DE1428270A1

DE1428270A1 - Aussenachsige Drehkolbenmaschine mit innerer Verdichtung bzw. Entspannung eines elastischen Arbeitsmittels

Info

Publication number: DE1428270A1
Application number: DE1964S0093133
Authority: DE
Inventors: Schibbye Lauritz Benedictus
Original assignee: Svenska Rotor Maskiner AB
Current assignee: Svenska Rotor Maskiner AB
Priority date: 1963-09-12
Filing date: 1964-09-12
Publication date: 1970-01-08
Also published as: US3283996A; DE1428270B2; BE652892A; GB1084465A; DE1428270C3; SE303170B; JPS504886B1

Description

Außenachsige Drehkolbenmaschine mit innerer Verdichtung bzw. Entspannung eines elastischen Arbeitsmittels.

Die Erfindung betrifft eine außenachsige Drehkolbenmaschine mit innerer Verdichtung bzw. Entspannung eines elastischen Arbeitsmittels, bestehend aus wenigstens zwei mit ihren Achsen in einer Ebene liegenden zusammenarbeitenden männlichen und weiblichen Rotoren mit schraubenförmigen, einen Umschlingungswinkel von weniger als 360° aufweisenden Rippen und dazwischenliegenden Nuten und einem Gehäuse mit einem die Rotoren dicht aufnehmenden Arbeitsraum, wobei der Arbeitsraum mit Niederdruck- und Hochdruckdurchlässen versehen ist und die Rippen der Rotoren, in einer Querebene gesehen, mit außerhalb des Teilkreises des weiblichen Rotors liegenden, im wesentlichen kreisbogenförmigen Flanken versehen sind und die Rippen des weiblichen Rotors außerhalb des Teilkreises liegende, radial Ansätze und die Nuten des männlichen Rotors entsprechende, innerhalb des Teilkreises liegende, radiale Aussparungen aufweisen. . /

Die Rotoren solcher Maschine arbeiten bekanntlich d.erart zusammen, daß die Rippen des einen Rotors mit den Nuten des anderen Rotors wechselseitig auf derselben Seite der die Achsen der Gehäusebohrungen enthaltenen Ebene, auf der sich der Hochdruckdurchlaß befindet, in Eingriff stehen, wobei winkelförmige Arbeitskammern zwischen den Rotoren und der Gehäusewandung gebildet werden, die jeweils einen Teil einer männlichen Rotornut und einen Teil einer damit in Verbindung

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stehenden weiblichen Rotormrb enthalten. Jede dieser Kammern hat ihre Basisenden in einer allen winkelförmigen Kammern gemeinsamen stationären Querebene, die auf der Seite des Hochdruckdurchlasses liegt, und hat ihre Spitze an dem Eingriff zwischen den Rippen der verschieden Rotoren. Wenn die Rotoren umlaufen, bewegt sich diese Spitze in axialer Richtung zur vorgenannten stationären Querebene hin, wodurch das Volumen der V-förmigen Kammer verändert wird. Durch Veränderung der Form der Durchlässe, insbesondere des Hochdruckdurchlasses, kann das Verhältnis zwischen den Volumina der V-förmigen Kammern zu den Zeitpunkten, an denen die Verbindung mit den Durchlässen unterbrochen bzw. hergestellt wird, verändert werden, was eine Änderung des eingebauten Volumenverhältnisses bedeutet. Hierdurch kann auch das durch das Volumenverhältnis bedingte eingebaute Druckverhältnis geändert werden, das jedoch zusätzlich von dem Wert K als Verhältnis der spezifischen Wärme bei konstantem Druck zur spezifischen Wärme bei konstantem Volumen beeinflußt wird. Dieser Wert K. variiert bekanntlich bei verschiedenen Gasen, so daß das eingebaute Druckverhältnis in ein und derselben Maschine auch noch durch die Art des Arbeitsmediums bestimmt ist.

Ein Problem bei einer Drehkolbenmaschine der eingangs genannten Art besteht in der Verteilung des Druckes innerhalb der V-förmigen Arbeitskammer. Diese Druckverteilung ist nämlich ungleichmäßig. In einem Verdichter ist der Druck am höchsten an der Spitze der Kammer, wo die Druckbildung infolge des Eindringens der Rotorrippen in die Nuten des anderen Rotors beginnt. Von dort wandert der Druck innerhalb der Nuten in Richtung zu der die V-förmige Arbeitskammer abschließenden Gehäusestirnwand. Wenngleich auch nicht so ausgeprägt, ist der Druck nahe der vorauseilenden Flanke jeder Nut niedriger als nahe der nachei-lenden Flanke, wenn das in der Nut eingeschlossene Gas in Umlauf richtung der Rotoren

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durch deren Drehung befördert wird. Dies hat zur Folge, daß das in den Nuten eingeschlossene Gas fortlaufend gegenüber den Nutflanken bewegt wird.

