DE1964387B2 - Rotationskolbenmaschine, insbesondere verdichter oder expansionsmaschine - Google Patents

Description

d,der Abstand zweier Punkte M, und Λ ist, die beide auf einer im Punkt Λί, an eine der Einführungsgeraden (22) abgewandten Flanke (27) eines Zahnes (26) gezogene Tangente (29) liegen, und A, der Schnittpunkt dieser Tangente mit der Einführungsgeraden ist;

h, der Abstand des Punktes M, von der vom Mittelpunkt (0) des Ritzels (24) auf die Tangente gezogenen Senkrechten ist;

das Produkt d, ■ h, positiv ist, wenn die Abstände d, und h, auf der gleichen Seite von M₁ liegen, und negativ, wenn sie auf entgegengesetzten Seiten von Mi liegen;

r, der Abstand des Punktes M, von der Projektion (25) der Rotorachse auf die die Berührungslinien zwischen Ritzel (24) und Rotor (23) enthaltende Ebeneist;

dj, hj, η die analogen Größen bezüglich eines Berührungspunktes M₁ auf einer der Einführungsgeraden (22) zugewandten Flanke (31) eines Zahnes (32) sind.

2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, bei welcher die Zähne des Ritzels parallele Flanken haben, dadurch gekennzeichnet, daß die angegebene Bedingung über wenigstens 70% des in Berührung mit den Gewinden stehenden Abschnitts der Zähne erfüllt ist.

3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Flanken jedes Zahns über einen Teil ihrer Länge zueinander parallel sind und zum Ende hin konvergieren (51 in F i g. 7).

4. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (52) auf der Niederdruckseite entlang einer koaxial zum Rotor liegenden Kreiskegelfläche (54) abgeschnitten ist.

5. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende (63) einer einzigen Rippe (62) des Rotors auf der Niederdruckseite abgeschnitten ist

Die Erfindung bezieht sich auf eine Rotationskolbenmaschine, insbesondere Verdichter oder Expansionsmaschine, bei der innerhalb eines feststehenden Gehäuses

ίο mit Einlaß- und Auslaßöffnungen ein schraubverzahnter Rotor als Leistungsteil und mindestens ein Ritzel als Absperrteil, deren Achsen zueinander windschief angeordnet sind, derart in Kämmeingriff stehen, daß in jeder Winkelstellung des schraubverzahnten Rotors

wenigstens zwei Zähne des Ritzels bzw. jedes Ritzels an beiden Flanken in linienförmiger Berührung mit Rippenflanken des Rotors sind

Eine Rotationskolbenmaschine dieser Art ist aus Fig. 1 der US-PS 31 80 565 bekannt Bei Rotationskol-

benmaschinen dieser Art hängt der Grad der Druckänderung (Kompressionsgrad bzw. Expansionsgrad) von der Zahl der Rippen des Rotors ab, die gleichzeitig mit Zähnen des Ritzels im Eingriff stehen.
Je größer nämlich diese Zahl ist, umso Kleiner ist das

Restvolurnen der Arbeitskammern in dem Augenblick,

in dem diese in Verbindung mit der Hochdrucköffnung gebracht werden, und umso größer ist demzufolge der Grad der Druckänderung.

Je größer aber die Zahl der gleichzeitig miteinander

in Eingriff stehenden Rotorrippen und Ritzelzähne ist, umso schwieriger ist das Problem, die Maschine so zu konstruieren, daß Rotor und Ritzel zusammengebaut werden können. Es lassen sich auf dem Papier zahlreiche Maschinen dieser Art konstruieren, die an sich einwandfrei funktionieren wurden, die aber nicht realisiert werden können, weil Rotor und Ritzel nach getrennter Herstelluni' nicht zusammengebaut werden können.

Es sind Maschinen dieser Art bekannt, bei denen die Anzahl der gleichzeitig in Eingriff stehenden Rotorrippen und Ritzelzähne groß ist, bei denen aber der Zusammenbau von Rotor und Ritzel nur dadurch erfolgen kann, daß entweder der Rotor oder das Ritzel in mehrere Teile zerlegt wird. Da sich solche Maschinen aber mit großer Drehzahl drehen, müssen die Abmessungen des Rotors und des Ritzels sehr genau eingehalten werden. Wie groß auch die Präzision sein mag, mit der die verschiedenen den Rotor oder das Ritzel bildenden Teile einzeln hergestellt werden, so werden doch bei ihrem Zusammenbau unvermeidlich gewisse »Teilungsfehler« in der Kämmung hervorgerufen. Da ferner die Maschine beträchtlichen Erwärmungen ausgesetzt ist, können sich Ausdehnungen ergeben, die sich in den verschiedenen Teilen eines zusammengesetzten Werkstücks nicht homogen verteilen, wodurch die Teilungsfehler im Betrieb noch verstärkt werden.

Daraus kann sich eine schnelle Abnutzung ergeben, welche die Maschine sehr bald unbrauchbar macht.

