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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Förderschraube als Läufer oder Gegenläufer eines Förderschraubenpaares einer Schraubenpumpe.
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Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Schraubenpumpen mit Förderschrauben bekannt. Schraubenpumpen fördern Flüssigkeiten aller Art infolge der Verdrängungswirkung ihrer zylindrischen, auf dem Umfang mit Schraubennuten versehenen und paarweise ineinandergreifenden Läufer. Im Bereich ihres maximalen gegenseitigen Eingriffs stehen sich die Profilflanken der Läufer bevorzugt parallel gegenüber, berühren sich jedoch nicht. Die Größe des verbleibenden Spalts bestimmt die Rückströmverluste zwischen aufeinanderfolgenden Förderkammern, die durch den Eingriffsbereich voneinander getrennt sind. Die verbleibenden Spalte bestimmen das Kennfeld und den Wirkungsgrad der Schraubenpumpen.
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Läuferprofile können verschiedenartig gestaltet sein. Insbesondere wird zwischen symmetrisch und asymmetrisch ausgebildeten Läuferprofilen unterschieden. Nachteilig an den symmetrischen Läuferprofilen ist, dass sie relativ große, profilbedingte Flankenspalte aufweisen, die zu recht großen Spaltströmungsverlusten führen. Der Wirkungsgrad derartiger Schraubenpumpen ist somit nicht zufriedenstellend. Um den volumetrischen Wirkungsgrad weiter zu verbessern, sind auch Förderschrauben von Schraubenpumpen bekannt, bei denen die Flankenprofile aus mehreren unterschiedlich geformten Abschnitten bestehen. Durch derartige Ausgestaltungen soll erreicht werden, dass der Flankenspalt möglichst gering ausfällt, wodurch der Durchsatz erhöht werden kann.
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Die
GB 2 418 455 A zeigt beispielsweise eine Schraubenrotormaschine mit einem männlichen und einem weiblichen Rotor. Das Zahnstangenprofil ist durch zwei Zykloidkurven gebildet.
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Die
DE 2 234 777 A offenbart eine Schraubenmaschine mit zwei Rotoren als Haupt- und Nebenläufer, wobei im Querschnitt die Zahnflanken des Hauptläufers im Wesentlichen konvex und die Zahnflanken des Nebenläufers im Wesentlichen konkav ausgebildet sind.
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Die
DE 686 298 A beschreibt eine Schraubenpumpe mit zwei oder mehreren ineinandergreifenden Spindeln, wobei die Spindeln nur je eine Gewindekammflanke mit einem konkaven Querschnittprofil und die anderen Flanken ein Profil mit vorwiegend konvexem Querschnitt aufweisen.
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Die
DE 84 34 596 U1 betrifft einen Drehkolbenverdichter mit mindestens zwei Rotoren, einem Haupt- und einem Nebenläufer, wobei die Zahnprofile des Hauptläufers im Wesentlichen konvex und die Zahnflanken im Wesentlichen konkav ausgebildet sind.
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Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine alternative Förderschraube zu schaffen, durch die eine hohe Förderleistung erreicht werden kann. Ferner soll die Förderschraube eine hohe Robustheit auch gegenüber stark verunreinigten Fördermedien aufweisen, sowie einfach in ihrer Herstellung sein.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Förderschraube als Läufer oder Gegenläufer eines Förderschraubenpaares für Schraubenpumpen gemäß Anspruch 1, sowie eine Schraubenpumpe nach Anspruch 7.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale auch in beliebiger und technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und somit weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen.
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Die erfindungsgemäße Förderschraube als Läufer oder Gegenläufer eines Förderschraubenpaares einer Schraubenpumpe zeichnet sich durch ein Läuferprofil aus, dessen Profilflanke, im Querschnitt senkrecht zur Achse der Förderschraube gesehen, einen inneren Flankenabschnitt mit konkavem Verlauf aufweist, der am Innendurchmesser der Förderschraube tangential in die Kreislinie des Innendurchmessers übergeht.
