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Schraubenrotormaschine Die Erfindung betrifft Schraubenrotormaschinen
für elastische Arbeitsmittel (Luft oder Gas) mit einem Gehäuse und einem darin befindlichen
Arbeitsraum in Gestalt von wenigstens zwei einander überschneidenden Bohrungen,
deren Achsen in einer gemeinsamen Ebene liegen, wobei der Arbeitsraum Endwandungen
enthält, und mit einem Hochdruck- und einem NiederdrackauslaB versehen ist, die
beide zu beiden Seiten der genannten Ebene liegen. Die Maschine hat ferner miteinander
zusammenwirkende männliche und weibliche Rotoren, die in den genannten Bohrungen
arbeiten und die schraubenförmige Kämme bzw. Nuten haben, die sich über einen Schraubenwinkel
von *eniger als 3600 erstrecken. Durch die Schraubenkämme bzw. -nuten werden
durch die Kammer begrenzte Zwischenräume gebildet, die sich in axialer Richtung
fortbewegen, während die Rotoren sich drehen. Diese Maschinen können. als Kcmnressoren
oder Motoren verwendet werden.
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Maschinen dieser Art sind alt und in ihrer Art längst bekannt. Indessen
waren bei allen bekannten Maschinen die Rotoren über ihre ganze Länge mit derselben
Form bzw. demselben Querschnitt ausgestattet und infolgedessen sind die Maschinen
auch reversibel. Die Beschreibung erläutert eine Maschine,in welcher die Rotoren
ihren Querschnitt in der Nähe des Hochdruckbereiches
ändern und
die daher am besten in einer Richtung arbeiten. Wenn die Rotoren über ihre gesamte
Länge denselben Querschnitt haben, so muß dieser ein Kompromiß zwischen zwei Bedingungen
sein, da die Bearbeitung des Arbeitsmittels in der Niederdruckzone eine ganz andere
ist als in der Hochdruckzone. Wenn aber gemäß der Erfindung die Rotoren über die
gesamte Länge nicht den gleichen Querschnitt besitzen, sondern je einen besonderen
Querschnitt in der Niederdruckzone und in der Hochdruckzone, so kann das Profil
so ausgebildet werden, daß es den höchste-.. Wirkungsgrad gewährleistet. Zum Beispiel
kann. in einem Kompressor eine sehr gute Dichtung über den Verdichtungsraum hin
erzielt werden, wenn der Rotor, und zwar der männliche Rotor, und der weibliche
Rotor, die Abwälzform besitzen. Dadurch werden abgedichtete Taschen am Niederdruckende
gebildet für eine kurze Zeit der Umdrehung. Diese Taschen sind nicht schädlich,
da das Vakuum hier keine sehr große Höhe erreicht. Wenn aber diese Rotoren bis zu
ihrem Ende mit dem gleichen Profil ausgerüstet sind, dann werden sie auch an dem
Kompressionsende abgedichtete Taschen mit einem sehr hohen Druck erzeugen. Da die
gesamte Arbeitsmittelmenge aus diesen Taschen durch das normale Drehspitzspiel hindurchgedrückt
werden muß, so wird der Druck außerordentlich hoch. Dieser übermäßige Druck erzeugt
hohe Temperaturen, Maschinengeräusche und übergroße Ladebelastungen, und alle diese
Faktoren vermindern den Wirkungsgrad.
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Es wurden zahlreiche Viersuche unternommen, diese geschlossenen Taschen
zu vermeiden, und zwar durch Änderung des Querschnittes des Eotors, oder durch Einschneiden.
von Nebenauslässen am.
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Ende der Rotoren, oder in dem Gehäuse, oder durch Beseitigung dieses
Teils der Gehäuse und der Endwandungen, die die geschlossenen.Taschen erzeugen.
Indessen begegnen diese Aushilfsmittel
doch erheblichen Bedenken,
weil sie Abflußwege eröffnen und dadurch V#"lumenverluste bedingen. So werden in
der US-Patentschrift 2 622 787 Rotoren gezeigt mit kreisförmigen Profilen, in dellen
der Kamm des männlichen Rotors genau in die Nut des weiblichen Rotors paßt, wenn
Kamm und Nut im vollen Eingriff stehen. Es sind hier Aoströmwege gezeigt, vom Hochdruckende
zum Niederdruckende der Rotoren, wie das noch weiter beschrieben wird. Im US-Patent
2 287 716 sind Kanäle in den Hochdruckenden der Rotoren eingeschnitten. Aber das
zusammengedrückte Arbeitsmittel fließt in diesem Falle zum Niederdruckende zurück.
Dieses zurückfließende Mittel bedeutet daher einen Verlust. Wenn ein Teil der Hochdruckendwand
weggeschn."ten wird, so wird zwar die geschlossene Tasche zum Teil geöffnet, aber
diese Öffnung bedingt ebenfalls einen direkten Abfluß von Arbeitsmittel von der
Hochdruckseite zur Niederdruckseite während gewisser Teile jeder Umdrehung.
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Um einen idealen Kompressor dieser Bauart zu erz:elen, ist es notwendig,
daß die Dichtungslinie während der Kompressionsperiode ungebrochen bleibt und daß
ferner keine Nebenauslässe vorgesehen sind, die das Niederdruckende mit dem Hochdruckende
verbindet, während der Auslaß erfolgt.
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Die im US-Patent 2 922 377 gezeigten Profile haben geeignete .Arbeitscharakteristiken,
sind aber schwierig zu bauen, und die Kegelform verringert die Kapazität.