Wenn bei einem Verdichter die V-förmige Arbeitskammer zum Hochdruckdurchlaß geöffnet wird, ist der Druck in einem Teil, der Nut höher als im Durchlaß, während er in anderen Teilen der Nut niedriger ist. Der Strömungsverlauf zwischen der Nut und dem Hochdruckdurchlaß ist deshalb in den Abschnitten der Nut, in denen ein Überdruck im Verhältnis zum Hochdruckdurchlaß besteht, zum Durchlaß hin gerichtet, während der Strömungsverlauf in den Nutabschnitten, in denen ein niedrigerer Druck als im Hochdruckdurchlaß besteht, die umgekehrte Richtung hat. Diese Richtungsunterschiede bewirken eine ungleichmäßige Druckverteilung im Durchlaß selbst, die Verwirbelungen und Lärmbildung zur Folge hat. Die Änderung der Strömungsbedingungen infolge des Druckausgleichs in der Nut erfolgt selbstverständlich während der fortlaufenden Drehung der Rotoren und kehrt nach jeder Teildrehung derselben um die Rippen- bzw. Nutenteilung periodisch wieder, was sich in einer Schwingung auswirkt, deren Frequenz mit der Öffnungsfrequenz der V-förmigen Arbeitskammern zum Hochdruckdurchlaß übereinstimmt und somit von dem Produkt aus der Rotordrehzahl und der Anzahl der Rippen bzw. Nuten des betreffenden Rotors bestimmt ist.

Die beim öffnen der V-förmigen Arbeitskammern zum Hochdruckdurchlaß entstehenden unterschiedlich gerichteten Arbeitsmittelströmungen erzeugen einen plötzlichen Abfall des Antriebsdrehmomentes für die Rotoren, da die Ausströmung des Arbeitsmittels aus der Zone des Druckaufbaus bei der plötzlichen Vergrößerung des Ausströmquerschnittes erleichtert wird, so daß sich der Initialdruck verringert und sich der Druck insbesondere an den vorauseilenden Nutflanken vergrößert. Die auf diese Weise erzeugten Veränderungen im Antriebsdrehmoment sind so groß, daß sie unter gewissen Be-

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dingungen eine Richtungsänderung beim treibenden Moment des weiblichen Rotors hervorrufen können. Das treibende Moment des weiblichen Rotors beträgt normalerweise nur einen Bruchteil des treibenden Moments für den'männlichen Rotor. Dies * bedeutet, daß sich die Kraftrichtung an den Antriebselementen, mittels welcher das Drehmoment von der männlichen Rotorwelle zur weiblichen Rotorwelle übertragen wird, umkehrt, was zu deutlich wahrnehmbaren Schwingungen des weiblichen Rotors führt.

Wenn diese Drehmomentübertragung zwischen den Flanken der männlichen und weiblichen Rotorrippen erfolgt, hat dies eine beträchtliche Vergrößerung der Flankenabnutzung zur Folge. Wird dagegen das Drehmoment mit Hilfe von Synchronisierzahnrädern übertragen, dann kann diese Schwingung innerhalb des weiblichen Rotors, insbesondere an dem Synchronisierrad tragenden Wellenende, sekundäre Schwingungen, nämlich im wesentlichen Drehschwingungen mit so hoher Amplitude erzeugen, daß es zur unmittelbaren Berührung zwischen den Rippenflanken der Rotoren kommt, die eine vollständige Zerstörung der Rotoren trotz der Synchronisierzahnräder zur Folge haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses Schwingungsproblem zu lösen, das gemäß den vorstehenden Ausführungen im wesentlichen von den Druckänderungen im Hochdruckdurchlaß herrührt. Die Lösung dieser Aufgabe stützt sich dabei auf Untersuchungen mit dem Ergebnis, daß dann keine solchen Schwingungen auftreten, wenn das gesamte Antriebsmoment der Maschine in einem bestimmten Verhältnis auf den männlichen und den weiblichen Rotor verteilt wird. Durch Analyse der Frequenzen des im Auslaßkanal eines Verdichters infolge von Druckschwingungen entstehenden Geräusches, das eine Lautstärke von etwa I50 dB besitzt, ließ sich feststellen, daß der Hauptteil des Geräusches eine Frequenz aufweist, die der

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Anzahl der je Zeiteinheit entleerten V-förmigen Arbeitskammern, d.h. also dem Produkt aus der Rotordrehzahl und der Rippenanzahl dieses Rotors entspricht, oder, aber Frequenzen der harmonischen Oberschwingungen hierzu, was zur Folge hat, daß die in dem Verdichterauslaß erzeugten Druckänderungen von beachtlicher Größe sind.

Bei einem bei den Untersuchungen benutzten Standardprofil hatten die Rotoren denselben Außendurchmesser, und der männliche Rotor war mit vier Rippen und der weibliche Rotor mit sechs Rippen versehen. Jede Nut des weiblichen Rotors bestand,in einer Querebene gesehen, aus einem radial inneren Teil, der durch den Rotorteilkreis und einen Kreisbogen begrenzt ist, dessen Mittelpunkt auf dem Teilkreis liegt und dessen Radius 18 % des Außendurchmessers des Rotors beträgt, und aus einem äußeren Teil, der durch den Umschreibungskreis und den Teilkreis des Rotors sowie durch die Ergänzung der die Nut begrenzenden Rippen des Rotors bestimmt ist, wobei diese Ergänzung außerhalb des Teilkreises liegt und eine radiale Erstreckung entsprechend 14,3 % der Sehnenlänge desjenigen Teilkreisabschnittes aufweist, der innerhalb der zwei angrenzende Nuten trennenden Rippe liegt.