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Durch eine derartig ausgestaltete Profilflanke wird erreicht, dass der Flankenspalt zwischen Förderschrauben eines Förderschraubenpaars verringert wird. Ferner wird durch eine derartige Profilflanke die Konturfläche der Profilflanke bei Beibehaltung des äußeren Ausmaßes der Förderschraube vergrößert. Hierdurch vergrößert sich das Volumen der Förderkammer, so dass dadurch auch die Fördermenge erhöht werden kann. Indem erfindungsgemäß die Erhöhung des Volumens nicht wie üblich durch eine Vergrößerung des Durchmessers der Förderschraube erfolgt, wodurch zum einen höhere Kosten entstehen und zum anderen höhere Leistungsverluste durch Reibung hingenommen werden mussten, verringert sich vorliegend der Leistungsbedarf. Mit den gleichen äußeren Ausmaßen wie bei einer bekannten Förderschraube wird somit erfindungsgemäß der volumetrische Wirkungsgrad erhöht.
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Der Verlauf des inneren Flankenabschnitts ist durch eine erste Zykloide bestimmt. Hierdurch können bei einem Förderschraubenpaar die zwischen den Förderschrauben verbleibenden Spalte weiter verringert werden. Der innere Flankenabschnitt kann sich vom Innendurchmesser bis zu einer Höhe von 20% der Profilhöhe, bevorzugt bis 25% der Profilhöhe, erstrecken.
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Die erfindungsgemäße Förderschraube weist einen äußeren Flankenabschnitt auf, der sich bis zum Außendurchmesser der Förderschraube erstreckt. Durch das Vorhandensein von zwei Abschnitten kommt es zu einer Reduzierung des Flankenspalts, wodurch der Wirkungsgrad weiter verbessert wird. Besonders bevorzugt ist der Verlauf des äußeren Flankenabschnitts durch eine zweite Zykloide bestimmt. Der äußere Flankenabschnitt kann ferner konkav verlaufen.
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Vorteilhafterweise verläuft der äußere Flankenabschnitt zumindest teilweise konvex. Hierdurch kann vermieden werden, dass die Profilflanke im Bereich des Zahnkopfes in einer Profilspitze endet, die im Förderbetrieb hohen Belastungen ausgesetzt ist und daher einem hohen Verschleiß unterliegt. Durch die damit einhergehende Abnutzung der Profilspitze vergrößert sich der Flankenspalt, wodurch es zu einem Anstieg an Rückströmverlusten kommt und dies zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrads führt.
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Besonders bevorzugt ist der Verlauf des äußeren Flankenabschnitts durch eine invertierte Zykloide bestimmt. Hierdurch kann der volumetrische Wirkungsgrad werter erhöht werden. Denkbar ist aber auch, dass die Verläufe des inneren und des äußeren Flankenabschnitts jeweils durch eine gewöhnliche Zykloide bestimmt sind.
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Für eine Verringerung der verschleißbedingten Abnutzung ist es ferner vorteilhaft, wenn zumindest der äußere Flankenabschnitt mit einer Verschleißschutzschicht versehen ist. Die Förderschraube kann auch aus einem gehärteten Material bestehen, wodurch die Widerstandskraft der Förderschrauben gegenüber Abrasion verbessert wird.
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Der äußere Flankenabschnitt kann geometrisch derart ausgebildet sein, dass der Läufer am Gegenläufer ohne zu gleiten abrollt. Dabei verbleibt selbstverständlich ein schmaler Spalt zwischen Läufer und Gegenläufer, die sich, wie oben erläutert, nicht berühren.
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Die Förderschraube weist einen mittleren Flankenabschnitt auf, der den inneren mit dem äußeren Flankenabschnitt verbindet. Die Profilflanke weist vom Innendurchmesser bis zum Außendurchmesser der Förderschraube einen kontinuierlichen, insbesondere einen stetigen Verlauf, auf. Die Profilflanken weisen keine Ecken oder Knicke auf. Die verschleißbedingte Abnutzung ist dabei gering, da der stetige Flankenverlauf wenig Angriffsmöglichkeiten für Abrasion bietet und strömungstechnisch günstig ist.
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Der Verlauf des mittleren Flankenabschnitts ist durch ein Polynom bestimmt. Hierdurch wird erreicht, dass der Flankenspalt größtmöglich minimiert werden kann, es aber nicht zu einer Berührung der Förderschrauben kommt. Der mittlere Flankenabschnitt kann sich über eine Länge von 30 bis 35% der Profilhöhe erstrecken. Die Parameter des Polynoms können einfach danach bestimmt werden, dass der innere und der äußere Flankenabschnitt stetig und kontinuierlich miteinander verbunden werden.
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Die Förderschraube kann mehrgängig sein. Sie kann beispielsweise zwei oder mehrere Helices aufweisen. Hierdurch wird der mögliche Durchsatz weiter verbessert.