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Die
in. der vorliegenden Beschreibung erläuterten Rotoren haben
nicht nur alle Vorteile der Rotoren des US-Patentes 2 922 377, sondern sie sind
auch bequemer zu bauen, haben größere Kapazitäten und bessere Dichtungskanten im
Hochdurckteil der Maschine, dadurch daß scharfe Dichtungskanten
hier
vermieden werden, wie sich aus dem folgenden ergibt. Die Anzahl der auf jedem Rotor
befindlichen Kämme bzw. Nuten bestimmt sich nach der Geschwindigkeit, dem Druckverhältnis,
dem Volumen und anderen Bedingungen. Zum Beispiel werden für hohe Geschwindigkeiten
und hohe Drücke größere .Anzahl von Kämmen und Nuten gewählt als für niedrigere
Geschwindigkeiten und niedrigere Drücke. So kann der männliche Rotor eines mit hoher
Geschwindigkeit und hohem Druck arbeitenden Gerätes 3 bis 6 Kämme, und der weibliche
Rotor 4 bis 7 Nuten besitzen, während für niedrige Geschwindigkeiten und niedrige
Drücke der männliche Rotor 2 Kämme und der weibliche Rotor 4 Nuten haben kann. Jede
dieser Kombinationen wird unter bestimmten Bedingungen zufriedenstellend arbeiten..
Es scheint-jedoch so, als ob 3 Kämme auf dem männlichen Rotor und 4 Nuten auf dem
weiblichen Rotor die beste Kombination darstellt. .Auf diese Ausführungsform. wird:
also der Gegenstand der vorliegenden: Erfindung gerichtet sein, ohne daß diese darauf.beschränkt
ist. Da die Profile dieser Rotoren als volle Abwälzprofile über den größten Teil
ihrer Dänge ausgebildet sind, so würden die Rotoren. einander nach Art eines Getriebes
antreiben. Da aber in Wirklichkeit die Rotoren, ohne Schmierung auf den Profilflächen
arbeiten, so sind Synchronisierungsgetriebe vorgesehen, um die beiden Rotoren in.
ganz bestimmtem Abstand zu halten, so daß zwi-' schen den beiden Rotoren während
des Betriebes Überhaupt keine Berührung stattfindet. ferner haben die Rotoren eine
solche Gestalt, daß sie einen genauen Ausgleich und-eine außerordentlidie Starrheit
besitzen, so. daß sie sich unter allen Umständen nicht berühren können und auch
das Gehäuse nicht berühren während der Arbeit bei schweren Belastungen. Der Hauptgegenstand
dieser Erfindung besteht darin, bei einer
so |
Schraubenrotormaschine die Rotoren auszubilden, daß sie eine |
ununterbrochene Dichtung über den gesamten Arbeitsbereich, aber fernerhin auch eine
geeignete Dichtung über den Kompressionsendbereich besitzen und daß sie keine geschlossenen
Taschen am Hochdruckende der Maschine entstehen lassen.
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Die Erfindung t%weckt ferner einen verbesserten weiblichen Rotor zu
konstruieren, der in der Hochdruckzone erhöhten Widerstand gegen Biegung aufweist.
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Ein anderer Zweck der Erfindung besteht darin, Rotoren zu schaffen,
die am Hochdruckende im Durchmesser verringert sind. Ferner besteht die Erfindung
darin, die Rotoren so auszubilden, daB sie in der Hochdruckzone der Maschine, wenn
der männliche und der weibliche Rotor im vollen Eingriff sind, eine kongruente Dichtungsfläche
aufweisen.
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Ferner besteht die Erfindung darin, dem Rotor in der Arbeitszone eine
vollständige Dichtung zu verleihen und ihn mit Abwälzprofil auszubilden und in der
Hochdruckzone von dem Abwälzprofil zum Kreisprofil überzugehen. Durch diese Maßnahme
wird die Bildung von Taschen auf der Hochdruckseite vermieden und trotzdem ist es
unnötig, Rückflußkanäle, Ausfräsungen oder.Nebenkanäle oder Nebenauslässe vorzusehen.
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Die Schraubenrotormaschine gemäß der Erfindung ist im wesentlichen
dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rotor einen Arbeitsbereich und einen Hochdruckbereich
hat, wobei sich der Arbeitsbereich vom Niederdruckende des Rotors bis zu dem dem
liederdruckende nächstliegenden Ende der AuslaBöffnung reicht und die Hochdruckzone
von diesem Punkt bis zum Hochdruckende des Rotors geht. Dabei hat das Profil des
männlichen
Rotors eine Ausbildung, die in der Querebene gesehen,
eine mit der Wandung der Bohrung kongruente Spitze hat, die eine im wesentlichen
über die gesamte Länge des-Arbeitsbereiches gleichbleibende Breite aufweist und
von der Spitze bis zur Wurzel des Profils sich erstreckende Abwälzflächen, die durch
die Stirnfeldkanten der weiblichen Rippenerzeugt werden, wobei die kreisförmigen
Spitzenteile ihre KrÜmmungsmittelpunkte auf dem Teilkreis des männlichen Rotors
in der Mitte zwischen den Seitenflanken der Kämme haben. Das Profil der weiblichen
Rotornuten stellt die Umhüllung der männlichen Rotorkämme dar, wenn die Rotorkämme
und Nuten wähnend der Umdrehung der Rotoren ineinandergreifen oder auseinandergehen,
wobei die weiblichen Rotornuten am Ende des Rotors ein volles Kreisprofil aufweisen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Schraubenrotormaschine gemäß der
Erfindung, und zwar durch die Ebene der Achsen entsprechend der Linie A-A der Fig.
2, Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Achse des männlichen Rotors entsprechend
Linie B-B der Fig. 1, in welcher die Niederdruck- und Hochdruckeinlässe sichtbar
sind, Fig. 3 die perspektivische Ansicht eines Paares von miteinander in Eingriff
befindlichen Rotoren, wobei insbesondere das Hochdruckende der Rotoren gezeigt ist,
Fig.
4 eine Teilansicht eines Paares von A.bwälzrotoren, die eine Dichtung an der Trennungslinie
der Gehäusebohrung bilden., Fig. 5 eine Teilansicht eines Paares der üblichen Abwälzrotoren
in vollem Eingriff, in welcher die Bildung einer abgedichteten Tasche am Hochdruckende
gezeigt ist, wobei die das Ende der Rotoren abdichtende Platte weggelassen ist,
Fig. 6 'eine Teilansicht eines Paares von im Eingriff befindlichen Rotoren, die
über die gesamte Länge ein Kreisprofil aufweisen und in welcher Öffnungen oder Umgehungsleitungen
der Gehäusebohrungen gezeigt sind, Fig. 7 eine Teilansicht eines Paares von Rotoren
mit kreisförmigen Profilen, die fast in vollem Eingriff stehen, und in welcher gezeigt
ist, daß am Hochdruckende keine Taschen entstehen können,. Die Endplatten sind auch
in diesem Falle weggelassen.
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bis 15 Fig. 8 die Profile von in Eingriff stehenden Rotoren in verschiedenen
Abschnitten, wobei die Rotoren in der Arbeitszone Abwälzprofile und in der Hochdruckzone
Kreisprofile aufweisen, insbesondere die Fig. 8 - 11 ein Paar von Abwälzrotoren
in verschiedenen Stellungen im vollen Eingriff bis zu etwa 10.% vor vollem
Eingriff, während die Fig. 12 - 15 Paare von Rotoren mit Kreisprofilen in den verschiedenen
Stellungen von etwa 30 96 vor vollem Eingriff bis zum vollen Eingriff darstellen.
Fig.
16 - 21 die verschiedenen querschnitte der Rotoren und die Bezugszeichen und Bezeichnungen,
die die einzelnen Teile der verschiedenen Querschnitte in der nachfolgenden Beschreibung
haben. Dabei sind die Fig. 16, 18 und 20 Querschnitte nach Linien F-F und D-D der
Fig. 22 und eine Endansicht des weiblichen Rotors, während die Fig. 1?, 19 und 21
die dazugehörigen Profile des dazugehörigen männlichen Rotors zeigen..
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Fig. 22 einen_Teillängsschnitt durch die in Figo c3 gezeigten Rotoren
entsprechend der Linie P-P, Fig. 23 eine Endansicht des in erster Linie für die
Erfindung in Betracht kommenden Rotors, wobei die gestrichelten Linien. das Profil
der Rotoren in .der Ebene der Linie F-F zeigt, Fig. 24 einen Teillängsschnitt durch
ein Paar von in - Eingriff befindlichen Rotoren, bei welchem der Übergang von Abwälzprofilen
zum Kreisprofil sich nicht allmählich wie in Fig. 22 vollzieht, sondern in einem
Absatz.
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Fig._ 25 eine Teilansicht eines Satzes von. Rotoren einer abgeänderten
Form. Diese Rotoren entsprechen denen der Fig. 23 mit der Ausnahme, daB die erzeugenden
ganten der weiblichen. Rotorrippen etwas innerhalb der Außenspitze liegen und wobei
der männliche Rotor nicht vollständig bis auf seine Wurzel nach dem Abwälzprofil
gebildet ist, Fig,26 einen Teillängsschnitt der in Fig. 25 gezeigten R_ot@rer@.nach.
der Linie R-R der Fig. 25.
Diese Ansicht ist dieselbe wie Fig.
22 mit der Ausnahme, daB die Nabe des männlichen Rotors kleiner und. der Außendurchmesser
des weiblichen Rotors größer ist.
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Fig. 27 ist eine Teilendansicht eines männlichen Rotors, in welchem
die kreisförmigen Oberflächen, welche die Spitzen der Kämme bilden, so ausgebildet
sind, daB ihr Krümmungsmittelpunkt innerhalb des Teilungskreises liegt.
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Fig. 28 eine Teilendansicht eines weiblichen Rotors, der dem männlichen
Rotor nach Fig. 27 zugeordnet ist. Fig. 29 eine Teilansicht eines männlichen Rotors,
in welcher die Stirnfelder an der Spitze des Abwälzprofiles sich über die Kreisteile
oder das Hochdruckgebiet bis ans äußerste Ende an der Hochdruckseite des Rotors
erstrecken.
Fig. 30 eine Teilansicht eines männlichen Rotors, in
welchem die Kreis- oder Hochdruckabschnitte im äußersten Durchmesser nicht kegelförmig
verlaufen.
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In dieser Ausführungsform sind die Rotorkämme in der Kreisprofilzone
dicker.
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Fig. 31 eine Teilansicht eines weiblichen Rotors, der dem männlichen
Rotor nach Fig. 30 zugeordnet ist.
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Fig. 32 Teilansichten der Endprofile des männlichen Rotors bis 40
entsprechend den Linien C-C, D-D, E-E.und F-F in Fig. 22, Fig. 33 die entsprechenden
Ansichten des zugeordneten weibbis 41 liehen Rotors, Fig. 42 sind ähnliche Ansichten,
wie sie in den Fig . 32-41 bis 51 dargestellt sind. Hierbei ist jedoch der männliche
Rotor an der Wurzel so ausgebildet, daß er die abgeschrägten Flächen an den Enden
der Rippen des weiblichen Rotors aufnimmt.
