist die männliche Spindel 38 fünf schraubenförmige Gänge 40, wobei nur ein Gang vollständig gezeichnet ist, und eine gleiche Anzahl dazwischenliegender, schraubenförmiger Rillen 42 auf, wobei lediglich zwei davon gekennzeichnet sind.

Bezüglich seiner zusammenwirkenden, weiblichen Spindel 10 (Fig. 1) besitzt die männliche Spindel 38 einen Grundkreis 44 und eine Drehachse 46. Wie bereits erwähnt, liegen die Achsen 18 und 46 bei zusammenwirkendem Eingriff in der gleichen Ebene.

Das Profil der männlichen Spindel 38 ist wie folgt definiert. Der Abschnitt H-I der männlichen Spindel 38 ist ein kreisförmiger Bogen 48, wobei sein Zentrum auf dem Grundbogen 44 der männlichen Spindel liegt. Der kreisförmige Bogen 48 ist identisch mit dem kreisförmigen Bogen 22 (B-C) der weiblichen Spindel 10. Der Abschnitt H-J ist ein erzeugter Abschnitt 50, der durch den Evolventenabschnitt 26 (D-C) der weiblichen Spindel 10 erzeugt wird. Der Abschnitt J-K ist ein erzeugter Abschnitt 42, der durch den Ellipsenabschnit 28 (D-E) der weiblichen Spindel erzeugt wird. Der Abschnitt K-Ki ist ein kreisförmiger Bogen 54. Der Abschnitt G-H ist ein Epizykloid 56, das durch den Punkt A der weiblichen Spindel 10 erzeugt wird. Der Abschnitt G-Ki ist ein kreisförmiger Bogen 58, dessen Zentrum auf dem Grundkreis 44 liegt. Wie die Figur 3 zeigt, sind die Spindeln 10 und 38 in wechselseitigem Eingriff, wobei der Evolventenabschnitt 26 der weiblichen Spindel 10 mit der erzeugten Abschnitt 50 (I-J) der männlichen Spindel 38 eine im wesentlichen dichtende Grenzfläche definiert. Der dazwischenliegende Druckwinkel ist etwa 40°. Wenn der elliptische Abschnitt 28 (D-E) der weiblichen Spindel 10 sich auf dem erzeugten Abschnitt 42 (J-K) der männlichen Spindel befindet (wie in Fig. 3 gestrichelt eingezeichnet), ist der dazwischenliegende Druckwinkel im wesentlichen unverändert.

Die Lage, d.h. der Beginn, die Erstreckung und das Ende des Evolventenabschnitts 26 und des ellipsischen Abschnittes 28 sind kritisch in bezug auf den erwähnten Druckwinkel. Zum Zweck der vollständigen Offenbarung wird der Ausgangspunkt des Evolventenabschnitts dargelegt. Die weibliche Spindel 10 hat einen Aussendurchmesser, der durch den Kreis 30 definiert ist, während die Einbuchtungen 14 in innerster radialer Lage Punkte aufweisen, die einen minimalen Durchmesser 60 der Einbuchtungen festlegen.

Der Evolventenabschnitt 26 endet am Grundkreis (bei D) und verschmilzt sanft mit dem anstossenden elliptischen Abschnitt 28. Der letztere verschmilzt sanft mit dem anstossenden äussersten und Kreisförmigen Abschnitt 32.

Bei dieser 5/6 Konfiguration der Spindel (d.h. fünfgän-gige männliche Spindel und sechszähnige weibliche Spindel) gibt es weitere geometrische Grösse, die Funktion der minimalen erlaubten Zahnbreite, der Länge des elliptischen Abschnitts 28 und des Evolventenabschnitts 26, als auch der Berührungsfläche des erzeugten Abschnitts 34 und des kreisförmigen Abschnitts 22 ist. Die Berührungsfläche befindet sich beim Punkt B und der äussere Endpunkt des elliptischen Abschnitts 28 beim Punkt E (auf dem äusseren Durchmesser 30). Nun, eine Gerade 62 durch den Grenzpunkt B und den vorher erwähnten Punkt E muss im wesentlichen durch den Anfangspunkt C des Evolventenabschnitts 24 führen.

Neben dem vorher erwähnten verbesserten Druckwinkel weist das Spindelprofil Dichtungspunkte 64, 66 und 68 (Fig. 3) auf, die gemeinsam einen Raum 70 vom komprimitiertem Gas definieren. Der Dichtungspunkt 64 ist im wesentlichen eine Dichtungsfläche von beachtlicher Wirksamkeit. Der Dichtungspunkt 64 liegt auf demEvolventenabschnitt 26 der weiblichen Spindel 10 und dem erzeugten Abschnitt 50 der männlichen Spindel. Die Dichtungspunkte 66 und 68 sind im wesentlichen punktförmige Dichtungsstellen und deshalb von begrenzter Wirksamkeit. Der Dichtungspunkt 66 ist bestimmt durch die Grenzfläche zwischen dem Punkt H auf der männlichen Spindel 38 und der erzeugten Fläche 34 auf der weiblichen Spindel 10. Der Dichtungspunkt 68 ist bestimmt durch die Grenzfläche zwischen dem Punkt A auf der weiblichen Spindel 10 und der erzeugten Fläche 56 auf der männlichen Spindel. Die Spindeln wirken nun solchermassen zusammen, dass ein Raum 70 mit einer Konfiguration und Wirkung erzeugt wird, der ein positives Drehmoment auf die weibliche Spindel ausübt und die Wirksamkeit der Dichtungspunkte 66 und 68 verbessert. Dies wird im folgenden Text näher erläutert.

