DE1503579A1

DE1503579A1 - Verdichter fuer gasfoermige Medien

Info

Publication number: DE1503579A1
Application number: DE19651503579
Authority: DE
Inventors: E Schultz Forrest O
Original assignee: Midland Ross Corp
Current assignee: Midland Ross Corp
Priority date: 1964-04-06
Filing date: 1965-04-01
Publication date: 1970-03-19
Also published as: DE1503579C3; GB1030458A; DE1503579B2; US3275225A

Description

Patentanmeldung der Firma
Midland-Ross Corporation

Cleveland, Ohio / - USA -

Verdichter für gasförmige Medien.

Die Erfindung betrifft einen Verdichter für gasförmige Medien, insbesondere Luft nach Art eines Roots-Gebläses mit einer einen Einlaß für das zu verdichtende und einen Auslaß für das verdichtete Medium aufweisenden Verdichtungskammer, innerhalb welcher auf zwei in einem bestimmten Abstand voneinander liegenden parallelen Wellen zwei Rotore oder sogenannte Drehkolben drehbar angeordnet sind.

Diese Rotore oder Drehkolben eines derartigen Verdichters oder Drehkolbengebläses besitzen eine Anzahl radial nach außen weisender Flügel und zwischen diesen eine gleiohe Anzahl von Einbuchtungen. Gewöhnlich sind zwei derartige Flügel vorgesehen, sodaß sich ein etwa achtförmiger Querschnitt ergibt. Die Umrisse eines derartigen Rotors ergeben sich bei der heute allgemein üblichen Praxis aus einander

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abwechselnden nach außen (für die Flügel) bezw. nach innen (für die Einbuchtungen) gewölbten Kreisbögen von Kreisen gleicher Durchmesser.

Die Drehung der Rotore bei einem derartigen Verdichter ist beispielsweise über Steuerräder derart synchronisiert und der Achsabstand der Rotore derart bemessen, daß zwischen beiden Rotoren während des Durchganges eines Flügels des einen Rotors durch eine Einbuchtung des anderen Rotors ein bestimmter Zwischenraum kontinuierlich beibehalten wird. Der Zweck eines derartigen Zwischenraumes oder Spiels zwischen den Rotoren ist natürlich der, eine gegenseitige Reibung mit dem sich dadurch ergebenden allzu schnellen Verschleiß bezw. sogar eines Verklemmens zu vermeiden. Dieses Spiel bezw. dieser Spalt zwischen den Rotoren ergibt jedoch bedauerlicherweise einen Durchlaß für das verdichtete Medium, durch welchen es von der Hochdruckseite des Gebläses zu dessen Niederdruckseite zurückströmen kann, sodaß die volumetrische Leistung des Gebläses herabgesetzt wird. Dieser "Schlupf" ist eine Konstante für jeden gegebenen Verdichter bei einem gegebenen Druck und ist unabhängig von seiner Drehzahl. Die volumetrische Leistung eines Drehkolbengebläses nimmt jedoch merkbar ab, sobald seine Drehzahl unter der Maximal- oder Leistungsdrehzahl liegt. Infolge dieses Merkmales eines Drehkolbengebläses wurde sein Anwendungsbereich im wesentlichen auf derartige Gebiete beschränkt, bei denen mit konstanter Drehzahl und konstantem Leistungsvolumen gearbeitet werden konnte. ,

In Anbetracht dieser Nachteile der herkömmlichen Drehkolbengebläse liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Gebläse zu schaffen, welches durch eine neuartige