Bei der aus Fig. 1 der US-PS 31 80 565 bekannten Rotationskolbenmaschine der eingangs angegebenen Art sind Ritzel und Rotor einteilig ausgeführt, wobei dennoch in jeder Winkelstellung des Rotors mehrere Zähne des Ritzels gleichzeitig an beiden Flanken mit Rippenflanken des Rotors in Berührung stehen. Der

(15 Zusammenbau wird in diesem Fall durch ein besonderes Zahnprofil des Ritzels erreicht: die Zähne haben ein spitzwinkliges Profil, wobei der Winkel so bemessen ist, daß wenigstens bei bestimmten Winkelstellungen des

Rotors die äußersten noch in Berührung mit Rippenflanken stehenden Zahnflanken zueinander parallel sind In diesen Winkelstellungen kann dann dis Ritzel längs einer parallel zu diesen Zahnflanken liegenden Einführungsgeraden in den Rotor eingeschoben werden. Die Zähne haben in diesem Fall aber sehr schmale Profile mit kleinem Profilquerschnitt, und entsprechend klein ist das von den Zähnen zwischen den Rippenflanken des Rotors abgegrenzte Volumen. Deshalb sind die Förderkapazität und die auf das Gewicht bezogene Leistung solcher Maschinen sehr klein.

In der gleichen Patentschrift sind auch Maschinen beschrieben, bei denen die Zähne des Ritzels parallele oder sogar nach außen divergierende Flanken haben und die dennoch ohne Unterteilung von Ritzel oder Rotor zusammengebaut werden können. Hierfür ist aber Voraussetzung, daß es wenigstens e^:ne Winkelstellung des Rotors gibt in der bei parallelen Zahnflanken nur ein einziger Zahn an beiden Flanken in Berührung mit Rippenflanken des Rotors steht, und in der bei divergierenden Zahnflanken kein Zahn an beiden Flanken in Berührung mit Rippenflanken steht. In dieser Winkelstellung kann dann jeweils das Ritzel längs einer Einführungsgeraden in den Rotor eingeschoben werden. Bei diesen Lösungen ist offensichtlich die Höchstzalil der gleichzeitig im Eingriff mit dem Rotor kommenden Zähne sehr beschränkt; dies hat zur Folge, daß der Kompressionsgrad bzw. der Expansionsgrad fir viele Anwendungszwecke, beispielsweise für Kompressoren von Kältegeräten, zu niedrig ist.

Schließlich sind in der US-PS 31 80 565 auch noch " Maschinen beschrieben, bei denen ohne Unterteilung des Ritzels oder Rotors sechs oder mehr Zähne des Ritzels gleichzeitig mit dem Rotor in Eingriff stehen können; dies wird dadurch ermöglicht, daß der Rotor eine konische Außenfläche mit sehr großem Kegelwinkel hat. der im Grenzfall sogar 180° erreichen kann, so daß der Rotor eine ebene Scheibe wird. Solche Maschinen verursachen aber beträchtliche axiale Schubkräfte, und zur Unterdrückung dieser Schubkräfte ist man dazu gezwungen, zwei entgegengesetzt wirkende Maschinen zusammenzubauen, insbesondere im Fall von ebenen Rotoren. Ferner muß der Sektor des Eingriffs zwischen Ritzel und Rotor begrenzt werden, und in zahlreichen Fällen muß der Rotor auf der Niederdruckseite abgeschnitten werden, wodurch die Förderkapazität herabgesetzt wird.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Rotationskolbenmaschine der eingangs angegebenen Art, die bei großem Fördervermögen und hohem Kompressions- oder Expansionsgrad ohne Unterteilung des Rotors oder des Ritzels zusammengebaut werden kann.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei wenigstens einer Winkelstellung des Rotors für wenigstens eine Einführungsgerade, die in der die Berührungslinien zwischen Ritzel und Rotor enthaltenden Ebene liegt, die folgende Beziehung wenigstens für einen Teil des in Berührung mit den Rippenflanken des Rotors stehenden Abschnitts der Zähne des Ritzels bzw. jedes Ritzels erfüllt ist:

hi > i

f'5

djder Abstand zweier Punkte Hund A ist, die beide auf einer im Punkt M, an eine der Einführungsgeraden abgewandten Flanke eines Zahnes gezogene Tangente liegen, und A-, der Schnittpunkt dieser Tangente mit der Einführungsgeraden ist;

hi der Abstand des Punktes M,- von der vom Mittelpunkt des Ritzels auf die Tangente gezogenen Senkrechten ist; das Produkt i/A positiv ist, wenn die Abstände d, und h, auf der gleichen Seite von M-, liegen, und negativ, wenn sie auf entgegengesetzten Seiten von M; liegen;
η der Abstand des Punktes Mi von der Projektion der Rotorachse auf die die Berührungslinien zwischen Ritzel und Rotor enthaltende Ebene ist;
dj, hj, jy die analogen Größen bezüglich eines Berührungspunktes Mj auf einer der Einführungsgeraden zugewandten Flanke eines Zahnes sind.

Eine Rotationskolbenmaschine, bei welcher die vorstehend angegebene Bedingung erfüllt ist, kann stets dadurch zusammengebaut werden, daß in der betreffenden Winkelstellung das Ritzel längs der Einführungsgeraden in den Rotor eingeschoben wird. In anderen Winkelstellungen, oder in anderen Einführungsrichtungen, für welche die Bedingung nicht erfüllt ist, ist der Zusammenbau nicht möglich, doch ist dies bedeutungslos.