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Fig. 52 eine Teilansicht eines nach Fßg. 26 ausgebildeten Rotors entsprechend
der Linie J-J in dieser Figur, wobei die beiden Rotoren in vollem Eingriff miteinander
sind.
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Fig. 53 eine Ansicht ähnlich der Fig. 52, wobei jedoch der Kamm des
männlichen Rotors in Eingriff mit der Nutdes weiblichen Rotors ist.
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Fig. 54 eine Ansicht ähnlich Fig. 52 mit der Ausnahme, daß die Rotoren
sich in einer Stellung befinden, in welcher der männliche Rotor gerade im Begriff
ist, in die Nut des weiblichen Rotors einzugreifen. Am Eingriffspunkt ist die Gehäusekante
dargestellt.
Fig. 55 eine Teilansicht des modifizierten Rotors
mit dem das Profil herstellenden Werkzeugs, der dem weiblichen Profil nachgebildet
ist. Das Werkzeug hat eine Kante, die ungefähr auf dem halben Ab-Wälzprofil des
männlichen Rotors steht.
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Fig. 56 eine Teilansicht nach Fig. 55, in welcher das Werkzeug gerade
beginnt, das Profil des KammeB' zu schneiden.
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Fig. 57 eine Teilansicht der Fig. 55 in welchem das Werkzeug das Abwälzprofil
des Kammes erzeugt hat und nun im Begriff steht, den für die Flanken der Spitzenabschrägungen
des weiblichen Rotors erforderlichen Paßabschnitt zu erzeugen. Fig. 58 eine ähnliche
Darstellung wie in Fig. 55,
das Werkzeug mit Spiel über die Wurzeloberfläche des Kammprofiles des männlichen
Rotors gfeht, Fig. 59 eine vergrößerte Darstellung der Rotorenprofile am Ende der
Niederdruckzone in der Lage, in welcher die kongruente Dichtung@zwischen den abgeschrägten
Flächen der weiblichen Rotorrippe an dem Kammende des männlichen Rotors erfolgt,
Fig. 60 eine Teilhochdruckansicht des männlichen Rotors gemäß Fig. 59.
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Fig. 61 Seitenansicht und Aufsicht der in den Fig. 59 und 60 und 62
gezeigten Rotorprofile.
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Es ist wichtig zu wissen, daß die Zeichnungen maßgetreue Abbildungen
der die Erfindung bildenden Rotoren darstellen.
Das bezieht sich
insbesondere auf die Rotorprofile. Es werden Synchronisierungsgetriebe verwendet,
um die Rotoren in richtigem Abstand voneinander züi halten. Das Spiel zwischen den
Rotorkämmen und Rotornuten muß größer sein als das Spiel,in der Verzahnung des Synchronisierungsgetriebes,
wenn eine Berührung der Rotoren. während der Arbeit vermieden werden soll. Das Spiel
zwischen den Zähnen des Getriebes kann 0,05 - 0,10 mm betragen, während das Spiel
zwischen den Rotoren je nach Größe derselben zwischen 0,5 - 1,00 mm schwanken kann.
Auf diese Weise ist aber sichergestellt, daß die Rotoren einander während das Spiel
des Getriebes sich nicht berühren können: Als Arbeitsbereich wird im folgenden der
Teil der Rotoren bezeichnet, in dem Verdichtung oder Ausdehnung des Arbeitsmittels
stattfindet, und der zwischen den Linien K-L in Fig. 2, 61 und 62 liegt. Der Arbeitsbereich
beginnt bei K oder dem Niederdruckehde der Rotoren und erstreckt sich bis zu der
nächstliegenden Kante des Hochdruckauslasses bei Linie L. Nachdem die Spitzen der
Rotorprofile mit der Kante des Hochdruckeinlasses'in Berührung gekommen sind, tritt
keine innere Kompression mehr ein und das Gas kann in den Auslaß strömen, Da die
Rotoren in diesem Bereich in voller Form nach dem Abwälzprofil ausgebildet sind,
kann dieser Abschnitt auch als Abwälzteil bezeichnet werden.
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Der Hochdruckbereich liegt zwischen den Linien Z und M in den Fig.
2, 61 und 62. Beginnend mit der ßinie L, wo die Rotoren noch voll mit dem Abwälzprofil
ausgebildet sind, erstreckt sich der Hochdruckbereich b_ zu den. Enden der Rotoren
bei M, an welchem 4 beide Rotoren volles Kreisprofil aufweisen.
Dieser
Übergang vom vollen Abwälzprofil zur Kreisform ... erfolgt allmählich von L zu M,
und in diesem Abschnitt sind Flanken des männlichen Rotors als Abwälzflanken ausgebildet,
jedoch die Spitzen kreisförmig. Es kann also diese Hochdruckzone nicht als voller
Kreisabschnitt bezeichnet werden, da das Profil teils als Abwälzprofil und
teilweise kre:Pförnig ist.