Mit diesem Standardprofil wurde theoretisch etwa 6,7 % des Gesamtdrehmomentes zum weiblichen Rotor übertragen, was wegen des Obersetzungsverhältnisses zwischen männlichem und weiblichen Rotor bedeutete, daß das vom weiblichen Rotor aufgenommene Drehmoment etwa 11 % der Größe des vom männlichen Rotor aufgenommenen Drehmoments betrug. Durch Vergrößerung der radialen Erstreckung der weiblichen Rotorrippe konnte die Drehmomentaufnahme dieses Rotors vergrößert werden, so daß z.B. bei einer Vergrößerung der vorerwähnten Sehnenlänge auf 20 % etwa 9,5 % mehr an Drehmoment zum weiblichen Rotor hin übertragen wurde, so daß sich die Drehmomentaufnahme des weiblichen Rotors auf 17 % der Drehmomentauf-

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nähme des männlichen Rotors vergrößerte. Gleichzeitig vergrößerte sich das VerdrängungsvoIumen der Maschine um etwa 3,5 %» was ebenfalls als günstig anzusehen ist.

Die Versuche zeigten, daß eine Vergrößerung der radialen Erstreckung der weiblichen Sotorrippen jedoch letztlich zu unerwünschten Auswirkungen führt. Der Größe dieser radialen Erstreckung sind Grenzen gesetzt, und nur in besonderen Anwendungsfällen ist es vertretbar, den Profilansatz an den Eippen des weiblichen Rotors kreisbogenförmig auszuführen, so daß der radiale 'Ansatz eine Erstreckung von 50 % öler vorerwähnten Sehnenlänge hat und fast 24- % des Drehmoments auf den weiblichen Rotor übertragen wird, dessen Drehmoment bei- etwa 46 % des vom männlichen Rotor aufgenommenen Drehmoments ist. Die Ursache für diese Begrenzung liegt unter anderem darin, daß der Längsspalt zwischen zwei angrenzenden V-fÖrmigen Arbeitskammern an der Eingriffsstelle infolge dieser großen radialen Zugabe zu groß im Verhältnis zum Volumen dieser Arbeitskammer wird. Die Strömung durch diesen Längsspalt hat deshalb zur Folge, daß der Druck in allen V-förmigen Kammern etwa gleich dem Druck im Hochdruckdurchlaß der Maschine wird, was zu einer beachtlichen Verminderung des Wirkungsgrades der Maschine führt. Weiterhin bringt die Vergrößerung des Drehmomentanteils des weiblichen Rotors ein Anwachsen der Rotorabnutzung, besonders bei Maschinen ohne Synchronisiergetriebe mit sich. Untersuchungen haben gezeigt, daß ein vollständig kreisbogenförmiger Profilansatz eine derart beträchtliche Verringerung des Wirkungsgrades zur Folge hat, daß eine Verwendung in der Praxis ausscheidet, hingegen aber eine Verwendung bei speziellen Maschinen möglich ist, bei denen die durch sonstige Kombinationseffekte erhaltenen Charakteristiken die Verringerung des Wirkungsgrades ausgleichen. Ein Maschinentyp, bei dem mit kreisförmigen Profilansatz gearbeitet werden kann, ist ein zwei stufiger Verdichter, bei dem es wesentlich ist, daß mit so

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großen Unterschieden zwischen den Verdrängungsvolumina der ersten und der zweiten Stufe gearbeitet wird, daß eine Druckverteilung zwischen den Stufen erhalten wird, die günstiger ist als der betrachtete Wirkungsgrad.

Bei Naschinen mit Synchronisiergetriebe kommt hinzu, daß eine Vergrößerung des vom weiblichen Rotor aufgenommenen Drehmomentanteils gleichbedeutend ist mit einer Vergrößerung des vom Synchronisiergetriebe zu übertragenden Drehmoments, wodurch sich auch die Torsionsbeanspruchung der die Synchronisierzahnräder tragenden Wellen vergrößert und die Gefahr des Direkteingriffs der Rotorflanken und deren Zerstörung wächst.

In Übereinstimmung mit den vorstehend erläuterten Versuchsergebnissen wird die oben erwähnte Erfindungsaufgäbe bei einer Drehkolbenmaschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß jeder Ansatz eine radiale Erstreckung hat, die 18-37,5 % der Sehnenlänge des durch die Flanken der Rippe begrenzten Teilkreisabschnittes beträgt.

Mit einer solchen Bemessung der radialen Erstreckung des Profilansatzes am weiblichen Rotor wird die Drehmomentaufnabme dieses Rotors gegenüber dem oben erwähnten.Standardprofil um 25-160 %

an ' vergrößert, und der /TJeckquerschnitt der Rippeneingriffsstelle nimmt um etwa 50 % zu. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung läßt sich der angegebene Bereich auf 20-30 % der Sehnenlänge einengen, was eine Vergrößerung der Drehmomentaufnahme für' den weiblichen-Rotor um 40-110 % und eine Maximalvergrößerung des 1 Leck querschnittes um etwa 35 % im Verhältnis zum Standardprofil ergibt. Optimale Verhältnisse stellen sich dabei mit einem Wert von 25 % der Sehnenlänge ein, wobei sich die Drehmomentaufnahme um 75 % erhöht, während die Vergrößerung des "Deckquerschnittes unterhalb 25 % gegenüber den Verhältnissen beim obengenannten Standardprofil bewegt. Durch die Er-

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findung wird auch die Gefahr von Schwingungen bei einer Vergrößerung des eingebauten Druckverhältnisses vermindert, d.h. mit ein- und demselben Arbeitsmittel bei einer Verringerung , der fläche der Rippenflanken, die den Druckänderungen im Hochdruckdurchlaß ausgesetzt sind, mit anderen Worten die Größe der davon abgeleiteten Drehmomentänderungen des weiblichen Rotors im Verhältnis zu den zwischen den Rotoren übertragenen Drehmoment.