Die angegebene Bedingung ist für alle Zähnezahlen, Rippenzahlen, Zahnprofile, Rippenprofile und Rotorprofile gültig; Voraussetzung ist jeweils nur, daß diese Parameter und die Abmessungen der Teile (insbesondere der Durchmesser des Ritzels) so aufeinander abgestimmt werden, daß die angegebene Bedingung wenigstens für eine Winkelstellung des Rotors und wenigstens für eine Einführungsgerade erfüllt ist. Trifft dies für mehrere Winkelstellungen und/oder Einführungsgeraden zu, dann wird dadurch zwar der Zusammenbau erleichtert, doch zeigt dies gleichzeitig an, daß hinsichtlich Förderleistung und Kompressionsbzw. Expansionsgrad noch nicht das Optimum erreicht ist. Dies bietet die Möglichkeit, die Konstruktion im Hinblick auf günstigere Werte abzuändern.

Das Überraschende an der angegebenen Bedingung ist, daß sie auch für Maschinen erfüllbar ist, bei denen in allen Winkelstellungen des Rotors die noch in Berührung mit Rippenflanken stehenden äußersten Zahnflanken nach außen divergieren; dies ist beispielsweise bei Maschinen der eingangs angegebenen Art der Fall, bei denen die Zähne des Ritzels parallele Flanken haben. Nach vorherrschender Meinung, die auch in der US-PS 31 80 565 zum Ausdruck gebracht ist, ist aus rein geometrischen Gründen in diesem Fall ein Zusammenbau nicht möglich. Bei den nach der Erfindung ausgebildeten Maschinen ist ein Zusammenbau jedoch dadurch möglich, daß dem Ritzel während des Einschiebens längs der Einführungsgeraden gleichzeitig eine Drehbewegung um diese Einführungsgerade erteilt wird. Dadurch entsteht eine zusammengesetzte schraubende Bewegung, durch die das Ritzel in Eingriff mit den Rippen des Rotors gebracht wird.

Es ist auf diese Weise möglich, Maschinen mit einstückigem Rotor und einstückigen Ritzeln zu bauen, bei denen stets eine größere Anzahl von Zähnen mit großem Profilquerschnitt im Eingriff mit dem Rotor steht und die demzufolge große Fördc.kapazitäten und hohe Kompressions- bzw. Expansionsgrade haben.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigt

F i g. 1 eine zum Teil geschnittene Ansicht einer

Rotationskolbenmaschine, die einen Rotor mit konischer Außenfläche und ein mit ihm im Eingriff stehendes Ritzel enthält,

Fig. 2 eine zum Teil geschnittene Ansicht eines Rotors mit zylindrischer Außenfläche und des mit diesem Rotor zusammenwirkenden Ritzels vor dem Zusammenbau,

F i g. 3 die Teile von F i g. 2 in der Anfangsphase des Zusammenbaus,

F i g. 4 die Teile von F i g. 2 in der Endphase des Zusammenbaus,

F i g. 5 einen Aufriß zur Darstellung der geometrischen Beziehungen zwischen einem Rotor und einem Ritzel,

F i g. 6 einen Aufriß zur Erläuterung einer besonderen Anwendung der Erfindung,

F i g. 7 eine schematische Schnittansicht einer besonderen Ausführungsform eines Ritzels bei einer Rotationskolbenmaschine,

F i g. 8 eine schematische Schnittansicht einer besonderen Ausführungsform eines Rotors bei einer Rotationskolbenmaschine und

F i g. 9 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Rotors bei einer Rotationskolbenmaschine.

Die in F i g. 1 dargestellte Rotationskolbenmaschine, die als Verdichter oder Expansionsmaschine verwendbar ist, enthält einen schraubverzahnten Rotor 1, dessen Gewindescheitel durch eine konische Fläche begrenzt ist. Der Rotor 1 ist um seine Achse 2 drehbar gelagert und wird von Kugellagern 3 in einem Gehäuse 4 gehalten. Zwei gezahnte Ritzel 5, die symmetrisch zueinander angeordnet sind, sind um ihre Achse 6 drehbar gelagert und kämmen mit dem Rotor 1. Durch das Gehäuse 4 ist eine Reihe von öffnungen 7 geführt, die um den Umfang verteilt sind und die Niederdrucköffnungen darstellen, d. h. die Einlaßöffnung für das Strömungsmittel im Fall eines Verdichters oder die Auslaßöffnung für das Strömungsmittel im Fall einer Expansionsmaschine. Auf der Hochdruckseite weist das Gehäuse 4 zwei öffnungen von dreieckigem Querschnitt für den Austritt des verdichteten Strömungsmittels bzw. für den Einlaß des zu entspannenden Strömungsmittels auf. Eine dieser öffnungen ist strichpunktiert bei 8 in F i g. 1 angedeutet, doch liegt diese Öffnung in Wirklichkeit vor der Schnittebene.

Die Abdichtung der Verdichtungs- oder Expansionskammern, welche durch zwei einander zugewandte Rippenflanken des Rotors 1, den mit diesen Rippenflanken in Berührung stehenden Zahn jedes Ritzels 5 und die Innenfläche des Gehäuses 4 begrenzt sind, ist in an sich bekannter Weise durch Flüssigkeitsdichtungen gewährleistet. Eine Abdichtungsflüssigkeit wird in die Maschine von der Seite des Einlasses des zu komprimierenden oder zu entspannenden Strömungsmittels her in der Nähe der Ritzel 5 eingespritzt Einspritzdüsen 9 sind auf der Niederdruckseite für den Einlaß dieser Abdichtungsflüssigkeit in dem Fall vorgesehen, daß die Maschine als Verdichter arbeitet. Falls die Maschine als Expansionsmaschine verwendet wird, liegen diese Einspritzdüsen in der Einlaßöffnung 8 für das Strömungsmittel.