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Gemäß den Fig. 1 - 2, welche die Erfindung zeigen, enthält das Gehäuse
10 zwei parallele zylindrische Bohrungen 12 und 14, die Seite bei Seite parallel
zueinander angeordnet sind und ineinander eindringen, um eine geneinsame Arbeitskammer
zu bilden, deren Querschnitt etwa die Form einer Acht hat. Ein Ende des Gehäuses
ist mit einer festen Wand 16 ausgestattet, die das eine Ende der Bohrungen 12 und
14 darstellt. Das andere Ende des Gehäuses ist durch eine herausnehmbare
Wand gekennzeichnet, die die Einführung eines Paares von in Eingriff stehenden
schraubenförmigen Rotoren 34 und 38 erlaubt, die miteinander in den Bohrungen 12
und 14 arbeiten. Rotor 34 ist als männlicher Rotor bezeichnet und hat linksgängige
Kämme, Rotor 38 wird als weiblicher Rotor bezeichnet und hat entsprechend reehtgängige
Nuten. Die herausnehmbare Endwandung des Gehäuses ist zweiteilig dargestellt und
enthält zwei sich selbst zentrierende Hälften. Die Hälfte 18 für den weiblichen
Rotor ist über den ganzen Umfang kreisförmig und paßt spielfrei in ihre Bohrung.
Die Hälfte 20 für den männlichen Rotor und seine Bohrung 12 ist ebenfalls
auf dem Umfang kreisförmig, enthält jedoch eine konkave Ausnehmung, so daß sie in
die den weiblichen Rotor haltende Gehäusehälfte hineinpaßt. Die-beiden Hälften
18 und 20 werden in ihrer Lage gehalten durch eine Endkappe 22. Die Gehäuseendwand
16 ist mit zwei zylindrischen Bohrungen 24 und 26 versehen, die konzentrisch
mit der.männlichen Rotorbohrung 12 bzr. der weiblichen Rotorbohrung 14 sind,
Ebenso sind die beiden
Wandhälften 18 und 20 mit zylindrischen
Bohrungen 30 und 28 versehen, die konzentrisch zu ihren Gehäusehälften liegen.
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Jede der zylindrischen Lagerbohrungen 24, 26, 28 und 30 ist mit je
einer Lagerbüchse 32 ausgestattet, die für alle Lager gleich sein kann. Der männliche
Rotor 34 sitzt fest auf einer Welle 36 und ist mittig gelagert in der Bohrung 12
durch die Lagerbüchsen 32 in den Bohrungen 24 und 28. Der weibliche Rotor 38 ist
in gleicher Weise festsitzend auf einer Welle 40 angeordnet und mittig gelagert
in der Bohrung 14 durch die Lagerbüchse 32 in den Bohrungen 26 und 30.
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Auf der männlichen Rotorwelle 36 sitzt ein Synchronisierungszahnrad
42, was unrückbar darauf befestigt ist, während die weibliche Rotorwelle 40 eine
Nabe 44 aufweist, so daß das auf der weiblichen Zahnradwelle sitzende Zahnrad 46
eingestellt werden kann. Dies ist wegen der-präzisen Einstellung der Rotoren gegeneinander
eine Notwendigkeit.
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Auf dem rechten Ende des Gehäuses befindet sich der Hochd-ruckauslaß
48, auf dem linken Ende diagonal gegenüber der Niederdruckeinlaß 50. Die genaue
Form dieser Auslässe wird später beschrieben. Die Rotorbohrungen 12 und 14 und die
Hälften 18 und 20 sind in ihrem Durchmesser etwas größer als die Rotoren 34 und
38, so daß die Rotoren in ihnen sehr genau gelagert sind, aber mit einem sehr geringen
Spiel.
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Der Einfachheit halber sind in der Zeichnung einfache Lagerbüchsen
32 gezeigt. Salbstverständlich können die Büchsen auch so ausgebildet werden, daß
sie sowohl die radialen als auch die axialen Belastungen der Rotoren gleichzeitig
aufnehmen, Der männliche Rotor 34 besitzt im Umfang drei im gleichmäßigen Abstand
befindliche schraubenförmige Kämme 52 von genau übereinstimmender
Form.
Der weibliche Rotor 38 besitzt vier im Umfang ebenfalls gleichmäßig verteilte schraubenförmige
Rippen 54.
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Das Prinzip dieser Erfindung ist, eine theoretisch einwandfreie Dichtung
im Arbeitsbereich von K - Z herbeizuführen und andererseits die verschlossenen Taschen
in der Hochdruckzone am Hochdruckende der Rotoren zu vermeiden.
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Aus der Fig. 4 geht hervor, daß die Stirnfeldkanten 56 des weiblicher
Rotors eine ununterbrochene Dichtung von der Wurzel 48 der Kämme des männlichen
Rotors 34 bis zu ihrer Stirnfeldkante 58 bilden. Ebenso bildet die Stirnfeldkante
58 des männlichen Rotors eine ununterbrochene Dichtung über die Rippe 62 des weiblichen
Rotors. Es besteht also keine Öffnung zwischen den Rotorprofilen an der Stelle,
wo die Stirnfeldkanten 56 und 58 der Rotoren aufeinandertreffen, um den Schnittpunkt
72 zu bilden (Fig. 1,4 und 9). Zusammen mA der Schnittkante 74 des Gehäuses (Fig.
9) bilden die Rotorkämme und Rippen und die Gehäusebohrungen eine theoretisch vollmommene
Abdichtung und das hindurchgepumpte Arbeitsmittel ist gegen leckverluste zwischen
der vorderen Hochdruckkammer und der nachfolgenden Niederdruckarbeitskammer gestützt.