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Formgebung der Rotore den -öobläseschlupf vorteilhaft zu vermindern vermag, sodaß es auch auf Gebieten eingesetzt werden kann, welche eine einwandfreie Arbeitsweise des Gebläses auch bei stark schwankenden Gebläsedrehzahlen erfordern. Ein spezielles Anwendungsgebiet für ein derartiges Gebläse ist die Entgiftung der Auspuffgase von Verbrennungskraftinaschinen, wobei für das im Verlauf der Anti-Smog Campagne in Los Angeles und anderen Bezirken entwickelte "ManAirOx"-System (manifold air-oxidation), d.h. also für eine nachträgliche Verbrennung der Auspuffgase Druckluft benötigt wird. Die Anforderungen, welche an ein Gebläse für einen derartigen' Verwendungszweck gestellt werden, bestehen darin, daß es unter Normalbedingungen etwa 0,94 - 14,2 1/sec Luft bei O - 0,7 at bei einem Betriebsdrehzahlbereich von l.ooo - 10.000 u.p.M. liefern muß. Bisher bekannte Drehkolbengebläse ließen sich für diese Zwecke nicht einsetzen, da sie diesen Erfordernissen keineswegs zufriedenstellend entsprachen.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, bei einem Verdichter nach Art eines Rootsgebläses die Rotore derart auszubilden, daß jeder Rotor mehrere Flügel in Episykloldenf'orra und xwieohen diesen liegende Einbuchtungen in Hypozykoloidenform aufweist, daß der Durchmesser des beim 'Abrollen außen auf einem Stück eines festen Kreises mit dem Durchmessendie Epizykloide erzeugenden Kreises nicht größer 1st als B/2N, wobei N gleich der Flügelzahl ist, während der Durchmesser des beim Abrollen auf einem anschließenden Stück innerhalb des festen Kreises mit dem Durchmesser B die Hypozykloide erzeugenden Kreises nicht kleiner ist als B.'2N, und daß der Achsabstand der Rotore gleich B ist. Die Innenwandung

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der Verdichtungskammer, welche naturgemäß im Querschnitt der von den umlaufenden Rotoren bestrichenen Fläche entsprechen muß, ergibt sich erfindungsgemäß aus der Umfangslinie zweier sich schneidender Kreise mit dem Durchmesser D=B+ B/N, wobei die Kreismittelpunkte mit den Rotorachsen zusammenfallen. Nach einer weiteren Besonderheit der Erfindung ist der Durchmesser des die Epizykloide erzeugenden Kreises gleich A-C und der Durchmesser des die Hypozykloide erzeugenden Kreises gleich A + C, wobei C nicht wesentlich größer 1st als Ο,οοΐ Β.

Im Einzelnen wird die Erfindung anhand eines in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles nachstehend erläutert; es zeigen:

Figur 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Gebläse;

Figur 2 einen Querschnitt durch Figur 1 längs der Linie 2-2;

Figur j5 den Querschnittsumriß eines erfindungsgemäßen Rotors zur Darstellung der Querschnittsberechnung; und

Figur 4 und 5 in schematischen Darstellungen die Querschnittsprofile mit dem Spiel zwischen den Rotoren sowiezwischen jedem Rotor und der Wandung der ihn umgebenden Kammer für verschiedene Positionen der Rotore in der Ausbildung nach Figur J.

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Wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, weist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Gußgehäuse 11 mit einer Außenwandung 12 und einer rechtwinklig zu derselben quer durch das Gehäuse hindurchgehenden Innenwandung 13 auf. Diese Innenwand 13 unterteilt den von der Außenwandung 12 umschlossenen Raum in zwei Kammern 14 und 15* welche an den Außenseiten durch Abdeckplatten 16 bezw. 17 verschlossen sind, und zwar mittels in Gewindelöcher 19 eingeschraubte Befestigungsschrauben 18. Die beiden Abdeckplatten 16 und 17 sind ebenfalls Gußstücke und weisen ebenso wie die Außenwandung 12 des Gußgehäuses Kühlrippen 21 auf.

Innerhalb der Kammer 15 sind auf parallel zueinander verlaufenden Wellen 24 bezw. 25 mittels Stiften 26 bezw. zwei bis auf evtl. mögliche Pertigungstoleranzen völlig gleichartig ausgebildete Plügelrotore oder Drehkolben 22, 23 befestigt. Die Welle 25 ist in zwei in den Endwandungen der Kammer 14 angeordneten Kugellagern 28 und 29 gelagert und weist einen über die Außenabdeckung 16 dieser Kammer 14 hinausgehenden Wellenstumpf zum Antrieb über nicht dargestellte Antriebsanordnungen auf. Die Welle 24 des anderen Rotors ist in der gleichen Weise in Lagern 31, in der Kammer l4 gelagert, und beide Wellen 24 und 25 tragen in der Kammer 14 miteinander kämmende Zahnräder bezw. 34, sodaß bei einer Verdrehung der Welle 25 von außen her die Welle 24 durch die ineinander kämmenden Zahnräder gegenläufig angetrieben wird.