Der Rotor 1 dreht sich in der Richtung des Pfeils f, wenn die Maschine als Verdichter arbeitet, und im entgegengesetzten Sinn, wenn die Maschine eine Expansionsmaschine ist

Der konische Rotor 1 kann durch einen Rotor mit zylindrischer Umfangsfläche ersetzt werden, beispielsweise den in Fig.2 dargestellten Rotor 11. Es ist zu bemerken, daß sowohl bei dem konischen Rotor 1 als auch bei dem zylindrischen Rotor 11 in allen Winkelstellungen des Rotors wenigstens zwei Zähne des Ritzels 5 gleichzeitig mit ihren beiden Flanken in Berührung mit Rippenflanken des Rotors stehen. Es ist daher unmöglich, das Ritzel durch einfaches Verschieben in den Rotor einzustecken, wenn man nicht den Zähnen des Ritzels oder den Rippen des Rotors sich

ίο nach außen verjüngende Profile geben will, durch welche die Förderkapazität und die Leistung der Maschine, bezogen auf ihr Gewicht, beträchtlich verringert werden. In F i g. 2 ist zu erkennen, daß beim Einschieben des Ritzels in den Rotor der Zahn e an der Rippe b und der Zahn c an der Rippe g anstoßen wurden.

Bei den bekannten Maschinen dieser Art wird das Problem des Zusammenbaus der Schraube und des Ritzels dadurch gelöst, daß entweder die Schraube oder das Ritzel in mehrere Teile unterteilt werden. Dadurch ergeben sich aber im Betrieb anisotrope Verformungen, durch welche die Maschine schnell unbrauchbar wird.

Durch die nachstehend beschriebene Ausbildung der Rotationskolbenmaschine ist es möglich, einstückige Rotoren und Ritzel zu verwenden, bei denen in jeder Winkelstellung des Rotors wenigstens zwei Zähne des Ritzels gleichzeitig mit ihren beiden Flanken in Berührung mit Rippenflanken des Rotors sind. Es wurde nämlich festgestellt, daß bei Erfüllung gewisser geome-

-,o irischer Bedingungen, die später erläutert werden, wenigstens eine Winkelstellung des Rotors besteht, bei der es möglich ist, derartige Rotoren und Ritzel zusammenzubauen, ohne daß diese unterteilt werden müssen.

In Fig.3 und 4 ist für einen zylindrischen Rotor 12 und ein Ritzel 13 dargestellt, wie in diesem Fall der Zusammenbau erfolgt. Das Ritzel 13 (F i g. 3) wird derart geneigt, daß seine Ebene einen Winkel a mit der Achse des Rotors 12 bildet, und die Enden 14 und 15 der Zähne 16 und 17, die mit ihren beiden Flanken in Berührung mit den Rippen 18, 19 und 21 des Rotors stehen müssen, werden in Berührung mit den beiden äußeren Rippen 18 bzw. 21 gebracht. Dann wird das Ritzel 13 entlang einer später noch zu definierenden E.inführungsgeraden 22 eingeschoben, wobei man gleichzeitig dem Ritzel eine Drehbewegung um diese Einführungsgerade 22 erteilt, so daß der Neigungswinkel a allmählich verringert wird, bis sich das Ritzel 13 an Ort und Stelle befindet (F i g. 4).

Unter Bezugnahme auf F i g. 5 sollen nun die geometrischen Bedingungen erläutert werden, welche der Rotor 23 und das Ritzel 24 erfüllen müssen, damit wenigstens eine Einführungsgerade 22 besteht

Die Zeichenebene von F i g. 5 ist die Ebene, welche

die Berührungslinien zwischen dem Ritzel 24 und dem Rotor 23 enthält, wenn sich das Ritzel in seiner Arbeitsstellung befindet Diese Ebene enthält nicht notwendigerweise die Achse des Rotors 23. Es. sei jedoch angenommen, daß der Abstand dieser Achse von der Zeichenebene etwa 20% des Außendurchmessers des Rotors 23 in der Mitte des Eingriffssektors zwischen Rotor und Ritzel nicht überschreitet, und daß der Winkel zwischen der Rotorachse und der Zeichenebene etwa 20° nicht überschreitet Bei 25 ist die Projektion der Achse des Rotors 23 auf die Zeichenebene dargestellt

Man zeichnet in dieser Ebene eine Gerade 22, und es sollen nun die Bedingungen definiert werden, die zu

erfüllen sind, damit diese Gerade tatsächlich eine Einführungsgerade im oben definierten Sinne ist.

In bezug auf diese Einführungsgerade 22 hat jeder Zahn 26 eine Flanke 27, die auf der der Einführungsgeraden 22 abgewandten Seite des Zahns liegt, und eine Flanke 28, die auf der der Einführungsgeraden 22 zugewandten Seite des Zahns liegt. Zur Vereinfachung der Beschreibung sollen die Flanken nach Art der Flanke 27 »abgewandte Flanken«: und die Flanken nach Art der Flanke 28 »zugewandte Flanken« genannt werden.

