DE1401422A1 - Aussenachsige Rotationskolbenmaschine - Google Patents

Description

Aussenachsige Rotationskolbenmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf aussenachsige Rotationskolbenmaschinen mit Kämmeingriff zwischen mindestens einem Rotor mit Spiralrippen und mindestens einem Rotor mit Spiralnuten.

Derartige Rotationskolbenmaschinen arbeitsn, je nach ihrer Verwendung als Kompressor oder Expander, bekanntlich mit innerer Venichtung bzw. innerer Entspannung eines kompressiblen Arbeitsmittels. Ihre Rotoren sind so geformt, daß die Rippenflanken der Spiralrippenrotoren im wesentlichen konvexe Profile haben, die überwiegend ausserhalb des Rotorteilkreises liegen, während die Eutflanken der Spiralnutenrotoren im wesentlichen konkave Profile haben, die überwiegend innerhalb des Rotorteilkreises liegen.

Alle bisher bekannten Rotorprofile solcher Rotationskolbenmaechinen haben das Merkmal gemeinsam, daß ein an der ITutflanke des Spiralnutenrotors gelegener Punkt des Flankenprofils als

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η (Art 7S1 Abs.2Nr.1 SatzSdesÄnderung^es. ν.4,9. ία- ?)

Erzeugende den Verlauf der gesamten mitwirkenden Rippenflanke des Spiralrippenrotors oder wengistens einen wesentlichen Teil derselben bestimmt. Dieses Merkmal führt bei Maschinen -ohne Synchronisiergetriebe, bei denen die gegenseitige Mitnahme der Rotoren durch körperliche Berührung zwisehen den Rippen- und Futflanken erfolgt, zu einem unverhältnismäßig großen Verschleiß an Jenem Erzeugerpunkt des Spiralnutenquerschnitts im Vergleich zu den übrigen Querschnittsbereichen, weil nur dieser Punkt auf dem Flankenprofil des anderen Rotors gleitet, während die übrigen Punkte des Spiralnutenquerschnitts nur vorübergehend in Berührung mit der mitwirkenden Flanke des Spiralrippenprofils des anderen Rotors gelangen und dabei allenfalls eine Abwälzbewegimg ohne Gleiten ausführen.

Aufgabe der Erfindung ist es, dieses Gleiten eines einzigen Erzeugerpunktes des Spiralnutenquerschnitts auf der Spiralrippenflanke zu vermeiden und δ.§τι dadurch bedingten örtlichen Verschleiß der Spiralnutenflanke zu beseitigen. Geneß der Erfindur.g wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zumindest ein an eineia radial äußeren Ende des Querschnittes jeder Spiralnut beginnend·ί. Abschnitt durch einen Vektor erzeugt ist, der vom Schnittpunkt eines von der Achse dieses Rotors durch den radial innersten Punkt dieses Spiralnutenquerschnitts velaufenden Strahls mit dem Teilkreis dieses Rotors ausgeht und dessen Länge bei Verdrehung des erzeugenden Vektors vom radial äußersten Punkt zum radial innersten Purikt dieses Abschnitts stetig abnimmt, wobei das 'Spiralrippenprofil des anderen Rotors den von dem Spiralnutquerschnitt des gleichförmig mit diesem gedrehten Rotors mit Spiralnuten entwickelten Hüllkurven entspricht. Die Erfindung hat zur Folge, daß ITuten- und Rippenflanken der miteinander kämmenden Rotoren während der gesamten Dauer des Kämmeingriffs oder wengistens eines Teils davon eine kombinierte Bewegung ausführen, die sich aus einer Abwälzbewegung und einex· Gleitbewe-

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gung zusammensetzt, wobei letztere durch die unterschiedliche Länge der Profilabschnitte der Rippen- bzw. Hutflanken zwischen dem Eingriffsbeginn und dem Eingriffende bedingt ist. Auf diese V/eise verteilt sich das Gleiten bei jedem Rotor auf wenigstens einen endlichen Teil der Profillänge, und die relative Gleitgeschwindigkeit zwischen den im Kämmeingriff befindlichen Flanken beträgt nur einen Bruchteil der relativen Gleitgeschwindigkeit bei den bekannten Profilformen.