Wenn daher bei der Darstellung nach Figur 2 die Welle im Uhrzeigersinn verdreht wird und sie damit ihren Rotor 23 entsprechend dreht, wodurch sich eine entgegen dem

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Uhrzeigersinn verlaufende Verdrehung der Welle 24 mit ihrem Rotor 22 ergibt, wird das gasförmige Medium, also beispielsweise Luft, welche durch den von der Seite her in die Kammer 15 eintretenden Einlaßstutzen 35 in die Kammer gelangt, durch die Rotore verdichtet und aus der Kammer 15 unter höherem Druck durch den Auslaßstutzen J>6 hinausgedrückt.

Der geometrische Querschnitt der in Figur 3 dargestellten Rotore 22 und 23 weist bei dem Ausführungsbeispiel zwei Flügel in Form eines Epizykloids und eine gleiche Anzahl von zwischen diesen Flügeln verlaufenden Vertiefungen in der Form eines Hypozykloids auf. Die gestrichelte Außenlinie ist der Umriß eines Rotors aus einander abwechselnden Epizykloiden und Hypozykloiden, die beim Abrollen eines Punktes der Peripherie eines Kreises mit dem Durchmesser A auf einem festen oder Grundkreis mit dem Durchmesser B entstehen, wenn der erzeugende Kreis abwechselnd eine Umdrehung entlang der Außenseite des Grundkreises und dann eine Umdrehung entlang der Innenseite des Grundkreises vollführt* Zur Erzielung einer derartigen Form wird der Durchmesser des erzeugenden Kreises aus der folgenden Beziehung zum Durchmesser des Grundkreises A = B/8N berechnet, wobei N die Anzahl der gewünschten Flügel der jeweils gewünschten Ausführungsform bedeutet. Für den Umriß des Querschnittes eines zweiflügligen Rotors lautet daher die Beziehung zwischen dem Durchmesser des erzeugenden Kreises und dem Durchmesser des Grundkreises sinngemäß A - B/4 ·

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Wenn man nun ein Gebläse konstruieren würde mit zwei identischen Rotoren in der Ausbildung einander abwechselnder Epizykloiden und Hypozykloiden nach der Formel A = B/2N, welche auf parallelen Achsen angeordnet würden, die in einem Abstand B, also dem Durchmesser des Grundkreises, gelagert wären, so würden sich theoretisch die Rotoren während ihres Umlaufes ohne Spiel oder Zwischenraum an irgendeiner Stelle ihres Umlaufes längs einer Linie berühren. In der Praxis ist selbstverständlich eine derartige Berührung zwisohen den Rotoren nicht erwünscht, da sich durch die gegenseitige Reibung der Rotoren eine übermäßige Erwärmung bei Umlaufdrehzahlen von bis zu lO.ooo U.p.M. ergeben würde. Daraus ergäbe sich mindestens ei:. Übermäßiger Verschleiß. Da die Rotoren sich außerdem infolge unvermeidbarer Herstellungstoleranzen nicht nur berühren, sondern sogar ineinander treffen würden, würden sie sich verklemmen und das Gebläse außer Betrieb gesetzt.

Um daher zwischen den verschiedenen Teilen eines Gebläses ein noch ausreichendes Spiel zu erreichen, kann man dieser Ausbildung eines Rotors aus genau abwechselnden Epizykloiden und Hypozykloiden, die durch Abrollen von Kreisen mit gleichem Durchmesser auf bezw. in ein und demselben Grundkreis, d.h. also eines theoretisch genauen Rotors, nicht unbedingt folgen. Andererseits darf dieses Spiel zwischen Jeweils zwei Teilen an einer bestimmten stelle nicht über das Maß dessen hinausgehen, was unbedingt unter Berücksichtigung der bei der Herstellung eines Optimalspieles sich ergebenden Schwierigkeiten als erforderlich anzusehen ist, da ein übermäßiges Spiel einen erhöhten Schlupf und infolgedessen eine Verminderung der voluraetrischen Leistung des Gebläses ergibt.