In einem Punkte M, einer abgewandten Flanke 27 ist die Tangente 29 an diese Flanke 27 gezeichnet, wobei der Punkt M, ein Berührungspunkt zwischen dem Zahn 26 und der Flanke einer Rippe 30 des Rotors ist. Diese Tangente schneidet die Einführungsgerade 22 in einem Punkt A_h Man fällt andererseits die Senkrechte OH₁ vom Mittelpunkt 0 des Ritzels 24 aus auf die Tangente 29. Mit d, bzw. Λ, sollen die Abstände M₁Ai bzw. M,H, bezeichnet werden, die auf der Tangente 29 vom Punkt M, aus unter Berücksichtigung des Vorzeichens gemessen werden; dies bedeutet, daß diese beiden Abstände das gleiche Vorzeichen haben, wenn sie (wie in Fig. 5) auf der gleichen Seite vom Punkt M, liegen, und daß sie entgegengesetzte Vorzeichen haben, wenn sie auf entgegengesetzten Seiten vom Punkt M, liegen. Der Absolutwert des Abstandes des Punktes Mi von der Projektion 25 der Schraubenachse soll r, genannt werden.

Ferner wird ein Berührungspunkt M₁ zwischen einem weiteren Zahn 32 und einer weiteren Rippe 33 des Rotors betrachtet, wobei der Punkt M₁ auf der der Einführungsgeraden 22 zugewandten Flanke 31 des Zahns 32 liegt. Mit dj, h, und η sollen die sich auf den Punkt Μ, beziehenden Größen bezeichnet werden, die den zuvor für den Punkt M,definierten Größen d_h /j,und ^entsprechen. Dasselbe gilt für die Punkte A₁MnU Hj.

Die Gerade 22 ist eine binfühningsgerade im zuvor definierten Sinn, wenn die folgende Bedingung für jedes Punktepaar, wie die Punkte Mund M₁ erfüllt ist:

In dem Sonderfall, daß die Zähne des Ritzels 24 parallele Flanken haben, genügt es, daß die obige Bedingung (1) für zwei Punktepaare erfüllt ist. welche an Flanken der beiden äußeren Rippen 34, 35 (Fi g. 6) des Rotors liegen, die in Berührung mit Zähnen des Ritzels stehen.

So ist in F i g. 6 ein Ritzel dargestellt, dessen Zähne parallele Flanken haben und mit einem Rotor mit konischer Außenfläche kämmen. Bei wenigstens einer Winkelstellung des Rotors stehen vier Zähne 36,37, 38 und 39 in Berührung mit drei Rippen 34,41 und 35 der Schraube. Die Zwischenzähne 37 und 38 stehen mit ihren beiden Flanken gleichzeitig in Berührung mit Rippenflanken, während die äußeren Zähne 36 und 39 jeweils nur mit einer ihrer beiden Ranken in Berührung mit Rippenflanken stehen.

In diesem Fall muß die Bedingung (1) für die beiden folgenden Punktepaare erfüllt sein:

Das erste Punktepaar ist durch jwei Punkte 42 und 43 an der äußeren Rippe 34 gebildet, wobei der Punkt 42 auf der der Einführungsgeraden 22! abgewandten Flanke des Zahns 37 am Umfang des Rotors liegt, und der Punkt 43 auf der zugewandten Flanke des Zahns 36 am Umfang des Ritzels.

Das zweite Paar ist durch die Punkte 44 und 45 gebildet, die den Punkten 42 bzw. 43 entsprechen und an Flanken der anderen Außenrippe 35 liegen.

Wenn der Rotor eine zylindrische Außenfläche hat und die Schnittlinie dieser Fläche mit der Ebene des Ritzels symmetrisch in bezug auf die vom Mittelpunkt des Ritzels auf die Projektion der Rotorachse auf diese Ebene bezogene Senkrechte ist, müssen die möglicher Einführungsgeraden, falls sie vorhanden sind, diese

ίο Senkrechte enthalten, die eine Symmetrieachse darstellt.

Durch die zuvor angegebene Bedingung (1) werden bestimmte Grenzen hinsichtlich der Abmessungen des Rotors und des Ritzels sowie ihrer gegenseitigen Lage vorgeschrieben.

So zeigt F i g. 6, wie man mit Hilfe der Bedingung (I] den maximalen Durchmesser des Ritzels bestimmer kann, für den wenigstens eine Einführungsgerade besteht.

Bei diesem Beispiel ist angenommen, daß die Erzeugende der konischen Fläche des Rotors eine Neigung von 45° zur Rotorachse aufweist. Das Ritzel hat 11 Zähne, deren Breite 16 mm beträgt. Der Abstand des Mittelpunkts des Ritzels von der Rotorachse beträgt 80 mm, und der Abstand zwischen diesem Mittelpunkt und der Erzeugenden des Kegels beträgt 30 mm. Det maximale Durchmesser des Ritzels, für den wenigstens eine Einführungsgerade besteht, kann nach einerr Näherun^sverfshren ^CTraⁿhisch in folgender Weist bestimmt werden:

Man nimmt einen Anfangsdurchmesser des Ritzels an für den das Profil des Ritzels dem Kreis 46 mit derr Durchmesser 0 entspricht. Man zeichnet eine erst« Gerade 22, für welche die Bedingung

für das an der äußeren Rippe 34 liegende Punktepaar 42 43 erfüllt ist. Hierfür gibt es unendlich viele Möglichkei ten, weil in der vorstehenden Gleichung nur die Größer h_h r„ hj, Tj vorgeschrieben sind.

