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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehkolben- oder Schraubenrotor zum schnelldrehenden Medientransport für einen Verdichter, eine Pumpe, ein Gebläse oder dergleichen, welcher über mindestens zwei endseitig einer Rotorwelle angeordnete Lagerstellen drehbar in einer Förderkammer eines mindestens einen Zu- und einen Ablaufanschluss aufweisenden Gehäuses gelagert ist.
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Rotoren der erfindungsgegenständlichen Art werden innerhalb von beispielsweise Verdichtern für Druckluft oder Gebläsen zum Lufttransport verwendet, um das gasförmige Medium von einem Zulauf zu einem Ablauf zu transportieren und dabei gegebenenfalls zu verdichten. Unter einem Drehkolbenrotor wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Rotor verstanden, dessen Mantelfläche parallel zur Hauptachse verlaufende Anformungen oder Einsenkungen besitzt. Ein Schraubenrotor ist dagegen ein Rotor, bei dem diese Anformungen oder Einsenkungen schraubenlinienförmig mit hoher Steigung verlaufen. Beide Arten von Rotoren sind gewöhnlich je nach Anzahl der sich längs erstreckenden Anformungen mehrflügelig ausgeführt und wirken zum schnelldrehenden Medientransport mit einem korrespondierend hierzu geformten Gegenkörper formschlüssig nichtkontaktierend zusammen. Die dynamische Abdichtung erfolgt dabei lediglich durch den geringen Luftspalt und enge Toleranzen. Dementsprechend sind ein Drehkolben- oder Schraubenrotor der hier interessierenden Art sowie auch deren Gegenkörper besonders präzise zu fertigen.
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Aus dem Stand der Technik ist es daher allgemein bekannt, derartige Drehkolben- oder Schraubenrotoren massiv aus Vollmaterial herzustellen. Diese werden gewöhnlich aus geschmiedeten, warmgewalzten, warmstranggepressten oder gegossenen Rohlingen zerspanungstechnisch in Form, Maß und Toleranz gebracht. Nachteilhaft ist insbesondere das hohe Gewicht sowie der herstellungstechnische Aufwand.
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Aus der
DE 1 003 471 1 geht eine technische Lösung hervor, bei der anstatt massiver Rotoren Hohlrotoren verwendet werden. Es wird vorgeschlagen, einen Rotor für einen Drehkolbenverdichter aus mehreren Gussteilen zusammenzusetzen, welche in Normalebenen zur Rotorachse zusammenstoßen, wobei die Zähne der einzelnen Gussteile nach einer Seite offene becherförmige Hohlräume aufweisen und die Gussteile derart auf einer Rotorwelle aneinandergereiht sind, dass der hohle Rotor geschlossene Stirnseiten erhält. Zwar ist mit dieser technischen Lösung eine im Vergleich zu massiven Rotoren relative Gewichtseinsparung möglich, jedoch erscheint der verfahrenstechnische Herstellungsaufwand – insbesondere im Hinblick auf das Gießen – recht hoch.
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Aus der
DE 195 01 514 A1 geht eine andere Rotorkonstruktion hervor, die zwar leichtbauender realisiert ist, jedoch nicht für die hier interessierenden schnelldrehenden Medientransport- oder Verdichtungsanwendungen geeignet ist. Es wird vorgeschlagen, einen Rotor für langsam drehende Exzenterpumpen, Schraubenpumpen oder -motoren herzustellen, indem ein in der Ausgangsform zylindrisches Rohr in eine Wendelform gebracht wird, und zwar durch Press- oder Ziehverfahren über einen gewendelten Dorn oder/und durch eine gewendelte Matrize. Der so hergestellte Rotor ist lösbar aber verdrehsicher mit einem Antriebskopf verbunden und trägt innenseitig einen zylindrischen Stützkörper. Diese Anordnung wird über den Antriebskopf langsam drehend angetrieben, wobei der Medientransport zwischen dem gewendelten Rotor und dem Stützkörper erfolgt. Hierdurch wird eine Förderung von viskosen oder inhomogenen Massen mit festen Bestandteilen nach Art eines Schneckenförderers vorgenommen.