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Die in der Reihenfolge der zunehmenden Bedeutung vom Standpunkt der Schwierigkeit bei der Herstellung eines Optimalspieles besonders kritischen Stellen für das erforderliche Spiel zwischen Gebläseteilen sind daher folgende:

1. Zwischen dem Punkt eines jeden Epizykloiden-Flügels, wel'cher radial von der Drehachse des Rotors am weitesten entfernt ist, und der Innenfläche der Wandung 12 des Gebläses: (Bezgl. der Innenfläche dieser Wandung 12 ist zu beachten, daß sie durch die Umfangslinien der beiden in einem Abstand gleich dem Durchmesser B des Grundkreises um die Achsmittelpunkte der Rotoren 24, 25 gezogenen, einander schneidenden Kreise gebildet werden, deren Durchmesser sich aus der Beziehung D=B+ B/N ergibt.) Diese Stelle eines Spieles ist die am wenigstens kritische, da sie eher durch die Herstellungsgenauigkeit nur eines Rotors als beider Rotoren beeinflusst wird.

2. Zwtehen den zwei Rotoren, wenn sie rechtwinklig zueinander wie in Figur 4 dargestellt stehen: Diese Stelle ist bereits kritischer, da sie durch die Herstellungsgenauigkeit beider Rotoren und durch den Axialabstand zwischen den Rotorwellen beeinflusst wird.

3. Zwischen den beiden zwei Rotoren, wenn sie wie

in Figur 5 dargestellt parallel zueinander liegen: Zusätzlich zu der Tatsache, daß diese Stelle durch

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die Herstellungsgenauigkeit bei beiden Rotoren und außerdem durch den Abstand der beiden Rotorwellen wie unter Punkt 2 beeinflusst wird, wird . diese Stelle auch durch die Winkelausrichtung der beiden Rotore beeinflusst, welche ihrerseits von derartigen Paktoren wie dem toten Gang in den Antriebsrädern, d.h. also deren Plankenspielraum, sowie von einer Durchbiegung der Rotorwellen bei Verdrehung abhängt, sodaß diese Stelle als die kritischste anzusehen ist.

Infolgedessen muß die Ausbildung eines theoretisch genauen Rotors etwas abgewandelt werden, um ein ausreichendes Spiel zwischen den Rotoren zu erzielen, wenn sie parallel zueinander liegen, um ferner ein geringeres, jedoch nichtsdestoweniger noch ausreichendes Spiel zwischen den Rotoren zu erreichen, wenn sie rechtwinklig zueinander stehen und schließlich um ein minimales aber wiederum noch ausreichendes Spiel zwischen dem radial am weitesten entfernten Punkt eines jeden Flügels und der Innenfläche der Gebläsewandung zu erreichen. Diese relative Priorität der erforderlichen Zwischenräume lässt sich durch die Konstruktion eines Rotors erreichen, welcher einander abwechselnde epizykloidische Flügel und hypozykloidische Einbuchtungen aufweist, bei welchem jedoch der epyzykloldische Flügel durch einen Punkt auf dem Umfang eines erzeugenden Kreises gestaltet wird, dessen Durchmesser kleiner ist als der sich aus der Formel B/2N ergebende Durchmesser, und dessen hypozyklidische Einbuchtungen durch einen abrollenden Kreis erzeugt werden, dessen Durchmesser größer ist als der sich aus der Formel B/2N ergebende, und zwar um den gleichen festen Betrag C.

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Dies ist in Figur 3 dargestellt, in welcher die teilweise voll ausgezogene Außenlinie eines tatsächlich für die Praxis auszuführenden Rotors entsprechend der abgewandelten Ausführung der epozykloidischen Flügel auf der rechten Seite und der hypozykloidischen Einbuchtung oben dargestellt 1st.

Wie die Figuren 4 und 5 zeigen, besitzt ein Gebläse mit Rotoren in der Außenform des in der Praxis tatsächlich auszuführenden Rotors nach Figur 3 ein konstruktionsmäßiges Spiel C zwischen dem radial am weitesten vom Mittelpunkt entfernten Punkt des epizykloidischen Flügels und der Innenfläche des den Rotor umgebenden Gebläsegehäuses. Wie Figur 4 zeigt, besteht zwischen den Rotoren ein konstruktionsmäßiges Spiel 2C, wenn sie rechtwinklig sueinander stehen* In Figur 5 beträgt das konstruktionsmäßige Spiel zwischen den parallel zueinander liegenden Rotoren C. Diese Zunahme in den konstruktionsmäßigen Spielräumen stimmt sehr gut mit der zunehmenden Schwierigkeit bei der Herstellung eines konstruktionsmäßig berechneten Spieles überein* und es ist bisher auch noch keine andere Konstruktionsformel bekannt geworden, welche diese Bedingung derart erfüllt.