Dann wird die Lage der Geraden 22 so geändert, daC die vorstehende Gleichung erfüllt bleibt und die sich au! das zweite zuvor definierte Punktepaar 44, 4i beziehende Größe dh/r einen Wert hat, der größer bzw kleiner als der sich auf die Punkte 42 und 43 beziehende gemeinsame Wert ist.

Wenn man wenigstens eine weitere Lage dei Geraden 22 finden kann, welche diese Bedingung erfüllt bedeutet dies, daß mehrere mögliche Einführungsgera· den bestehen, und daß der für den Durchmesser des Ritzels angenommene Wert kleiner als der Maximal wert ist.

Dann wird die Zeichnung für einen größeren Wer des Ritzeldurchmessers wiederholt, bis man einer Durchmesser entsprechend einem Ritzelprofil 47 findet für den eine solche Lage 22a der Geraden 22 besteht daß die Größe dh/r für die vier Punkte 42 bis 45 der gleichen Wert hat Diese Lage 22a stellt dann die einzig mögliche Einführungsgerade dar, und das Profil 4Ί entspricht dem maximalen Durchmesser des Ritzels. Mii den zuvor angegebenen Zahlenwerten findet man, dat dieser maximale Durchmesser in der Größenordnung von 91 mm liegt, bei einem größeren Durchmesset können Rotor und Ritzel nicht zusammengebau' werden, ohne daß eines dieser beiden Teile unterteil· wird.

Die Suche nach dem maximalen Durchmesser kanr natürlich auch in anderer Weise erfolgen. Man kanr

609540/41

insbesondere ein elektronisches Rechengerät verwenden.

In gleicher Weise findet man, daß für eine Maschine mit zylindrischem Rotor (Fig. 2), der symmetrisch in Bezug auf die vom Mittelpunkt des Ritzels auf die Rotorachse gezogene Senkrechte ist, mit folgenden Werten:

Rotordurchmesser
Zähnezahl des Ritzels
Achsabstand Rotor- Ritzel
Breite der Zähne

100 mm
11

80 mm
16 mm

10

der maximale Durchmesser des Ritzels in der Größenordnung von 94 mm liegt. Die einzige Einführungsgerade ist dann die Symmetrieachse, d. h. die vom Mittelpunkt des Ritzels auf die Rotorachse gezogene Senkrechte.

Bei diesem Beispiel und bei den nachfolgenden Beispielen können natürlich alle Abmessungen mit dem gleichen Faktor multipliziert werden, ohne daß die Bedingungen für das Vorhandensein der Einführungsgeraden davon berührt werden.

In analoger Weise findet man, daß bei einer Maschine mit zylindrischem Rotor für die folgenden Bedingungen keine Einführungsgerade vorhanden ist:

Rotordurchmesser

Ritzeldurchmesser

Zähnezahl

Zahnbreite

Achsabstand Rotor— Ritzel

Zähne mit parallelen Flanken.

100 mm
100 mm
15

11 mm
80 mm

.1°

Unter diesen Bedingungen kann man den Rotor und das Ritzel nicht zusammenbauen, ohne daß eines dieser Teile unterteilt wird. Damit eine Einführungsgerade vorhanden ist, muß der Durchmesser des Ritzels auf einen Wert von 84 mm verringert werden. In diesem Fall stehen jeweils fünf Zähne des Ritzels im Kämmeingriff mit dem Rotor, wovon in der Einführungsstellung drei Zähne mit ihren beiden Flanken in Berührung mit Rippenflanken des Rotors stehen.

Die zuvor angegebene geometrische Beziehung (1) ist für ideale Bedingungen aufgestellt worden, d. h. für Zähne, die sich genau an die Gewinde des Rotors anpassen. In der Praxis ist es notwendig, ein gewisses Spiel zwischen den Flanken der Zähne und den Rippenflanken des Rotors vorzusehen. Die Erfahrung zeigt, daß man ein Gesamtspiel (d. h. die Summe der Spiele zu beiden Seiten eines Zahns) zulassen kann, das von ein bis zwei Prozent der Zahnbreite beträgt, ohne daß ein merklicher Verlust an Förderkapazität hervorgerufen wird.

Dieses Spiel erleichtert den Zusammenbau des Rotors und des Ritzels und ermöglicht die Überschreitung der durch die Bedingung (1) vorgeschriebenen theoretischen Grenzen.