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Der Gedanke, einen solchen gewendelten Rotor auch als Drehkolben- oder Schraubenrotor zum schnelldrehenden Medientransport über die äußere Mantelfläche einzusetzen, scheiterte bislang an dem Vorurteil der Fachwelt, dass die eingangs erläuterten Toleranzbedingungen mit der Herstellungstechnologie des letztegenannten Standes der Technik nicht einzuhalten sind.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehkolben- oder Schraubenrotor zum schnelldrehenden Medientransport zu schaffen, dessen hohler Rotorkörper sich hochgenau und fertigungstechnisch einfach umformtechnisch herstellen lässt.
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Die Aufgabe wird ausgehend von einem Drehkolben- oder Schraubenrotor gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung oder spezielle Anwendungen wieder.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass ein hohler Rotorkörper aus einem kaltgewalzten Metallblech hergestellt ist, dessen offene Stirnseiten über sich radial erstreckende Drehmomentübertragungsmittel an der Rotorwelle angekoppelt sind, so dass sich ein geschlossener Körper bildet, wobei der in der Endform über seine Mantelfläche unmittelbar dichtende hohle Rotorkörper mit einem massiven oder ebenfalls hohlen Gegenkörper zusammenwirkt.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass ein besonders leichter Drehkolben- oder Schraubenmotor erzeugbar ist, welcher sich materialsparend herstellen lässt. Durch den extremen Leichtbau ist auch weniger Antriebsenergie erforderlich, um den erfindungsgemäßen Drehkolben- oder Schraubenrotor in die gewünschte schnelldrehende Bewegung zu versetzen. Durch die geringe Schwungmasse bei hohen Drehzahlen wirken daneben auch vergleichsweise geringe Kräfte auf die Lagerstellen der Rotorwelle, die daher kleiner dimensioniert werden können. Der erfindungsgemäße Drehkolben- oder Schraubenrotor zeichnet sich weiterhin durch eine hohe Dynamik, kurze Beschleunigungszeiten und verbesserte Betriebskennlinie aus. Wegen der zumindest überwiegenden umformtechnischen Herstellung durch das spezielle Fertigungsverfahren des Kaltwalzens entsteht – wenn überhaupt – ein nur geringer zerspannungstechnischer Fertigungsanteil.
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Gemäß einer die Erfindung verbesserden Maßnahme ist vorgesehen, dass die Rotorwelle in einen ersten Wellenzapfen sowie einen zweiten Wellenzapfen unterteilt ausgeführt ist, deren jeweiligen proximalen Enden über eine koaxial hieran befestigte Mitnehmerscheibe mit dem stirnseitigen Randbereich des Hohlkolbens verbunden ist. Somit braucht die Rotorwelle nicht mehr durchgängig ausgeführt werden, sondern nur noch im Lagerbereich beidseits des hohlen Rotorkörpers. Eine Verbindung mit dem hohlen Rotorkörper erfolgt über die Mitnehmerscheiben, die gleichzeitig zur Drehmomentenübertragung im Sinne einer Funktionsintegration den hohlen Rotorkörper auch stirnseitig schließen, so dass dieser ein vorteilhaft vollkommen abgeschlossenes Volumen bildet. Alternativ hierzu kann die Rotorwelle trotzdem auch durchgängig ausgeführt und/oder mit den Mitnehmerscheiben einstückig ausgebildet sein.
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Vorzugsweise sollte die Querschnittskontur im stirnseitigen Randbereich des Hohlkolbens gleich der Querschnittskontur der hieran zu befestigenden Mitnehmerscheibe sein. Denn dies bildet die Voraussetzung dafür, die Mitnehmerscheibe in die jeweiligen Endbereiche der hohlen Rotorwelle zumindest teilweise einzusetzen und anschließend vorzugsweise dicht zu verschweißen. Zur Bestimmung der Einstecktiefe kann die Mitnehmerscheibe auch mit einem umlaufenden Bund versehen werden. Das Dichtschweißen erfolgt vorzugsweise durch verzugsarmes Hybridschweißverfahren bei dem Werkstoffeigenschaften, Qualität und Maßhaltigkeit berücksichtigt werden.