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Wie in Figur 3 gezeigt, bewirken die Spindeln Drehungen entsprechend den eingezeichneten Pfeilen, wobei die weibliche Spindel im Uhrzeigersinn und die männliche Spindel im Gegenuhrzeigersinn dreht. Der Raum 70 hat die Form eines Halbmondes, wodurch der grössere Anteil des Gasdrucks auf die ansteigende Flanke des Zahnes der weiblichen Spindel ausgeübt wird, und auf diese ein Drehmoment in positiver Richtung und im Uhrzeigersinn ausübt. Gleichfalls bewirkt der Gasdruck in diesem Raum einen gleich grossen Druck auf die ansteigende Flanke eines Ganges der männlichen Spindel aus. Dadurch werden die weniger gesicherten Dichtungspunkte 66 und 68 zueinander hin bewegt oder geschoben, wodurch ihre kritische Dichtungswirkung verbessert wird.

Die Einzelheiten der bisher lediglich in groben Zügen dargestellten Technik sollen nun im folgenden dargelegt werden. Die geschickte Ausführung in den Verfeinerungen der Profile, der Druckwinkel und der Geometrie scheint auf den ersten Blick wenig signifikant.

Solche Verfeinerungen sind jedoch ein wesentlicher Fortschritt der Technik, wenn sie die Wirkungsweise von Maschinen und die Einsparung von Energie bewirken. Die hier beschriebenen neuen Profile sind solche empfehlenswerte Verbesserungen. Die Figur 4 zeigt Leistungskurven von vergleichbaren Schraubenkompressoren, die auf dem Markt erhältlich sind und die hier mit den Buchstaben «G» und «K» bezeichnet sind. Die Kurve «I» stammt von einem Prototyp der ersten Generation von Schraubenkompressoren, der entsprechend der Erfindung gebaut wurde. Die Kurve II

stammt von einem späteren, einem Prototyp der zweiten Generation, der genauer und mit noch mehr Aufwand entsprechend der Erfindung gebaut wurde. Es ist offensichtlich, dass der geringere Energieverbrauch und der vergleichsweise 5 flache Anstieg der Kurve «II» eine wesentliche Verbesserung der Technik anzeigen. Diese wird erreicht durch die hier beschriebene Verfeinerung des neuen Profils, der verbesserten Druckwinkel und der speziellen Profilgeometrie.

Zusätzlich zu dem bereits erwähnten, weist speziell die io weibliche Spindel weitere geometrische Ausbildungen auf, die seine Wirksamkeit erhöhen. Beispielsweise besitzt.ein kreisförmiger Bogen 72, der um einen Mittelpunkt im Zentrum des vorderen Punktes B der erzeugten Fläche 34 gezeichnet wird, und der durch den hinteren Punkt A der 15 erzeugten Fläche 34 führt, einen Radius, der im wesentlichen exakt doppelt so gross ist wie ein kreisförmiger Bogen 74, der um einen Mittelpunkt im Punkt C des Evolventenabschnittes 26 gezeichnet wird, und der durch den Punkt D des elliptischen Abschnitts 28 führt. Der elliptische Abschnitt 28 20 umfasst einen radialen Kreisbogen 76, der nicht kleiner ist als der doppelte Kreisbogen 78, der vom kreisförmigen Bogen 36 umfast wird. Die Breite des Profils des Zahns (oder der Zähne) 12 an der radial äussersten Fläche E-Ei ist kleiner als ein Drittel der Breite durch das Profil an der Stelle des 25 Anfangspunktes C des Evolventenabschnittes 26.