In der Praxis wurde auch festgestellt, daß Drehkolbenmaschinen mit Standardprofilen-der Rotoren vollkommen ohne Schwingungen wie Verdichter mit einem eingebauten Druckverhältnis von etwa 7:1 arbeiten, was innerhalb eines sehr wichtigen Anwendungsgebietes ausnutzbar ist, nämlich zur Erzeugung von Druckluft für pneumatische Werkzeuge u. dgl., die normalerweise mit einem Druck von 7 kg/cm arbeiten. Das Hauptanwendungsgebiet für Drehkolbenmaschinen verlangt Jedoch beachtlich niedrigere eingebaute Druckverhältnisse. Zur Verdichtung von Gasen, die nicht durch flüssigkeit verunreinigt sein dürfen, werden trocken, d.h. ohne Einspritzung von Kühlflüssigkeit arbeitende Drehkolbenverdichter verwendet. Bei solchen Maschinen liegt die obere Grenze des eingebauten Druckverhältnisses praktisch bei 5*11 bedingt durch die thermischen Verwerfungen der Rotoren und des Gehäuses trotz intensiver Kühlung der Rotoren und des Gehäuses durch ein vollständig vom Arbeitsmittel getrenntes Kühlmittel innerhalb besonderer Kühlkanäle. Ein änderet, wichtiges Anwendungsgebiet der Drehkolbenverdichter ist die Verdichtung von Kühlmedien, insbesondere für Luftbefeuchtungsanlagen. Verdichter für diesen Zweck haben mit Rücksicht auf die gewünschte Verdichtung und Verdampfungstemperatur normalerweise ein eingebautes Druckverhältnis von etwa 3:1, in Jedem Falle Jedoch ein Druckverhältnis, das den Wert 5:1 nicht überschreitet.

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Bei den Drehkolbenmaschinen für die vorgenannten Anwendungsgebiete entstanden bisher Schwingungen, wenn die Rotoren der Maschinen Standardprofile aufwiesen, die unterhalb des erfindungsgemäßen Bemessungsverhältniöses für die radiale Erstreckung der Rippenansätze lagen. Dies gilt sowohl bei trocken arbeitenden Maschinen wie auch bei Maschinen mit öleinspritzung in den Arbeitsraum. Die Maschinen mußten deshalb zur Sicherstellung ihrer mechanischen Funktion mit Synchronisiergetrieben versehen werden. Außerdem mußte angesichts der Gefahr der unmittelbaren Berührung und somit Beschädigung der Rotorflanken durchs Pressen das Spiel zwischen den Rotorrippen unter Beachtung der schwingungsbedingten Winkelabweichung des weiblichen Rotors von der synchronisierten Mittellage wesentlich größer ausgeführt werden, als wie dies notwendig gewesen wäre, wenn keine Rotorschwingungen auftreten würden.

Untersuchungen haben bestätigt, daß es durch Anwendung der Erfindung möglich ist, die Entstehung solcher Schwingungen im weiblichen Rotor auch bei eingebauten Druckverhältnissen unter 5:Λ mit der erfindungsgemäßen Abänderung der Rotorprofile zu verhindern und dabei die Verteilung des Drehmoments zwischen den Rotoren in solcher Weise vorzunehmen,.daß die Drehmomentaufnahme des weiblichen Rotors proportional zunimmt. Durch Ausschaltung der Schwingungen im weiblichen Rotor ist die Möglichkeit gegeben, daß Spiel zwischen den Rotorrippen zu verringern, ohne daß die mechanische Zuverlässigkeit im Betrieb beeinträchtigt wird und die Leckverluste unzulässig ansteigen, was sich in einem vergrößerten Wirkungsgrad der Maschine äußert. Damit steigt die Wettbewerbsfähigkeit der erfindungsgemäß ausgebildeten Drehkolbenmaschinen gegenüber den bisher für den betreffenden Anwendungszweck benutzten Maschinentypen. Bei Maschinen mit öleinspritzung in den Arbeitsraum stellt sich schließlich der weitere Vor-

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teil ein, daß das Drehmoment zwischen den Rotoren durch direkte Berührung der Rippenflanken übertragen werden kann. Dadurch entfällt das Synchronisiergetriebe, und die Kosten für die Herstellung und die Einstellung bei der Inbetriebnahme und der überwachung werden gesenkt, was die Wettbewerbsfähigkeit der Maschinen weiterhin vorteilhaft beeinflußt.