Die Erfindung bringt ferner den. Vorteil mit sich, daß die Spiralnuten erheblieh breiter als bei den bekannten Profilen v/erden und die Kantenwinkel am äusseren Hutrand stumpfer ausfallen, wo_T durch die Gefahr einer Beschädigung dieser Kanten vermindert wird. Da ausserdem als Folge der Erfindung der Durchmesser des Spiralnutenrotors gleich dem Teilkreisdurchmesser gewählt werden kann, wird die lichte Veite der Blasspalte' zwischen den benachbarten Nuten vermindert, was sich auch bei Maschinen mit Synchronisiergetrieben vorteilhaft auswirkt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläu-.tert. Es zeigen:

Fig. -1 einen Längsschnitt durch einen Rotationskolbenverdichter nach Linie H-II in Fig. 2 ;

Fig. 2.einen Querschnitt durch den Verdichter nach Linie .11-11. in Fig. 1 mit Rotoren nach der Erfindung;

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Fig. 3 eine Einzelheit aus Fig. 2 in größerem Maßstab;

Fig. 4- eine Ausführungοform des erfindungemäßen Querschnittes einer Spiralnut mit den geometrischen Hilfs-· größen für sein Zustandekommen;

Fig. 5-

10 den Kämmeingriff zwischen den Rotoren im Normalschnitt zu den Rotorachsen in verschiedenen Winkellagen;

Fig. 11 einen Querschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 12 eine Einzelheit aus Fig. 11· in größerem Maßstab; • Fig. 13 einen Querschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel;

Fig. 14- eine Einzelheit aus Fig. 13 im größeren Maßstab .■

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Verdichter weist innerhalb eines Gehäuses 10 einen.Spiralrippenrotor 12 und einen Spiralnutenrotor 14 auf, die sich im Kämmeingriff befinden. Die Rotoren 12, 14- sind in den Stirnwänden 16, 18 des Gehäuses drehbar gelagert. Ein aus dem Gehäuse 10 herausragender WeIlenstumpf 20 dient zum Antrieb des Spiralrippenrotors 12, der seinerseits durch den Kämmeingriff den· Spiralnutenrotor 14- antreibt.

Der Spiralrippenrotor 12 trägt vier spiralförmige Rippen oder Kämme 22 mit konvexem Profil, die sich aus serhalb des Rotorteil-Jkreises befinden. Der Spiralnutenquerschnitt enthält innerhalb seines leilkreises sechs Spiralnuten 24- mit konkavem Querschnitt. Jedee Rippenprofil bzw. jeder ITutquerschnitt wird durch den radi'al äußersten bzw. radial innersten-"'Punkt, in wäLchem sich die Rotorquerschnitte in dem Augenblicks zustand nach Fig. 5 gerade, berühren, in eine vorauseilende Flanke 26 bzw. 28 und eine nacheilende Flanke 30 bzw. 32 unterteilt, die bei dem ersten dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils spä-egelsymmtrisch ausge-

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bildet sind und im gesamten in Eingriff gelangenden Flankenbereic] der erfindungsgemäßen Lehre "folgen.

Fig. 4- zeigt die geometrischem Zusammenhänge für das Zustandekommei der erfindungsgemäßen Flankenform des Spiralnutrotors bei der vorauseilenden Nutflanke 28, während die nacheilende Nutflanke 32' zum Vergleich in herkömmlicher Form eingezeichnet ist. Sie Drehachse des Rotors durchdringt die Querschnittsebene im Achs— punkt 34-, der den Hittelpunkt des Teilkreises 36 bildet. Ein vom Achspunkt 3^· ausgehender 'Strahl S durch den radial innersten Punkt 33 des Nutquerschnitts* schneidet in ceinem weiteren Ter-.lauf den Teilkreis in einem Punkt 4-0. Während die linke Nutflanke 32' , die in Fig. 4· nach rechts bis zum Schnitt mit dem Teilkreis strichpunktiert verlängert ist, durch einen von Punkt 40 ausgehenden Radiusvektor r von gleichbleibender Größe gebildet ist, nimmt der vom gleichen Punkt 4-0 aus die rechte !«Tutflanke 28 beschreibende Radiusvektor J frei seiner Drehung vom radial äussersten Flankenpunkt 4-2 am Teilkreis zum radial innerst: Punkt 38 stetig an Größe ab.