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Mit dem neuen Rotor gemäß der Erfindung besteht die Dichtung 72 bei
74 (Fig. 9) und setzt sich durch den Arbeitsbereich 61 der Fig. 2 fort. Diese Form
der Abdichtung ist sehr erwünscht im Arbeitsbereich und ihre Vorteile sind ein wichtiger
Bestandteil der vorliegenden Erfindung. Diese Dichtung bildet sich am Niederdruckende
der Rotoren und setzt sich in den Kammern bis zum Hochdruckbereich 63 fort, wenn
die Rotoren sich drehen. Da keine Leckverluste zwischen den Rotoren auftreten',
wird also eine echte adiabatische Kompression
erreicht. Die Fig. 6 zeigt Rotoren mit kreisfƒrmigen |
Rippen. über die ganze Länge. Diese Rotoren sind beschrieben |
im US Patent 2 622 787. Sie haben den Nachteil, daß sie |
eine Lecköffnung 80 am. Schnittpunkt 76 (Fig. 6) erzeugen, |
wo sich. die Rotoren einander überschneiden.. Da diese |
Öffnung 80 (Fig. b und 12) durch die Schnittkante 7!!- |
der Gehäusebohrungen nicht abgedichtet werden kann, so ent- |
steht auf diese Weise ein Leckkanal vom Hochdruckende der |
Rotoren zu ihrem Niederdruckende. Diese Öffnung ist im
US |
Patent 2 622 787 in Spalte 12 genau beschrieben. Diese- Art |
von Rotormaschinen kann keine volle adiabatische Kompression |
erziele, und ein Teil der Leistung geht durch Rückströmung
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und Rückverdichtung verloren. |
Fig. 5 zeigt ein Paar von Abwälzrotoren, worin die Abwälz- |
form durch das Hochdruckende sich fortsetzt. Mit der er- |
fordexl ichen Endwandung (nicht gezeigt), entsteht eine ge- |
schlossene öder abgedichtete Tasche 78, wenn. die Rotoren |
sich drehen.. Diese Tasche ist ein erheblicher Nachteil, da |
sie übermäßigen Überdruck, hohe Temperaturen, Geräusch und |
Lagerbeanspruchungen erzeugt und dadurch die Kapazität und |
die Geschwindigkeit der Rotorenarbeit verringert. Zahlreiche |
Versuche sind, wie bereits gesagt, unternommen worden, um |
diese Tasche durch verschiedene Kanäle im Rotor oder in der |
Endwand zu beseitigen, aber diese Kanäle dienen ihrem Zweck |
in Wirklichkeit nicht und zwar wegen der Beschränkung
der |
Kapazität; .-Überdies schaffen sie einen _eckkanal bzw. ein |
RÜCkstrÖmen des Hochdruckarbeitsmittels zu-r Niederdruck- |
seite. |
Fig. 7 zeigt das äußere Ende von Rotoren mit kreisförmige |
Rippenquerschnitt, wie sie in Fig. 6 gezeigt sind, wobei |
die notwendige Endwand nicht gezeigt ist. Durch die Hochdruckzone
allein. ist die Öffnung 80 ein erheblicher Vorteil, da sie die Bildung von geschlossenen
Taschen verhindert. Es wird also gemäß der Erfindung das Abwäl$profil der Rotoren
in dem Arbeitsgebiet der Maschine, wo eine vollständige Abdichtung von besonderem
Vorteil ist, angewendet, während im Hochdruckgebiet das Abwälzprofil sich allmählich
in ein Kreisprofil wandelt, um die abgeschlossenen Taschen am Ende der Hochdruckzone
au vermeiden. Da die den Rotoren abverlangte Leistung an den. Niederdruck- und Hochdruckenden
verschieden ist, so werden in der Niederdruckzone andere Profile gewählt als in.
der Hochdruckzone. Und diese beiden Profile werden in der Weise miteinander vereinigt,
daB keine Nachteile entstehen. Dieser Übergang vom Abwälzprofil zum Kreisprofil
sollte sich in der Hochdruckzone vollständig vollziehen, um die Räckaträmung zu
einer nachfolgenden Kammer zu vermeiden.
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Die Yig. 8 bis 11 zeigen die Abwälzprofile im. Arbeitsbereich 61 zwischen
K und h in Fig. 2 und die Fig. 12 bis 15 zeigen das Kreisprofil am Ende des Hochdruckbereiches
63. Fig. 8 zeigt einen männlichen Rotor 34 in vollem Eingriff mit einem weiblichen
Rotor 38. Es ergibt sich natürlich, daB die Oberfläche der männlichen Rotorkämme
nichtkongruent ist mit den. Nuten des weiblichen Rotors. Das liegt an der Abwälzform
der Profile. Die abgedichtete Tasche ist noch geschlossen.
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Fig. 9 zeigt denselben männlichen Rotor gerade beim Eintritt in den
weiblichen Rotor, etwa 30o vor der vollen Eingriffsstellung (Yig. 8). Die Tasche
hat sich gerade geschlossen.
Und jedes Mittel, das darin eingeschlossen
ist, kann nur durch das Ende der Tasche entweichen, die gewöhnlich durch eine Endplatte
verschlossen ist.
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In Fig. 10 nähern sich die Rotoren auf ungefähr 200 vor dem voller.
Eingriff, aber die Tasche ist noch immer verschlossen durch Kämme, Nuten und Endwand.
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In Fig. 11 nähern sich die Rotoren fast dem vollen Eingriff, aber
die Tasche ist noch immer verschlossen.
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Fig. 12 zeigt das Hochdruckende der Rotoren und auch die Schnittkante
74 der beiden Rotorbohrungen. In dieser Figur beginnen die Rotoren in Eingriff miteinander
zu treten,-und die Stellung entspricht ungefähr 30o vor dem vollen Eingriff gemäß
Fig. 15. .Aber die Tasche 80 ist nicht geschlossen, sondern immer offen.