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Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispielei Es aeigen :

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch einen Drehkolbenverdichter gemäss der Erfindung entlang der Linie 1 - 1 in Fig. 2,

Fig. 2 einen 'Querschnitt des in Fig. 1 gezeigten Verdichters entlang der Linie 2 - 2 in Fig. 1,

Fig. 5 einen anderen Querschnitt des in Fig. 1 gezeigten Verdichters entlang der Linie 3-3 in Fig. 1, . I

Fig. 4 einen waagerechten Schnitt durch einen Teil

des Verdichtergehäuses entlang der Linie 4-4-in Fig. 1,

Fig. 5 in einem Diagramm den Verlauf des Volumens einer V-förmigen Arbeitskammer, wenn diese sich gegen den Hochdruckdurchlass öffnet, aufgetragen über der axialen Erstreckung des Hochdruckdurchlasses,

Fig. 6 einen c^uerschnitt durch zwei zusammenarbeitende Schraubenrotoren, wie sie im Drehkolbenverdichter nach Fig. ^ bis 4 eingebaut sind,

Fig.6a in größerem Maßstab das Profil einer weiblichen Rotorrippe mit ausserhalb des Teilkreises liegendem Profilansatz,

Fig.6b in grösserem Maßstab die innerhalb des Teilkreises liegende Profilaussparung am Boden einer männlichen Rotornut,

Fig. 7 einen Längsschnitt durch eine abgewandelte

Aueführungsform eines erfindungsgemässen Drehkolbenverdichters und

Fig. 8 einen senkrechten Schnitt durch eine weitere Ausführungsform.

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Der in den Figuren 1 bis 4 dargestellte Drehkolbenverdichter hat ein Gehäuse 10 mit einem Arbeitsraum 12 in Gestalt zweier sich schneidender zylindrischer Bohrungen mit parallelen Achsen. Das Gehäuse 10 ist mit einem Niederdruckstutzen 14 und einem Hochdruckstutzen 16 für das Arbeitsmittel versehen, die mit dem Arbeitsraum 12 über einen Nipderdruckdurchlass 18 bzw. einen Hochdruckdurchlass 20 verbunden sind.

Bei dem dargestellten Drehkolbenverdichter liegt der Niederdruckdurchlass 18 vollständig in der Niederdruckstirnwand des Gehäuses und zum größten Teil auf der Oberseite der die Achsen der Gehäusebohrungen enthaltenden Horizontalebene (Fig. 2). Der Hochdruckdurchlass 20 liegt mit einem Teil in der Hochdruckstirnwand 24 und mit dem anderen Teil.in der Mantelwandung 26 des Gehäuses vollständig auf der dem Niederdruckdurchlass entgegengesetzten unteren Seite der die Achsen der Gehäusebohrungen enthaltenden Horizontalebene (Fig. 3 und 4).

Der Arbeitsraum 12 nimmt zwei zusammenarbeitende Rotoren, nämlich einen männlichen Rotor 28 und einen weiblichen Rotor auf, deren Achsen koaxial zu den /lchsen der Gehäusebohrungen verlaufen. Die Rotoren 28,30 sind drehbar im Gehäuse 10 gelagert (nicht dargestellt) und miteinander durch ein Zahnrad-Synchronisiergetriebe 32 verbunden. Der männliche Rotor ist mit einer aus dem Gehäuse 10 herausragenden Antriebswelle 34 versehen.

Der männliche Rotor 28 trägt vier schraubenförmige Rippen 36, deren Umschlingungswinkel etwa 300° beträgt und zwischen denen Nuten 38 liegen. Der weibliche Rotor 30 trägt sechs schraubenförmige Rippen 40 mit dazwischenliegenden Nuten 42, deren Umschlingungswinkel etwa 200° beträgt. Wie Fig. 6 zeigt, setzen sich die Flankenprofile der Rippen 36 des männlichen Rotors aus drei Abschnitten zusammen, und zwar aus einem Aussenabschnitt zwischen den Punkten 44 und 46, der bei vollem Eingriff einer Rippe 36 in eine Nut 42 des weiblichen Rotors innerhalb des Teilkreises 48 j'enes Rotors liegt und der

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im wesentlichen um einen auf dem Teilkreis 50 des männlichen Rotors liegenden Mittelpunkt mit einem Radius von 18,7 % des Aussendurchtnessers des männlichen Rotors kreisbogenförmig gestaltet ist, aus einem Zwischenabschnitt zwischen den Punkten 46 und 52, der zwischen dem vorgenannten Aussenabschnitt und dem Teilkreis 50 liegt, wobei dieser Zwischenabschnitt durch einen auf dem Teilkreis 48 des weiblichen Rotors und auf der Flanke der Nut 42 dieses Rotors liegenden Punkt 54 bestimmt ist, und aus einem Innenabschnitt zwischen den Punkten 52 und 56, der innerhalb des Teilkreises 50 liegt. Die Gestaltung dieses Innenabschnittes wird später erläutert.