In den Fig. 5 - 10 sind die Rotorpröfile 3iach Fig. 4- schematisch in mehreren verschiedenen relativen Vinkellageii dargesisLlt. Fig. 5 zeigt die Lage, din !welcher der Scheitel 4-2 des ITutenrotors 14- eben seine Abwälzbewegung am Boden 4-4- des Rippenroto3?s 12 beendet hat, wobei die Scheitelkante des ITutenrotors 14- im Abdich^imgfc punkt 4-6 abdichtend mit der Wurzel des Ri pp enro tor kämme s 22 zusammenwirkt. Aus dieser Lage heraus setzen die Rotoren sodann ihre Umlaufbewegung in die in Fig. 6 gezeigte Lage fort, wobei der Abdichtungspunkt 4-6 zwischen der Kammflanke des Rippenrotors 12 und der Nut des Nutenrotors 14- längs der Flanke des Kanmes 22 des Rippenrotors sowie längs der Flanke einer Nut des xTutenrotoro wandert." Die Streßkon, welche der Abdichtungspunkt längs dieser beiden Flanken wandert, sind verschieden, weil die eine Flanke innerhalb und die andere ausserhalb des Teilkreises liegt, was bedeutet, daß die beiden Flanken eine kombinierte Abwälz- und Gleitbewegung in Bezug aufeinander auszuführen haben. Fig. J zeigt eine weitere Relativlage der beiden Rotoren, die noch

deutlicher erkennen läßt, daß der Abdicliturgspunkt '!-δ kontimiierlicli längs der beiden zusammenwirkenden .Flanken wandert, dabei aber längs der Eammflanke des Rippenrotors zufolge der größeren Länge" dieser Flanke eine höhere Wanderungsgeschwiiidigkeit liat als längs der Nutenflanke des iTutenrotors. In Fig. 8 ist der Rippenrotorkamm 22 in der Lage maximalen Singriffs in die Sotornut 24· gelangt. Der Abdichtungspunkt 46 ist dann längs der Torderflanken des Kammes 22 des Rippenrotors und der Nut 24 des"\LTutenrotors derart gewandert, daß er die Endpunkte dieser Flanken im gleichen Zeitpunkt erreicht hat, d.h. der Scheitel des Rippenrotorkammes 22 bildet die Abdichtung am Boden des ITutenrotors. Gleichzeitig dichtet die Hinterflanke des Rippenrotorkammes 22 über die Gesamtlänge der Hinterflanke des Kutenrotors ab, was .bekanntlich ein Merkmal der Kreisbogenprofile ist. In Fig. 9 ist eine Relativlage der Rotoren dargestellt, in'der sich die Rotoren um einen kleinen Winkel weitergedreht haben. Bei dieser Drehbewegung hat sich der Abdichtungspunkt'46 zwischen den Rotoren sprunghaft zur hinteren Sandkante des ITuteiirotors bewegt, wobei diese Kante nun eine Gleitbewegung ohne Abwälzung an dem irmeren Flanken-.teil des Rippenrotors ausführt. In Fig. 10 ist schließlich eine Relativlage dargestellt, in welcher die Handkante des Futenrotors die V7urzel der Flanke des Rippenrotorkammes erreicht hat und in welcher der Scheitel 42 des Kammes des ITutenrotors gerade seine Abwälzbewegung am Boden 44 des Rippenrotors beginnt.

Die Fig. 5-10 erläutern sehr deutlich den Unterschied zwischen Flanken, die durch einen.wandernden Srzeugungspunkt erhalten werden,, und Flanken mit im wesentlichen kreisbogenförmigem Profil. Wie aus diesen Figuren erkennbar ist, besteht ein erheblicher Unterschied zwischen diesen beiden Profilen. Im Falle der Kreisbogenprofile liegt der Abdichtungspunkt, radial betrachtet, zuerst an der vorderen Scheitelkante des Kutenrotors an, die am inneren Teil der Kammflanke des Rippenrotors gleitet, worauf eine kurszeitige Abdichtung längs der G-psamtbreite der !Tut erfolgt und schließlich der Abdichtungspunkt zum anderen Ende des Kreisprofils der !Tut überspringt. Im Falle des Profils, das durch einen wandernden ErzeugungspurJct gebildet wird, wandert hingegen der Abdichtungspunkt 46 kontinuierlich längs beider zusammenwirkender Flanken, v/o bei die relative

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Gleitgeschwindigkeit zwischen den Flanken geringer ^is^ den von einem Punkt erzeugten Wurseiteil des im wesentlichen kreisbogeiiförmigen Profils. Auf diese Weise wird der auf der Reibung und der direkten Berührung beruhende Verschleiß -vermindert und zugleich über die gesamten Flanken, verteilt, an statt, wie bisher, auf die Sandkanten des Etitenrotors und auf den inneren von einem Punkt erzeugten Teil des Eippenrotors beschränkt zu sein.