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In Fig. 13 befinden sich die Rotoren in weiterem Eingriff ähnlich
Fig. 10. Aber noch immer ist die Tasche nicht geschlossen, da sie seitlich offen
ist. In Fig. 14 sind die Rotoren. fast in vollem Eingriff (ähnlich Fig. 11), aber
noch immer ist die Tasche offen, da-seitlich zwischen den Kämmen noch immer eine
Öffnung bleibt.
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In Fig. 15 befinden sich die Kämme und Rippen im vollen Eingriff und
die Tasche ist vollständig verschwunden. Der männliche Rotorkamm ist kongruent mit
der weiblichen Rotornut. Ein Vergleich der Fig. 15 mit Fig. 8 zeigt den Unterschied
zwischen Abwälzprofilen und Kreisprofilen. Eine Weiterdrehung der Rotoren nach Fig.
15 verlegt die Dichtung . auf die linke Seite des männlichen Rotorkammes.
Die
Rotoren haben also, wie beschrieben, im Arbeitsbereich 61 (g bis L, Fig. 2) ein
Abwälzprofil, das ähnlich dem im US Patent 2 287 716 ist, während im Hochdruckbereich
63 (L bis M, Fig. 2)ein Übergang erfolgt, in welchem die Rotoren allmählich vom
Abwälzprofil zum Kreisprofil am äußersten Ende übergehen. Der Übergangsteil bzw.
die Hochdruckabschnitte sind in den Fig. 22, 23 und 32 bis 41 erläutert.
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Wie aus Fig. 32 hervorgeht, ist die Spitze des männlichen Rotorkammes
nach einem Kreise gebildet, obgleich geringfügige Abweichungen von der Kreisform
zulässig sind. Um die Erläuterung zu erleichtern, werden die Kämme als kreisförmig
bezeichnet und die komplimentären Oberflächen der Nuten im weiblichen Rotor werden
ebenfalls als kreisförmig bezeichnet. In Fig. 32 hat die kreisförmige Spitze 51
ihren %rümmungsmittelpunkt auf dem Teilkreis 82, während die Flanken 59 erzeugt
werden durch die Stirnfeldkanten 56 d.er'weiblichen Rotorrippen (Fig. 33). In den
Fig. 34, 36 und 38 ist die kreisförmige Spitze immer noch mit 51 bezeichnet und
auch in diesen Figuren liegt der grümmungsmittelpunkt im wesentlichen. auf dem Teilkreis.
Indessen wird die Länge des Radius, d.er die Spitze 51 erzeugt, in der Länge geändert
:wischen dem Hochdruckende des Rotors und dem Arbeitsbereich des Rotors. Und diese
hänge ist am geringsten am äußersten. Ende des Rotors, so daß auf diese Weise eine
kegelförmige oder in der Höhe abnehmende Höhe des Rammes in der Hochdruckzone erfolgt.
Ebenso ändert sich die Breite der kreisförmigen Spitze 51 zwischen dem Hochdruckende
des Rotors und seinem Schnitt mit der Spitze 53 im Arbeitsbereich, wobei sie an
dem äußersten Ende des Rotors am weitesten ist. Dies ist besonders gut gezeigt in
den Fig. 61 und 62, aus denen sich
ergibt, daß die Abnahme an Höhe
des Kammes weniger als die Hälfte der Höhe der Kämme im Arbeitsbereich beträgt.
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In den Fig. 33, 35, 3? und 39 ist die Wurzel 49 der
weib-
lichen
Rotornut ebenfalls kreisförmig und komplimentär der kreisförmigen Spitze 51 des
Kammes des männlichen Rotors. Jedoch nimmt die Tiefe der Nut in dem Hochdruckarbeitsbereich
in demselben Maße ab wie die Höhe des Kammes des männ-
liehen Rotors zus mmt. Die Abwälzflanken 57 der weiblichen |
. |
Rotorrippen gemäp-,13e, 37 und 39 werden durch die Erzeugungs- |
kanten 70 des männlichen Rotorkammes gemäß Fig. 341 36 und 38 erzeugt.
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Fig. 24 zeigt'eine Änderung der bevorzugten Form der Erfindung, in
welcher sich die Änderung des Profils vom vollen Abwälzprofil zum vollen Kreisprofil
in-einem scharfen. Absatz statt in allmählicher Entwicklung vollzieht Die Rotorkämme
bzw. Rippen haben also über den Gesamtbereich des Hochdruckgebietes 63' ein
Profil ähnlich den Fig. 32 und 33 und in dem Arbeitsbereich 61'' ein Profil ähnlich
den Fig. 40 und 41. Diese Ausführungsform ist jedoch, nicht bevorzugt, zeigt aber
die Möglichkeit der Herstellung. Fig. 27 zeigt das kreisförmige Ende des männlichen
Rotorkammes, in welchem der grümmungsmittelpunkt des Kreisprofils innerhalb des
Teilkreises 82 liegt.
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Ein solcher greis kann mit der weiblichen Rotornut nicht kongruent
sein, da der weibliche Rotor gemäß Fig. 28 hergestellt ist. Ebenso kann der Krümmungsmittelpunkt
nicht wesentlich außerhalb des Teilkreises liegen, weil die Maschine dann ebenfalls
unvorteilhaft arbeitet.
In Fig. 29 ist das Stirnfeld 64 an der
Spitze des männlichen Rotorkammes so ausgebildet, daß es sich auch über das Kreisprofil
in der Hochdruckzone erstreckt. Hier kann das Stirnfeld weiter oder enger als das
Stirnfeld in dem Arbeitsbereich sein. Auf jeden Fall hat ein durchgehendes Stirnfeld
den Vorteil, daß es eine Dichtung von erheblicher Breite im gesamten Gehäuse erzeugt.