Die Flankenprofile der Rippen 40 des weiblichen Rotors sind entsprechend aus zwei Abschnitten zusammengesetzt, und zwar aus einem Innenabschnitt zwischen den Punkteli 58 und der innerhalb des Teilkreises 48 des weiblichen Rotors liegt und kreisbogenförmig um einen auf diesem Teilkreis befindlichen Mittelpunkt mit einem Radius von 18,7 % des Aussendurchmessers des weiblichen Rotors verläuft und aus einem Aussenabschnitt zwischen den Punkten 54 und 60 der ausserhalb des Teilkreises 48 des weiblichen Rotors mit einer radialen Erstreckung liegt, deren durch die Punkte 60 und 62 begrenzte länge etwa 25»4 % der Sehnenlänge des Abschnittes des Teilkreises 48 des weiblichen Rotors beträgt, der innerhalb der Rippe 40 dieses Rotors lie^t und dessen Endpunkte der Punkt 54 und ein entsprechend gelegener Punkt auf dem Rippenprofil des weiblichen Rotors sind. Ber zwischen den Punkten 52 und 56 gelegene Innenteil der Rippenflanke des männlichen Rotors ist derart gestaltet, daß er fortlaufend gegen den zwischen den Punkten 54 und 60 gelegenen Aussenteil der Rippenflanke des weiblichen Rotors abdichtet, wenn dieser in den innerhalb des Teilkreises 50 liegenden Futgrund der Nut 38 des männlichen Rotors 28 eintritt bzw. aus diesem austritt.

iin geringes Spiel zwischen den Scheitelpunkten 44, 60 der Rotorrippen und der Mantelwandung 26 des Gehäuses zu

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ermöglichen und die hierdurch bedingten Leckverluste zu verringern, sind die Köpfe der Rotorrippen so geformt, daß d'ie Rippe 36 des männlichen Rotors an beiden Seiten ihres äussersten Teils (Punkt 44) leicht abgeflacht ist, so dass nur eine dünne Mste verbleibt und.der radial am weitesten aussen liegende Teil (Punkt 60) des Kopfes der weiblichen Rotorrippe 40 ist ebenfalls als dünne Dichtleiste ausgebildet. Am innersten Punkt 56 des Nutprofils des männlichen Rotors 28 ist eine der Dichtleiste 60 entsprechende Nut ausgearbeitet.

Der Niederdruckdurchlass 18 ist so gestaltet, daß die damit in Verbindung stehenden Rotornuten über ihre gesamte Länge offensind, wenn die Verbindung unterbrochen ist, so daß das vollständige Verdrängungsvolumen der Maschine immer nutzbar ist. Der Hochdruckdurchlass 20, der wie oben erwähnt, einen in der Hochdruckstirnwand 24 liegenden Teil und einen in der Mantelwandung 26 liegenden Teil aufweist, ist jedoch derart gestaltet, daß die Nuten 38,42 der Rotoren, wenn sie anfangen gegen den Hochdruckdurchlass 20 zu öffnen, ein beachtlich kleineres Volumen haben als bei der Trennung der Verbindung zum Niederdruckdurchlass. Der Hochdruckdurchlass 20 ist ferner so gestaltet, dass seine Kanten sowohl in der Mantelwandung 26 als auch in der Hochdruckstirnwand 24 im wesentlichen pa?arallel mit den die Nuten begrenzenden Rippenprofilen in derjenigen Stellung sind, in der die Nuten zum Hochdruckdurchlass öffnen. Um die Grosse des Hochdruckdurchlasses zu definieren, genügt es, von der Lage des Punktes (Fig. 4) zu sprechen, bei dem die Kante der gegen den Kopf der Rippe 36 des männlichen Rotors dichtenden Mantelwandung die Schnittlinie zwischen den beiden Bohrungen des Arbeits- raumes 12 kreuzt, da die Grosse des Hochdruckdurchlasses ' hierdurch deutlich bestimmt ist. Der maßgebende Faktor ist der Abstand des Punktes 66 von der. Niederdruckstirnwand des Gehäuses, wie dies das Diagramm in Fig. 5 zeigt, wo das Volumen der eine sich öffnende V-förmige Kammer bildenden Teile der Rotornuten, ausgedrückt in Prozenten des Gesamtvolumens der beiden Nuten, als Funktion dea Abatandes des

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Punktes 66 von der Niederdruckstirnwand, ausgedrückt in Prozenten des Gesamtabstandes zwischen Niederdruck- und Hochdruckstirnwand dargestellt ist.

Das Verhältnis des Gesaratvolumens der Rotornuten zum Volumen der V-förmigen Arbeitskammer im Zeitpunkt der öffnung zum Hochdruckdurchlass stellt das sog. eingebaute Volumenverhältnis f. der Maschine dar. Der mittlere Druck in der V-förmigen Arbeitskammer im Zeitpunkt der öffnung zum Hochdruckdurchlass kann mittels des eingebauten Volutnenverhältnisses und dem bereits eingangs erwähnten Wertes K für das verwendete. Arbeitsmittel er- λ rechnet werden. Das Verhältnis zwischen dem mittleren Druck in der V-förmigen Arbeitskammer im Zeitpunkt der öffnung zum Hochdruckdurchlass und dem Druck in den vollständig mit Arbeitsmittel angefüllten Rotornuten, bei deren'Verbindung mit dem Niederdruckdurchlass errechnet sich als das sog. eingebaute Druckverhältnis τ* nach der Formel :