Bei einem Gebläse, welches aufgrund der erfindungsgemäßen Berechnungsformel gebaut wurde und den Bedingungen zahlreicher Automobilhersteller im Zusammenhang mit der Entwicklung von ManAirOx-Entgiftungsanlagen der Auspuffgase entsprach, betrug der Durchmesser B des Grundkreises eines jeden Rotors 38,1 mm, während der Durchmesser des die Eplzykloide erzeugenden Kreise um C = 0,o254 mm kleiner

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war als der Wert A = B/2N (A = Β/4) und der Durchmesser des die Hypozykloide erzeugenden Kreises um den gleichen Betrag C = 0,o25& mm größer war.

Unter den bekannten Herstellungsverfahren zur genauen geometrischen Beschreibung eines Organes, dessen Querschnitt durch eine algebraische Formel ausgedrückt werden kann, dürfte Jedem Fachmann auf dem Gebiete der Herstellung von Rotoren eine Anzahl von Herstellungsverfahren bekannt sein, durch welche er Rotoren entsprechend der vorbeschrfebenen Ausbildung herstellen kann. So lassen sich beispielsweise derartige Rotoren sehr genau in beträchtlichen Mengen aus gesintertem Metallpunlver in genau ausgebildeten Formen herstellen. Zur Konstruktion der Form wird die Umfangslinie der Rotorkurven in Sperrholz etwa in 100-facher Größe durch einen Kopierbohrer ausgebildet, welcher in an sich bekannter Weise über tin die Kurven abtastendes Fuhrungsorgan sehr genau gesteuert wird, um die Löcher zu bohren. Dieses Sperrhoifcmodell wird dann geglättet und in ein oder mehreren Stufen mittels eines Pantograph oder dergleichen verkleinert, sodaß sidh ein sehr genaues Kopiermodell ergibt, aufgrund dessen der Formenmacher die entsprechende Form ausbilden kann.

Ansprüche;

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Claims

Patentingenieur . .. ,

Iremen I, En.il-Trinkler-Str.S Ansprüche. Telefon: 23 06 27

Verdichter für gasförmige Medien nach Art eines Rootsgebläses mit einer einen Einlaß für das zu verdichtende und einen Auslaß für das verdichtete Medium aufweisenden Verdichtungskammer, innerhalb welcher auf zwei in einem gewissen Abstand voneinander liegenden parallelen Wellen zwei Flügelrotoren oder Drehkolben drehbar angeordnet sind, und mit Anordnungen zur gegenläufigen Verdrehung der Rotore mit gleicher Drehzahl, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rotor (22, 23) mehrere Flügel in Epizykloidenform und zwischen diesen liegende Einbuchtungen in Hypozykloidenform aufweist, daß der Durchmesser (A) des bedm Abrollen außen auf einem Stück eines festen Kreises mit dem Durchmesser (B) des Epizykloide erzeugenden Kreises nicht größer ist als B/2N, wobei N gleich der Flügelzahl ist, während der Durchmesser (A) des beim Abrollen auf einem anschließenden Stück innerhalb des festen Kreises mit dem Durchmesser (B) die Hypozykloide erzeugenden Kreises nicht kleiner ist als B/2N, und daß der Achsabstand der Rotore gleich B ist.
2. Verdichter nach Anspruch 1 mit der Umdrehungsform der Rotoren angepaßtem Querschnitt der Verdichtungskammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandung der Verdichtungskammer sich aus der Umfangslinie zweier sich schneidender Kreise mit dem Durchmesser D=B+ B/N ergibt, wobei die Kreismittelpunkte mit den Rotorachsen zusammenfallen.

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3. Verdichter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des die Epizykloide
erzeugenden Kreises gleich A-C und der Durchmesser des die Hypozykloide erzeugenden Kreises gleich A + C ist, wobei C nicht wesentlich größer als Ο,οοΐ Β ist.

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