In der Praxis genügt es, daß diese Bedingung (1) für wenigstens 70% der nutzbaren Höhe des Zahns im Fall von Zähnen mit parallelen Flanken erfüllt ist. Die nutzbare Höhe eines Zahns ist definiert als die Länge der Flanke des Zahns, die in der Stellung maximaler Eindringtiefe des Ritzels in Berührung mit den Rippenflanken des Rotors steht

Es seien beispielsweise zylindrische Rotoren mit 6 oder 8 Rippen betrachtet, die einen Durchmesser von 100 mm haben und mit Ritzeln zusammenwirken, die 11 bzw. 15 Zähne mit parallelen Flanken haben. Es wurde gefunden, daß man bei einem Achsabstand von 80 mm die nutzbare Höhe der Zähne in der Größenordnung von 45% gegenüber der theoretischen Grenze vergrößern konnte, wenn man ein Gesamtspiel von 2% der Zahnbreite zuließ.

Man kann diese nutzbare Höhe der Zähne noch weiter vergrößern, wenn man die Parallelität der Zahnflanken nicht über die ganze Höhe des Zahns beibehält.

So ist in F i g. 7 ein zylindrischer Rotor 48 mit einem Durchmesser von 100 mm dargestellt, der mit einem Ritzel 49 mit 15 Zähnen zusammenwirkt. Die Breite der Zähne beträgt 11 mm, und der Achsabstand zwischen Rotor und Ritzel beträgt 80 mm. Zuvor war zu erkennen, daß bei diesen Kenngrößen keine Einführungsgerade für einen Durchmesser des Ritzels von mehr als 84 mm vorhanden ist, wenn die Zähne parallele Flanken haben. Bei der Ausführungsform von Fig.7 sind die Flanken der Zähne über eine Höhe von 15 mm vom Zahnfuß aus zueinander parallel, und sie weisen dann einen konvergierenden Abschnitt 51 auf, der einen Winkel in der Größenordnung von 30° mit der Achse des Zahns bildet. Man kann unter diesen Bedingungen den Durchmesser des Ritzels bis auf einen Wert von 100 mm bringen. Es besteht dann eine Einführungsgerade 22, welche mit der Symmetrieachse zusammenfällt.

Wenn man bei diesem Ritzeldurchmesser von 100 mm die Flanken der Zähne über ihre ganze Höhe parallel hielte, erhielte man gegenüber der Ausführungsform von F i g. 7 eine sehr geringfügige Zunahme der Förderkapazität, die einige Prozent nicht überschreiten würde. Dieser sehr geringfügige Vorteil würde sehr weitgehend durch die bereits erwähnten Nachteile aufgehoben, die sich aus einer Unterteilung des Rotors oder des Ritzels ergäben.

Es ist sehr wichtig, zu bemerken, daß es keineswegs notwendig ist, daß der Zusammenbau des Rotors und des Ritzels in der zuvor beschriebenen Weise bei jeder Winkelstellung des Rotors möglich ist. Vielmehr ist es vorgesehen, dem Rotor und dem Ritzel solche Profile und Abmessungen zu geben, daß dieser Zusammenbau nur bei einer begrenzten Zahl von Winkelstellungen des Rotors oder sogar nur bei einer einzigen Winkelstellung möglich ist.

So ist in Fig.8 ein zylindrischer Rotor 52 zu erkennender einen Außendurchmesser von 100 mm hat und mit einem Ritzel 53 mit 13 Zähnen mit parallelen Flanken zusammenwirkt. Der Achsabstand zwischen Rotor und Ritzel beträgt 80 mm, und die nutzbare Höhe der Zähne beträgt 20 mm.

Wenn der Rotor 52 über seine ganze Höhe zylindrisch ist, stehen bei jeder Winkelstellung des Rotors immer drei Zähne des Ritzels 53 gleichzeitig mit ihren beiden Flanken mit Rippenflanken des Rotors in Berührung. Man findet dann, daß bei dieser nutzbaren Höhe der Zähne keine Einführungsgerade besteht welche die Bedingung (1) erfüllt Man ist dann gezwungen, entweder die Höhe der Zähne zu verringern oder den Rotor oder das Ritze! zu unterteilen.

Es ist jedoch möglich, den Rotor 52 so zu profilieren, daß wenigstens eine Einführungsgerade bei einer beschränkten Zahl von WinkelsteUungen des Rotors vorhanden ist

Beispielsweise kann man. wie in F i g. 8 gezeigt ist, den Rotor 52 auf der Niederdruckseite entlang einer koaxial zum Rotor liegenden Kreiskegelfläche 54 abschneiden Es ist zu erkennen, daß bei einer bestimmten Anzahl von

Stellungen des Rotors, beispielsweise der in Fig.8 gezeigten Stellung, bei welcher das Ende 55 des auf der Hochdruckseite mit dem Rotor in Eingriff stehenden Zahns 56 gerade mit dem zylindrischen Umfang des Rotors abschneidet, die Flanke 57 des auf der Niederdruckseite mit dem Rotor in Eingriff stehenden Zahns 58 infolge der Abschneidung freiliegt. In dieser Stellung stehen nur zwei Zähne 59 und 61 mit ihren beiden Flanken in Berührung mit Rippenflanken des Rotors, und der Zusammenbau von Rotor und Ritzel ist ι ο ohne Unterteilung möglich. Es ist zu bemerken, daß sich die Länge des Eingriffs zwischen Rotor und Ritzel, am Umfang des Ritzels gemessen, im wesentlichen über eine ganze Zahl von Zähnen erstreckt. Bei dieser Lösung ist die Anzahl der Winkelstellungen des Rotors, bei denen der Zusammenbau von Rotor und Ritzel möglich ist, gleich der Anzahl der Rippen des Rotors.