Ti - £ *

Der in den Fig. 1 bis 6 dargestellte Drehkolbenverdichter arbeitet wie folgt : Die Rotoren 28, 30 werden von einem (nicht dargestellten) Antriebsmotor über die ₍Welle 34 und das Synchronisiergetriebe 32 angetrieben. Das .zu verdich- ä tende Arbeitsmittel wirddurch den Niederdruckstutzen 14 und ^den Niederdruckdurchlass 18 in den Arbeitsraum 12 angesaugt, von wo es in diejenigen Rotornuten 38,42 gelangt, die gegen den Niederdruckdurchlass 18 offen sind, so daß diese Rotornuten über ihre gesamte Länge mit Arbeitsmittel angefüllt werden. Durch die Drehung der Rotoren wird das Arbeitsmittel in Umfangsrichtung derselben mitgenommen. Dabei treten eine Rippe 40 des weiblichen Rotors in eine Hut 58 d.es männlichen Rotors und eine Rippe 36 des männlichen Rotors in eine Nut 42 des weiblichen Rotors ein.

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!'Hierdurch wird eine aus zwei kommunizierenden Nuten bestehende V-förmige Arbeitskammer gebildet, die sowohl gegen den Hochdruckdurchlass 20 als auch gegen den Niederdruckdurchlass 18 abgeschlossen ,ist und deren Volumen sich * während der Weiterdrehung der Rotoren fortlaufend verringert.

Während dieser Volumenverminderung vergrössert sich der Druck in dieser Arbeitskammer in erster Linie durch den gegenseitigen Eingriff der Rotorrippen und -nuten. Der anf'der Eintrittsstelle aufgebaute Druck wird durch die Nuten in Richtung zu den Hochdruckenden der Rotoren weitergeleitet. Durch die Drehung der Rotoren wird dem in jeder Rotornut eingeschlossenen Arbeitsmittel eine zusammengesetzte Axial- und Umfangsbewegung erteilt, wobei die Axialkomponente nahe dem Scheitel der V-förmigen Kammer und die Urafangskoraponente nahe der Basis dieser Kammer überwiegen. Auf diese Weise besteht in dem Arbeitsmittel in der Nähe der nacheilienden Rippenflanke ein höherer Druck als an der führenden Rippenflanke. Die Druckverteilung innerhalb der V-förmigen Kammer ist demzufolge sehr ungleichmässig, wird aber immer gleichmassiger, wenn sich die Rotoren weiter drehen und die Druckwelle durch den Eingriff vom Scheitel zur Basis der V-förmigen Kammer übertragen wird. Bei Arbeitsmitteln, in denen die Schallgeschwindigkeit relativ hoch ist, erfolgt diese "Druckübertragung schneller als bei Arbeitsmitteln mit relativ niedriger Schallgeschwindigkeit.

Nach Drehung der Rotoren um einen bestimmten Drehwinkel wird die V-förmige Arbeitskammer gegen den Hochdruckdurchlaß geöffnet. Die Druckverteilung innerhalb der Kammer ist dann noch so ungleichmässig, daß der Druck in dem an den Scheitel der V-förmigen Kammer angrenzenden Abschnitt höher ist als in dem sich gegen den Hochdruckdurchlaß öffnenden Anschnitt, während der Druck in den übrigen Abschnitten der Kammer, die mehr anihre Basis angrenzen, niedriger ist als im Hochdruckdurchlass. Hierdurch entsteht ein Strömungsbild, das sich aus

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verschiedenen Tei!.strömungen in entgegengesetzten Eichtungen zusammensetzt, wenn die Arbeitskammer gegen den Hochdruckdurchlass öffnet.

Infolge des Hochdruckes am Scheidel der Kammer und infolge der plötzlichen Vergrößerung des Ausströmquerschnittes entsteht eine "beträchtliche Strömung in diesem Teil des Hochdruckdurchlasses in Richtung von der Kammer zum Hochdruckstutzen, so daß der Druck in diesen Teil der Kammer sich verringert, was eine unmittelbare Verminderung der Kraft, mit der die Rotoren auf das Arbeitsmittel einwirken, zur Folge hat. Mit anderen Worten, es zeigt sich eine schnelle Verringerung des zur Drehung der Rotoren notwendigen Dreh- " moments. Gleichzeitig entsteht in demjenigen Teil des Hochdruckdurchlasses, der näher an der Basis der V-förmigen Arbeitskammer liegt, eine Strömung in Richtung vom Hochdruckstutzen zu den Rotornuten, so daß sich der Druck in den Rotornuten schnell auf dieselbe Höhe wie im Hochdruckdurchlaß vergrößert. Hierdurch vergrößert sich der Druck innerhalb der Rotornuten insbesondere in der Nachbarschaft der vorauseilenden Rippenflanken, wodurch Kräfteimpulse entstehen, die versuchen, die Rotoren mit einer höheren als der normalen Geschwindigkeit anzutreiben. Als Folge hiervon wird eine schnelle Herabsetzung des zur Drehung der Rotoren erforderlichen Drehmoments erzielt. Die Gesamtverringerung λ des so erhaltenen Drehmoments kann dazu führen, daß der weibliche Rotor für einen Augenblick durch das Arbeitemedium angetrieben wird, anstatt dieses zu treiben, wenn nämlich der weibliche Rotor ein solches Profil besitzt, daß sein Drehmomentaufnahmevermögen unterhalb eines gewissen Prozentsatzes des gesamten Antriebsdrehmomentes liegt. Wenn die Rotoren ihre Drehung fortsetzen, wird dann der Druck in den Rotornuten schnell ausgeglichen mit Ausnahme der dicht am Rippeneingriff liegenden Zone, wo jedoch der Strömungsquerschnitt so groß ist, daß der Druck an dieser

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Stelle nicht überall die gleiche Höhe erreicht, wie sie * auftritt, wenn die Eingriffsstelle noch durch die Mantelwandung abgedeckt ist. Das Arbeitsmittel strömt auf diese Weise vom Arbeitsraum 12 durc-h den Hochdruckdurchlaß 20 zum Hochdruckstutzen 16 und von'dort zum Verbraucher.