Die Geometrien, relativen Dimensionen und Relationen wurden sorgfältig abgeleitet und definiert und ergeben Profile mit verbesserten Wirkungen für die neuen Spindeln 10 und 38.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Schraubenverdichter bestehend aus einer Spindel mit schraubenförmigen Gängen (12) und dazwischenliegenden Rillen (14), die um eine Achse (18) innerhalb eines zusammenwirkenden Maschinengehäuses rotierbar angeordnet ist, und aus einer mit der ersten Spindel verwundenen zweiten Spindel, wobei in das Gehäuse gelangendes Fluid in den Rillen (14) aufgenommen und durch die Verwindung und die Rotation der Spindeln (10,38) im Druck geändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken der Rillen (14) der ersten Spindel (10) im wesentlichen konkav sind, dass jede Rille (14) eine vordere Flanke und eine hintere Flanke entsprechend der Drehrichtung der ersten Spindel (10) aufweist und dass der erste Teil der vorderen Flanke ein Ellipsenabschnitt (28) ist.
2. Schraubenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Teil der vorderen Flanke der ersten Spindel einen kreisförmigen Abschnitt (22) beschreibt.
3. Schraubenverdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Teil der vorderen Flanke der ersten Spindel ein Evolventenabschnitt (26) ist.
4. Schraubenverdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass einer der drei Teile der Hauptteil der vorderen Flanke umfasst.
5. Schraubenverdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass einer der drei Teile einen untergeordneten Teil der vorderen Flanke umfasst.
6. Schrauben Verdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass einer der drei Teile einen mittleren Teil der vorderen Flanke umfasst.
7. Schraubenverdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptteil den kreisförmigen Abschnitt (22) umfasst.
8. Schraubenverdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der untergeordnete Teil den Ellipsenabschnitt (28) umfasst.
9. Schraubenverdichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Teil den Evolventenabschnitt (26) umfasst.
10. Schraubenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Teile der vorderen und hinteren Flanke der ersten Spindel einen kreisförmigen Bogen (22) beschreiben.
11. Schraubenverdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Evolventenabschnitt (26) zwischen dem kreisförmigen Abschnitt (22) und dem Ellipsenabschnitt (28) liegt und diesen Teilen benachbart ist.
12. Schraubenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spindel (10) einen Grundkreis (16) mit dem Mittelpunkt auf der Achse (18) aufweist, und dass der Ellipsenabschnitt (28) ausserhalb dieses Grundkreises (16) liegt.
13. Schraubenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der vorderen Flanke der ersten Spindel einen Evolventenabschnitt (26) ist, und dass der Evolventenabschnitt (26) innerhalb eines Grundkreises (16) mit dem Mittelpunkt auf der Achse (18) liegt.
14. Schraubenverdichter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ellipsenabschnitt (28) und der Evolventenabschnitt (26) benachbart sind.
15. Schraubenverdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spindel (10) einen gegebenen Aussendurchmesser (30) aufweist, dass jede Rille (14) einen radial innersten Punkt aufweist, der auf einem gemeinsamen gegebenen Radius bezüglich der Achse (18) liegt, wobei der Radius für die erste Spindel (10) einen minimalen Rillendurchmesser (60) definiert, und dass der Evolventenabschnitt (26) sich auf der vorderen Flanke nach aussen erstreckt,

wobei der Anfangspunkt (C) im wesentlichen mittig zwischen dem Aussendurchmesser (30) und dem minimalen Rillendurchmesser (60) liegt.
16. Schraubenverdichter nach Anspruch 15, dadurch

5 gekennzeichnet, dass die vordere Flanke mit einer benachbarten Fläche verschmilzt, wodurch ein Flankenendpunkt (E) definiert wird, dass der kreisförmige Abschnitt (22) zur hinteren Flanke führt, wo ein Grenzpunkt (B) definiert ist, und dass eine Gerade (62) durch den Flankenendpunkt (E) und io den Grenzpunkt (B) durch den Anfangspunkt (C) des Evolventenabschnitts (26) führt.
17. Schraubenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ellipsenabschnitt (28) in ein angrenzendes Gebiet übergeht, dass das angrenzende Gebiet in eine

15 hintere Flanke einer nächstliegenden Rille durch einen weiteren kreisförmigen Bogen (36) übergeht, und dass der Ellipsenabschnitt (28) bezüglich der Achse (18) einen radialen Bogen (76) umfasst, der mindestens doppelt so gross wie der Bogen (78) des anderen kreisförmigen Bogens (36) ist.

20 18. Schraubenverdichter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die hintere Flanke einen erzeugten Abschnitt mit hinteren und vorderen Punkten umfasst, dass der Ellipsenabschnitt (28) vordere und hintere Punkte (B, A) aufweist, und dass ein kreisförmiger Bogen mit Mittelpunkt

25 im vorderen Punkt (B) dieses erzeugten Abschnitts vorhanden ist, der durch den hinteren Punkt (A) des erzeugten Abschnitts führt, einen Radius (72) besitzt, der exakt zweimal so gross ist wie der Radius eines kreisförmigen Bogens (74), gezeichnet um den Anfangspunkt (C) des Evolventenab-

30 schnitts (26), wobei der Bogen durch den hinteren Punkt (D) des Elìipsenabschnittes (28) führt.
19. Schraubenverdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ellipsenabschnitt (28) einen Bogen (76) umfasst, der nicht kleiner ist als zweimal der radiale

35 Bogen (78), umfasst durch den kreisförmigen Abschnitt (36).
20. Schraubenverdichter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine der vorderen Flanken und eine hintere Flanke einer in der Drehrichtung nachfolgenden Rille einen Zahn (12) definieren, und dass der Zahn (12) an der

4o radial äussersten Fläche (E-El) eine Breite aufweist, die kleiner ist als ein Drittel der Breite des Zahns an der Stelle des Anfangspunktes (C) des Evolventenabschnitts (26).