Anstatt alle Rippen des Rotors abzuschneiden, wie dies in F i g. 8 gezeigt ist, kann man nur eine einzige Rippe abschneiden, wie F i g. 9 zeigt. Bei dieser Ausführungsform ist nur die Rippe 62 auf der Niederdruckseite bei 63 abgeschnitten. Es besteht dann nur eine einzige Winkelstellung des Rotors, bei welcher der Zusammenbau von Rotor und Ritze! möglich ist, wobei in dieser Stellung nur zwei Zähne des Ritzels mit ihren beiden Flanken mit Rippenflanken des Rotors in Berührung stehen.

Die Lösungen, wie sie in F i g. 8 und 9 dargestellt sind, ermöglichen es, gleichzeitig einen hohen Verdichtungsoder Expansionsgrad und eine maximale Förderkapazi- tat zu erzielen. Man kann insbesondere Maschinen realisieren, bei denen in wenigstens einer Winkelstellung des Rotors nur zwei Zähne des Ritzels mit ihren beiden Flanken in Berührung mit Rippenflanken stehen, und in allen Winkelstellungen des Rotors höchstens vier Zähne des Ritzels in Berührung mit Rippenflanken stehen. Man kann auch Maschinen konstruieren, bei denen wenigstens in einer Winkelstellung des Rotors nur drei Zähne des Ritzels mit ihren beiden Flanken in Berührung mit Rippenflanken des Rotors stehen, wobei die Anzahl der im Eingriff befindlichen Zähne in allen Winkelstellungen des Rotors höchstens 5 beträgt.

Es ist zu bemerken, daß die zuvor angegebene Bedingung (1) unabhängig von der Anzahl der Rippen des Rotors ist. Man kann also diese Zahl so wählen, daß sich jede Rippe in an sich bekannter Weise über einen Winkclsektor des Rotors erstreckt, der im wesentlichen gleich dem Winkelabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ritzeln ist. Bekanntlich ermöglicht diese letzte Bedingung die optimale Ausnutzung des zwischen zwei nebeneinandcrliegenden Rippen enthaltenen Volumens. Der genaue Winkclbereich jeder Rippe kann unter Berücksichtigung allgemein bekannter Überlegungen bestimmt werden, beispielsweise der Tatsache, daß es vorteilhaft ist, wenn die Anzahl der Rippen des Rotors und die Anzahl der Zähne des Ritzels keinen gemeinsamen Teiler haben.

Die beschriebenen Maschinen ermöglichen die Erzielung hoher Förderkapazitäten und Kompressionsgrade unter Verwendung von einstückigen Rotoren und Ritzeln, die sich im Betrieb nicht verformen und eine lange Lebensdauer gewährleisten.

So sind bei einem zylindrischen oder konischen Rotor mit sechs Rippen, der mit einem Ritzel mit elf Zähnen zusammenwirkt, die Förderkapazität und der Kompressions- oder Expansionsgrad um mehr als 10% gegenüber bekannten Maschinen gleicher Abmessungen erhöht

Insbesondere ermöglicht aber die beschriebene Lösung die Realisierung von Maschinen mit zylindrischen Rotoren, die einen Kompressions- oder Expansionsgrad von mehr als 10 ergeben. Man kann beispielsweise einen Rotor mit acht Rippen und ein Ritzel mit 15 Zähnen verwenden, wovon fünf Zähne gleichzeitig in Berührung mit Rippenflanken des Rotors stehen, und in der Einbaustellung drei dieser Zähne mit ihren beiden Flanken in Berührung mit Rippenflanken stehen. Nach dem Stand der Technik konnten so hohe Kompressionsgrade nur mit konischen Rotoren erhalten werden, die den Nachteil ergeben, daß beträchtliche axiale Schubkräfte erzeugt werden, oder mit Rotoren oder Ritzeln, die aus mehreren Teilen gebildet sind und sich schnell abnutzen. Diese hohen Kompressionsgrade können insbesondere in der Kälteindustrie erwünscht sein.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Rotationskolbenmaschine, insbesondere Verdichter oder Expansionsmaschine, bei der innerhalb eines feststehenden Gehäuses mit Einlaß- und Auslaßöffnungen ein schraubverzahnter Rotor als Leistungsteil und mindestens ein Ritzel als Absperrteil, deren Achsen zueinander windschief angeordnet sind, derart in Kämmeingriff stehen, daß in jeder Winkelstellung des schraubverzahnten Rotors wenigstens zwei Zähne des Ritzels bzw. jedes Ritzels an beiden Flanken in linienförmiger Berührung mit Rippenflanken des Rotors sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei wenigstens einer Winkelstellung des Rotors (1; 11; 12; 23; 48; 52) für wenigstens eine Einführungsgerade (22), die in der die Berührungslinien zwischen Ritzel (5; 13; 24; 49; 53) und Rotor enthaltenden Ebene liegt, die folgende Beziehung wenigstens für einen Teil des in Berührung mit den Rippenflanken (18,19,21; 31,33; 34, 35, 41) des Rotors stehenden Abschnitts der Zähne (16,17; 26,32; 36,37,38,39; 56,58.. 59,61) des Ritzels bzw. jedes Ritzels erfüllt ist:

d,h, .