Infolge des Umständes, daß die die Flanken verbindende Außenkante des Hippenrotors 12 ohne jegliches Gleiten in Bezug auf den Boden des mitwirkenden Nuteiirotors 14 abrollt, kann diese Oberseite mit Vorteil mit einem Dichtungsstreifen zum abdichtenden Zusammenwirken mit der Mantelwaiid des Arbeitsraumes versehen werden." In gleicher Weise kann die Oberseitedes Nutenrotors mit einem Dichtungsstreifen zum Abdichten gegen die Mantelwand des Arbeitsraumes versehen werden, weil sich auch diese Oberseite ohne jegliches Gleiten am Boden 44 des Eippenrotors abwälzt.

In den Fig. 11 und 12 ist .ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Ein wesentlicher Unterschied zwischen diesem Ausführungsbeispiel und dem in den Fig:. 1 und 2 gezeigten besteht darin, daß die Kaschine mit Einrichtungen zum Einführen einer Flüssigkeit, insbesondere von öl, in den Arbeitsraum, ausgestattet ist. Die Injektionseinrichtung für die Flüssigkeit umfaßt eine Vorratskammer 48, der die Flüssigkeit von einer nicht gezeigten Druökflüssigkeitsguelle- über eine Einlaßöffnung 51 zugeführt wird, und eine Vielzahl von Injektionskanälen 52, welche die Vorratskammer 48 mit dem Arbeitsraum verbinden. Ein weiterer Unterschied gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 besteht darin, daß die Kotoren ein anderes Flankenprofil aufweisen. Die verschiedenen.Flanken sind aus zwei Teilen zusammengesetzt, nämlich einem kreis— bogenförmigen Teil und einem Teil, der nach einem wandernden Erzeugungspunkt geformt ist, wobei der ifutenrotor, in. einer

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Querebene zur Achse des Rotors betrachtet, mit einem kreisbogenförmigen Bodenteil und geraden,' kantenähen Teilen 56, 58 ausgeführt ist, die an ihren Ansatzpunkten Tangenten zum' kreisförmigen Bodenteil bilden. Jede Kämmflanke des Rippen-' rotors setzt sich aus einem kreisbogenförmigen Kuppenteil und einem nahe der Wurzel des Kammes liegenden Teil zusammen, der durch die geraden Teile des üTutenprofils desÜutenrotor erzeugt wird. Auf diese Weise wird der vom'Kreisbogenprofil her bekannte Vorteil, daß der-äußere Teil des Rippenrotors gegenüber dem'mitwirkenden Nutenrotor keine Gleitbewegung auführt, au-' · gleich mit dem weiteren Vorteil erzielt, daß die Gleitbewegung im Bereich der erzeugten Flanke zwischen der Scheitelkante der Nut und dem wurzelnahen Flankenteil des Kammes über einen größeren Teil der Flanken des Kammes und der Hut verteilt wird. Ebenso wird auf diese Weise vermieden, daß das Öl an den Kammflanken durch die Futenkanten weggeschabt wird; es bildet sich hier ein keilförmiger Ölfilm aus, der geeignet ist, die Reibung und damit den Verschleiß zwischen den zusammenwirkenden Fiankenteilen herabzusetzen. Auf Grund dieser Merkmale sind erfindungsgemäß ausgeführte Kompressoren für den Betrieb ohne Synchronisiergetriebe" geeignet, das bislang einen wesentlichen Bestandteil solcher Maschinen bildete und di« Aufgabe hat, die Rotoren in solcher gegenseitigen Winkellage zu halten, daß zwischen den Flanken der Rotoren keine direkte Berührung stattfindet.

In den Fig. 13 und 14- ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Ein Unterschied zwischen diesem Ausführungsbeispiel und den früher beschriebenen besteht darin, daß ein Synchronisiergetriebe vorgesehen ist, durch das die Rotoren in solcher gegensei.tiger Winkellage gehalten sind, daß zwischen ihnen keine mechanische Berührung erfolgt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Rotoren so geformt, daß jede Kammflanke des Rippenrotors aus einem nach einem wandernden Erzeugungspunkt*"'... geformten inneren Teil 60 und einem durch einen festen Punkt 62 an der mitwirkenden Flanke des Nutenrotors erzeugten äußeren