Aufgrund der vorgeschriebenen Strömungsverhältnisse ergibt sich eine periodische Änderung der Drehmomentbelastung der Rotoren mit einer Frequenz, die mit der Anzahl der sich je Zeiteinheit zum Hochdruckdurchlaß hin öffnenden V-förmigen Arbeitskammern übereinstimmt, d.h. mit anderen Worten, mit dem Produkt aus der Umdrehungszahl des Rotors und der Anzahl der Rotorrippen. Durch Gestaltung der Rotorprofile in Übereinstimmung mit der Erfindung ist sichergestellt, daß das den weiblichen Rotor antreibende Drehmoment größer ist als die Drehmomentverringerung, die sich bei der öffnung Jeder V-förmigen Arbeitskammer zum Hochdruckdurchlaß ergibt, wobei vermieden ist, daß der Rotor zu diesem Zeitpunkt einerBeschleunigung ausgesetzt ist« die zu Rotorschwingungen führte

Der in Fig. 7 dargestellte Verdichter unterscheidet sich von dem vorbeschriebenen nur dadurch, daß das die Rotoren verbindende Synchronisiergetriebe 32 weggelassen ist, so daß die Drehmomentübertragung zwischen den Rotoren durch direkten Flankeneingriff der Rotorrippen erfolgt.

Bei der weiterhin abgewandelten Ausführungsforra eines erfindungegemäßen Verdichters nach Fig. 8 ist das Gehäuse mit öffnungen 68 zur Einspritzung von Druckflüssigkeit versehen, die von einer nicht dargestellten Druckflüssigkeitsquelle dicht an die Zerschneidungslinie zwischen den Gehäusebohrungen auflder Seite des Hochdruckdurchlasses 20 zugeführt wird, wodurch einerseits eine verbesserte Kühlung und Dichtung innerhalb des Verdichters erreicht

7521/20,5-1969 - 19 .

Ö09882/0A73 .

wird und andererseits ein schmierender Flüssigkeitsfilm an den einander berührenden Rotorflanken erhalten wird.

Ansprüche/

7521/20.5.1969

9Q9882/CH73

Claims

Der Patentanwalt Όιρι.-Ινπ. W. Beyer

FRANKFURT/MAIN FREIHERR-VOM-STEIN-STRASSE

Svenska Rotor Maskiner AB

Neue Patentansprüche

Aussenachsige Drehkolbenmaschine mit innerer Verdichtung bzw. Entspannung eines elastischen Arbeitsmittels, bestehend aus wenigstens zwei mit ihren Achsen in einer Ebene liegenden zusammenarbeitenden männlichen und weiblichen Rotoren mit schraubenförmigen,einen Umschlingungswinkel von weniger als 360 aufweisenden Rippen und dazwischenliegenden Nuten und einem Gehäuse mit einem die Rotoren dicht aufnehmenden Arbeitsraum, wobei der Arbeitsraum mit Niederdruck- und Hochdruckdurchlässen versehen ist und die Rippen der Rotoren, in einer Querebene gesehen, mit ausserhalb des Teilkreises des männlichen Rotors bzw. innerhalb des Teilkreises des weiblichen · Rotors liegenden, im wesentlichen kreisbogenförmigen Flanken versehen sind und die Rippen des weiblichen Rotors ausserhalb des Teilkreises liegende, radiale Ansätze und die Nuten des männlichen Rotors entsprechende, innerhalb des Teilkreises liegende, radiale Aussparungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass Jeder Ansatz eine radiale Erstreckung hat, die 18-37»5 % der Sehnenlähge des durch die Flanken der Rippe (40) begrenzten Teilkreisäbschnittes beträgt .

Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch geke nnzeichnet, daß die radiale Erstreckung der Ansätze der Rippen (40) des weiblichen Rotors (30) 20-30 %, vorzugsweise etwa 25 % der genannten Sehnenlänge beträgt.

7521 /18.7.68

009882/0473

3. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch g e kennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise der männliche Rotor (28) vier und der weibliche Rotor (30) sechs Rippen (36 bzw. 40) mit dazwischenliegenden Nuten (38 bzw. 42) aufweisen und der innerhalb des Teilkreises (48) liegende Abschnitt des Nutprofila beim weiblichen Rotor (30) durch einen Kreisbogen begrenzt ist, dessen Mittelpunkt auf dem Teilkreis (48) liegt und dessen Radius etwa 18,7 % des Außendurchmessers dieses Rotors beträgt, wobei der männliche und weibliche Rotor gleiche Außendurchmesser aufweisen.

4. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ihr eingebautes Druckverhältnis weniger als 5:1 beträgt.

7521/

909882/0473