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Gemäß einer weiteren, die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Befestigung der proximalen Enden der Rotorwellenteile an der Mitnehmerscheibe vorzugsweise über Schraubmittel erfolgt. Denn hierdurch ist es möglich, die Rotorwellenteile oder den hohlen Rotorkörper im Verschleißfall auszutauschen, ohne dass die gesamte aus Rotorwellenteilen, Mitnehmnerscheiben und hohlem Rotorkörper bestehende Rotoranordnung getauscht werden muss. Eine Lösesicherung der Schraubverbindung sollte allerdings vorgesehen werden. Alternativ hierzu ist es auch denkbar, die Verbindungsstelle zwischen Rotorwellenteil und Mitnehmerscheibe ebenfalls durch Schweißen auszuführen. Alle vorstehend genannten Bauteile sind insoweit vorzugsweise aus einem schweißbaren Material herzustellen.
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Es ist denkbar, die als Wellenzapfen ausgebildeten Rotorwellenteile aus einem Vollprofil spanend, insbesondere durch Drehen aus Stahl herzustellen. In diesem Falle können die Wellenzapfen verschiedene angedrehte Absätze aufweisen, um Lagersitze für Kugellager oder dergleichen zu bilden. Daneben ist es auch denkbar, die Wellenzapfen in Weiterführung des allgemeinen Erfindungsgedankens ebenfalls aus einem Hohlmaterial umformtechnisch herzustellen, um eine weitere Gewichtseinsparung zu erzielen. Hierbei ist jedoch insbesondere hinsichtlich der Wandstärken anhand der dynamischen Belastung zu dimensionieren.
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Gemäß einer anderen, die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass der hohle Rotorkörper zumindest teilweise mit einem thermisch und/oder schallisolierenden Leichtbaustoff gefüllt ist. Durch diese Maßnahme kann eine effiziente Resonanzabstimmung des hohlen Rotorkörpers mit dem Drehzahlband für den Betrieb vorgenommen werden, um die Schallemission zu reduzieren. Ferner wirkt die Füllung des hohlen Rotorkörpers in Richtung Wellenenden auch thermisch isolierend, so dass eine thermische Belastung von den Lagerstellen fern gehalten wird.
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Hat der Rotorkörper besonders enge Toleranzen zu erfüllen, die beispielsweise in der Verdichter- und Gebläsetechnik gefordert sind, so wird vorgeschlagen, den zuvor umformtechnisch hergestellten hohlen Rotorkörper final spanend durch Schleifen zu bearbeiten, um diesen auf das geforderte Passungsmaß zu bringen. Wegen des recht präzise durchführbaren erfindungswesentlichen Umformschritts des Kaltwalzens des hohlen Rotorkörpers ist beim finalen Schleifen nur ein geringer Materialabtrag zu bewirken. Somit lässt sich auch ein hochpassgenauer aber hohler Rotorkörper effizient fertigen.
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Der erfindungsgemäß hohle Rotorkörper eignet sich insbesondere zur Bildung eines mehrflügeligen Schraubenrotors, eines mehrflügeligen Drehkolbenrotors, eines Zahnradrotors oder Klauenrotors. Hiermit lassen sich gemäß allgemein bekannter Bauprinzipe Verdichter zum Komprimieren von Gasen, Gebläse zum Fördern von Gasen, mit Erzeugung von Druck oder Unterdruck bis hin zu Vakuum, insbesondere jedoch Druckluft herstellen.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
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1 eine Explosionsdarstellung eines Drehkolbenrotors mit einem hohlen Rotorkörper,
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2 eine schematische Teilschnittdarstellung des Drehkolbenrotors nach 1,
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3 eine Seitenansicht eines Schraubenrotors mit einem hohlen Rotorkörper,
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4 einen Querschnitt durch eine vierflügelige Schraubenrotorpaarung,
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5 einen Querschnitt durch eine dreiflügelige Schraubenrotorpaarung, und
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6 einen Querschnitt durch eine dreiflügelige Drehkolbenrotorpaarung.
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Gemäß 1 ist ein in Explosionsdarstellung gezeigter Drehkolbenrotor in einem hier nur angedeuteten Gehäuse 1 drehbar gelagert, wobei ein Medientransport durch eine innenliegende Förderkammer 2 ausgehend von einem Zulaufanschluss 3 (Ansauganschluss) zu einem Ablaufanschluss 4 (Druckanschluss) erfolgt. Eine Rotorwelle 5 ist drehbar über zwei endseitige Lagerstellen 6a und 6b gegenüber dem ortsfesten Gehäuse 1 gelagert. Ein mit einem hohlen Rotorkörper 7 zusammenwirkender Gegenkörper zur Erzielung der Medientransportwirkung ist in dieser Ansicht verdeckt.