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Teil 64 zusammengesetzt ist. Jede Flanke des ITutenrotors ist in gleicher Weise ans einem ausserhalb des Punktes 62 liegenden Teil 66, der nach einem längs des Teils 60 der mitwirkenden Planke des Rippenrotors wandernden. Erzeugun^punkt geformt ist, lind einem Teil 68 zusammengesetzt, der sich innerhalb des Punktes 62 befindet und nach dem Scheitel 70 des mitwirkenden Kammes des Rippenrotors erzeugt ist. Dieses Ausführungsbeispiel hat gegenüber den Profilen, die vollständig nach einem festen Erzeugungspunkt geformt sind-, die Vorteile, daß die geschlossenen · Taschen kleiner sind,daß die "Abdichtungslinien zwischen cen Rotoren kurzer sind und daß die scharfe Scheitelkante des Eutenrotors durch eine sehr stumpfe Kante 62 ersetzt ist, so .daß die Gefahr einer Zerstörung dieses festen Erzeugungspunktes wesent-=· lieh vermindert ist. Gegenüber dem vollständig nach einem wandernden Erzeugungspunkt geformten Profil bietet dieses Ausführungsbeispiel die Vorteile, daß das Volumen einer jeden Rotornut größer ist und daß die lichte Weite der Blasspalte kleiner ist.

Die Ausführungsbeispiele nach den Pig. 11 bis 14, deren Plankenprofile aus einem nach einem wandernden Erzeugungspunkt geformten Teil und einem andersartig geformten Teil zusammengesetzt sind, sind zwar nur für symmetrische Kämme und !Tuten dargestellt, doch ist es natürlich möglich, die Porm der Kämme und Hüten unsymmetrisch zu machen, beispielsweise indem nur an einer Planke ein nach einem wandernden Erzeugungspunkt geformter Teil vorgesehen wird oder Kämme und Muten mit ganz verschiedenen Planken, wie in Pig. 3> kombiniert werden. Die Kämme und Nuten in dieser Pigur können natürlich auch in solcher Weise geändert werden, daß die Kreisbogenflanke der Hut des !Tutenrotors mit einem äußeren Teil versehen wird, der nach einem wandernden Erzeugungspunkt geformt ist, wobei die mitwirkende Planke des Kammes am Rippenrotor in entsprechender Weise auszu bilden ist.

BAD ORlGfNAf /Patentansprüche

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Claims (1)

1. Pat entansOrüche

   Aussenachsige Rotationskolbenmaschine mit Kämmeingriff zwischen mindestens einem Rotor mit Spiralrippen und mindestens einem Rotor mit Spiralnuten, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein an einem radial äußeren Ende des Querschnitts jeder Spiralnut (24) beginnender Abschnitt (28, 56,58,66) durch einen Vektor(f") erzeugt ist, der vom Schnittpunkt (40) eines von der Achse (34) dieses Rotors (14) durch den radial innersten Punkt (38) dieses Spiralennutquerschnitts verlaufenden Strahls (S) mit dem Teilkreis (36) dieses Rotors (14) j ausgeht'und dessen Länge bei Verdrehung des erzeugenden Vektors vom radial äußersten Punkt (42) zum radial innersten Punkt (38) dieses Abschnitts (23,56,58,66) stetig abnimmt, wobei das Spiralrippenprofil des anderen Rotors (12) den von dem Spiralnutquerschnitt des gleichförmig mit diesem gedrehten Rotors (14) mit Spiralnuten (24) entwiekelten Hüllkurven entsprich

   it.

   2. Aussenachsige Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gek.ennzeich.net, daß der Abschnitt (28,56,58)=-des Spiralnut quer schnittes mindestens den überwiegenden Teil einer oder beider Querschnittshälften bildet.

   3. Aussenachsige Rotationskolbenmaschine nach einen der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (28,56) sich an der in Drehrichtung voreilenden Hälfte des Spiralnutquerschnittes befindet.

   4. Aussenachsige Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3| dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (28) des Spiralnutquerschnittes durch eine Kurve

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   zweiten Grades, z.B. eine Parabel oder Ellipse gebildet ist. ■

   5· Aussenachsige Hotatioiiskolbenmascliine nach. Anspruch 1 bis 3» -da d u rc· η -'■■ ge k e η η ζ -e i c h. η e t, daß der Abschnitt (56,58"·*) des Spiralnutquerscimittes durch eine gerade Linie gebildet ist. -■ _■ -

   6. Aussenachsige Rotationskolbenmascliine nach. Anspruch 5» dadurch g e k en η ζ e i* c h net, daß die gerade Linie durch, die Sotora.ch.se verläuft. ■

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