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Fig. 30 zeigt einen männlichen Rotorkamm, bei welchem im Hochdruckbereich
der äußere -Durchmesser nicht kegelförmig ist. Das kreisförmige Enua ist in der
Höhe auf die Höhe im Arbeitsbereich gedacht, nimmt aber in der Dicke gegenüber dem
Abwälzprofil des Kammes zu. Ein dem männlichen Rotor entsprechendes weibliches Profil
ist in Fig. 31 gezeichnet. Die Kämme nach den Fig. 30 und 31 sind sehr schwierig
herzustellen.
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Die Fig. 25, 26, 52, 53, 54 und 42 bis-51 sowie 59 bis 62 zeigen ein
Paar von abwälzprofilierten Rotoren, in denen die Teile mit denselben Bezugszeichen
wie die in den übrigen Zeichnungen dargestellten und beschriebenen Teilen versehen
sind, jedoch mit dem Unterschied, daß die Bezugszeichen mit einem ' versehen sind.
Diese Rotoren können mit ober ohne das Kreisprofil in dem Hoohdruckbereieh angewendet
werden; aber wenn sie kein Kreisprofil aufweisen, dann bilden sie eben eine geschlossene
Hochdrucktasche. Wie aus Fig. 52 hervorgeht, ist die Nut 62' des weiblichen Rotors
381 im Querschnitt ähnlich der Nut 62 nach den Figuren 16 und 41. Sie wird
erzeugt durch die Stirnfeldkanten 58' des männlichen Rotors 341. Außerhalb des Nutenbereiehes
des weiblichen Rotors sind die Stirnfeldkanten der Rippen gebrochen, um hier Schrägflächen
86 zu bilden, die ganz oder teil-weise außerhalb des Teilkreises liegen.
Diese Schrägflächen
bilden neue Abwälzkanten 84, welche neue Dichtungskanten
an Stelle der Stirnfeldkanten 56 bilden. Ebenso sind entsprechende Flächen 88 an
den Wurzeln des männlichen Rotorkammes angeordnet, die kongruent sind mit den Flächen
86 am weiblichen Rotor, wie sich das aus Fig. 59 ergibt. Während die abgeänderte
Form der Rotoren eine etwas größere Kapazität als die Hauptform ergibt, liegt der
Hauptvorteil in der Leichtigkeit der Herstellung.
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Dies ist in den Figuren 55 und 58 gezeigt. Der Wurzelteil 681 und
die Oberflächen 88 des männlichen Rotorkammes werden zuerst in irgendeiner beliebigen
Weise geformt, bevor die Bildung des Äbwälzprofils beginnt. Ein Abwälzwerkzeug 92
dreht sich genauso wie der weibliche Rotor und im selben Zeitverhältnis zu diesem.
Der Schnitt erfolgt von der Spitze des Kammes bis zu seiner Wurzel, wie durch die
Pfeile gezeigt. Geeignete Getriebe überwachen die Drehung des Werkzeuges und des
Rotors. Die Werkzeugschneide 94 beendet ihren Schnitt bei 88 und rollt über die
Wurzel 681 der Tut 60', wobei genügend Spiel 90 zwischen der Schneide und dem Rotor
(Fig. 58) sich befindet, um eine Spanlücke zu bilden. Diese Spanlücke ist sehr wichtig,
da die Schneide 94 abbrechen würde, wenn sie auf der Wurzel 68° des männlichen Rotors
herüberrollen würde und sich Späne dazwischen festsetzen würden.
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Fig. 42 bis 51 zeigen ähnlich wie die Fig. 32 bis 41 die abgeänderte
Form. Der Unterschied ist der, daß die Rippen des weiblichen Rotors über dem Teilkreis
52 hinwegragen (Fig. 52) und daß eine schmale,flache Oberfläche 86 zwischen der
erzeugenden Kante 84 und dem äußeren Durchmesser liegt. Im männlichen Rotor ist
der Nabendurchmesser
kleiner als der Teilkreis, wobei das Abwälzprofil
bis zum Teilkreis reicht und schmale Schrägflächen 88 zwischen der Abwälzflanke
und der Wurzeloberfläche stehen bleiben. Die Gehäuse für die Rotoren sind bekannt
und bedürfen keiner besonderem Beschreibung. Der HochdruckauslaB ¢8 (Fig. 2) liegt
an dem verjüngten Ende des Rotors und ist gewöhnlich dreieckig ausgebildet, wobei
eine der Seiten durch die Endwand 16 gebildet wird, während die anderen beiden Seiten
den Gewindespitzen auf den männlichen und weiblichen Rotoren folgen, wenn diese
so gestellt sind, daß die Verdichtung zu dem gewünschten Auslaßdruck getrieben ist.
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Die bestimmenden Seitendes Niederdruckeinlasses sind ebenfalls dreieckig,
wobei die eine Seite durch die herausnehmbaren.Wandhälften 18 und 20 gebildet wird,
während die anderen zwei Seiten den Spitzen der männlichen Rotorkämme und weiblichen
Rotornuten folgen, wennfidiese sich an einer Stelle befinden, wo sie den größten
Einlaßquerschnitt bilden. In Fig. 1, in der die Drehrichtung durch Pfeile angedeutet
ist, belfindet sich der Niederdruckeinlaß, an der Stirnseite bzw. oberen Seite des
linken Endes, der Hochdruckauslaß an der unteren Seite des rechten Endes des Gehäuses.