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Der hohle Rotorkörper 7 ist aus einem präzise kaltgewalzten Metallblech hergestellt. Die offenen Stirnseiten 8a und 8b des hohlen Rotorkörpers 7 sind über sich radial erstreckende Drehmomentübertragungsmittel in Form von Mitnehmerscheiben 9a bzw. 9b an der Rotorwelle 5 angekoppelt. Die Rotorwelle 5 ist nicht durchgängig gestaltet, sondern besteht aus einem ersten Wellenzapfen 10a und einem zweiten Wellenzapfen 10b, die jeweils über ihre proximalen Enden koaxial an der je zugeordneten Mitnehmerscheibe 9a bzw. 9b angebracht sind. Die Querschnittskontur im stirnseitigen Randbereich des hohlen Rotorkörpers 7 entspricht der Querschnittskontur der hieran zu befestigenden Mitnehmerscheibe 9a bzw. 9b, so dass diese durch dichtes Verschweißen deckelartig den hohlen Rotorkörper 7 verschließen.
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Gemäß 2 sind in diesem Ausführungsbeispiel die Wellenzapfen 10a und 10b als Vollprofile ausgeführt, welche spanend durch Drehen aus Stahl hergestellt werden. Die Wellenzapfen 10a und 10b besitzen mehrere Absätze zur Ausbildung von Dichtringsitze, Lagersitze und Zahnradsitze. Die Mitnehmerscheibe 9b (exemplarisch) ist in der dargestellten montierten Stellung in den Endbereich des hohlen Rotorkörpers 7 derart eingeschoben, dass ein bündig stirnseitiger Abschluss erzielt wird. Bei dieser Ausführungsform ragt außerdem der Wellenzapfen 10b (exemplarisch) in das Innere des hohlen Rotorkörpers 7 hinein. Die Befestigung der vorgenannten Bauteile miteinander erfolgt in dieser Ausführungsform ausschließlich durch Schweißen. Die Außenoberfläche 11 des dreiflügeligen Drehkolbenrotors ist nach dem Umformen final auf Passung geschliffen.
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In der 3 ist als weitere Variante ein Schraubenrotor dargestellt, der analog zu dem vorstehend detailliert beschriebenen Drehkolbenrotor aufgebaut ist, jedoch mit dem Unterschied, dass der hohle Rotorkörper 7' umformtechnisch mit einem Schraubenrotorprofil versehen ist.
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Gemäß 4 wirkt mit einem hier vierflügeligen Schraubenrotor mit hohlem Rotorkörper 7'' ein Gegenkörper 12'' zusammen, dessen Hohlkörper ebenfalls durch Kaltwalzen von Metallblechen hergestellt ist. Der Rotorkörper 7'' sowie dessen Gegenkörper 12'' wirken unmittelbar dynamisch dichtend über ihre Mantelflächen 11'' und 13'' zusammen.
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Die 5 zeigt die Variante eines dreiflügeligen Schraubenrotors in analogem Zusammenwirken eines hohlen Rotorkörpers 7'' mit einem korrespondierend hierzu geformten hohlen Gegenkörper 12'''.
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In der 6 ist als weitere exemplarische Ausführungsform das Zusammenwirken eines dreiflügeligen Drehkolbenrotors 7'''' mit einem ebenfalls dreiflügeligen Gegenkörper 12'''' dargestellt. Der Querschnitt durch das Profil aus der Explosionszeichnung aus 1 entspricht dem dreiflügeligen Rotor aus der 6.
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Auch das Zusammenwirken eines zweiflügeligen Drehkolbenrotors mit einem ebenfalls dreiflügeligen Gegenkörper ist möglich. Im Übrigen sind auch andere Querschnittsformen denkbar, wie beispielsweise Zahnradrotorprofile oder auch Klauenrotoren, wie diese hinsichtlich des Querschnitts bereits aus dem allgemeinen Stand der Technik hervorgehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Förderkammer
- 3
- Zulaufanschluss
- 4
- Ablaufanschluss
- 5
- Rotorwelle
- 6
- Lagerstelle
- 7
- hohler Rotorkörper
- 8
- Stirnseite
- 9
- Mitnehmerscheibe
- 10
- Wellenzapfen
- 11
- Mantelfläche
- 12
- Gegenkörper
- 13
- Mantelfläche des Gegenkörpers
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10034711 [0004]
- DE 19501514 A1 [0005]