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Indem sich die erfindungsgemäßen Förderschrauben als dreidimensionale Modelle darstellen lassen, können die Förderschrauben gut mit CNC-Maschinen hergestellt werden. Hierdurch wird eine schnelle und gleichzeitig sehr präzise Fertigung, insbesondere hinsichtlich des Flankenspalts ermöglicht.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Schraubenpumpe. Die erfindungsgemäße Schraubenpumpe mit Förderschraubenpaar zeichnet sich dadurch aus, dass sie erfindungsgemäße Förderschrauben aufweist, die als Läufer und Gegenläufer ausgebildet sind. Die Förderschrauben weisen insbesondere die gleiche Gangtiefe, die gleiche Gangzahl sowie die gleiche Anzahl an Helices auf.
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Durch die erfindungsgemäße Schraubenpumpe kann im Vergleich zu den bekannten Pumpen ein höherer volumetrischer Wirkungsgrad erreicht werden. Ferner lässt sich die erfindungsgemäße Schraubenpumpe auch einfacher und präziser fertigen.
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Vorteilhafterweise weisen die Förderschrauben der erfindungsgemäßen Schraubenpumpe dasselbe Profil auf. Besonders bevorzugt weisen alle Flanken das gleiche Profil auf.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, es ist darauf hinzuweisen, dass die Zeichnung eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung zeigt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die gezeigte Ausführungsvariante beschränkt. Insbesondere umfasst die Erfindung, soweit es technisch sinnvoll ist, beliebige Kombinationen der technischen Merkmale, die in den Unteransprüchen aufgeführt oder in der Beschreibung als erfindungsrelevant beschrieben sind.
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Es zeigt:
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1 eine im Querschnitt senkrecht zur Achse einer Förderschraube gesehene, schematische Darstellung einer Profilflanke eines erfindungsgemäßen Läuferprofils.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer im Querschnitt senkrecht zur Achse einer Förderschraube gesehene Profilflanke 10 eines erfindungsgemäßen Läuferprofils in einer möglichen Ausgestaltung. Die erfindungsgemäße Profilflanke 10 erstreckt sich von einem Innendurchmesser DF bis zu einem Außendurchmesser DK der Förderschraube. Die Differenz aus DK und DF ist die Profilhöhe der Förderschraube. Das Material der Förderschraube (vorzugsweise Stahl) befindet sich in der Darstellung rechts bei F. Links der Profilflanke 10 befindet sich das zu fördernde Medium. Die Profilflanke 10 ist in drei Bereiche untergliedert: In einen ersten Bereich 12, in einen zweiten Bereich 14 und in einen dritten Bereich 16. Der erste Bereich 12, bei dem es sich um einen inneren Flankenabschnitt handelt, der sich von O bis O1 erstreckt, weist einen konkaven Verlauf auf, der am Innendurchmesser DF der Förderschraube tangential in die Kreisline des Innendurchmessers DF übergeht. Hierdurch wird erreicht, dass unter anderem die Flankenspalte zwischen den Förderschrauben eines Förderschraubenpaars verringert werden. Besonders bevorzugt ist der innere Flankenabschnitt durch eine erste Zykloide bestimmt. Der zweite Bereich 14, bei dem es sich um einen äußeren Flankenabschnitt handelt und der sich von O2 bis O3 erstreckt, ist durch eine zweite Zykloide bestimmt. Es ist aber auch möglich, dass der zweite Bereich 14 durch eine invertierte Zykloide bestimmt ist. Dies bietet unter anderem den Vorteil, dass derartige Förderschrauben gegenüber abrasivem Verschleiß weniger anfällig sind. Der dritte Bereich 16, ein mittlerer Abschnitt, der sich von O1 bis O2 erstreckt, verbindet den inneren und äußeren Flankenabschnitt miteinander. Der mittlere Abschnitt 16 ist derart ausgebildet, dass die Profilflanke vom Innendurchmesser DF bis zum Außendurchmesser DK einen kontinuierlichen, bevorzugt einen stetigen Verlauf, aufweist. Hierdurch weist die Profilflanke keine Kanten auf, die besonders anfällig für abrasiven Verschleiß wären.
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Der gestrichelte Bereich zeigt die Fläche, die durch das erfindungsgemäße Läuferprofil gegenüber den bekannten Flankenverläufen 50 gewonnen wird. Hierdurch werden unter anderem die Verdrängung und damit auch der Volumenstrom der zu fördernden Flüssigkeit erhöht.
