DE19709202C2 - Drehkolbenmaschine mit axial verdrehten Drehkolben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff des ein­ zigen Anspruchs.

Drehkolbenmaschinen der gattungsgemäßen Art können beispielsweise als Va­ kuumpumpe für kompressible Medien, als Expansionskraftmaschine oder als Kompressor eingesetzt werden.

Im Unterschied zu beispielsweise aus der DE-AS 20 13 335 oder der GB 2 062 106 bekannten Schraubenkompressoren handelt es sich bei der gat­ tungsgemäßen Drehkolbenmaschine um einen sog. Querkompressor. Hierbei er­ streckt sich der Verdichtungsraum über die gesamte axiale Länge der Drehkolben. Die innere Verdichtung kommt dadurch zustande, daß das Volumen des Verdich­ tungsraums durch die gegensinnige Drehung der ineinandergreifenden Drehkol­ ben in deren Umfangsrichtung reduziert wird, während gleichzeitig die Auslaßöff­ nung durch den einen Drehkolben verschlossen gehalten wird.

Bei einer bekannten Drehkolbenmaschine (GB-PS 992 226) ist die Auslaßöffnung in einer Stirnwand des Gehäuses ausgebildet. Die beiden Drehkolben wälzen mit ihren Grundkreisen aneinander ab. Hierbei besitzt der erste Drehkolben zwei vom Grundkreis vorspringende Zähne, die in entsprechende Zahnmulden des zweiten Drehkolbens eingreifen. Das Gehäuse besitzt eine Umfangswand, welche die Kopfkreise der beiden Drehkolben umschließt und in der eine Einlaßöffnung an derjenigen Stelle vorgesehen ist, an der sich die beiden Kopfkreise überschnei­ den. Wenn sich ein Zahn des ersten Drehkolbens an der Einlaßöffnung des Ge­ häuses vorbeibewegt, wird ein bestimmtes Gasvolumen zwischen den Zähnen des ersten Drehkolbens und der Umfangswand des Gehäuses eingeschlossen. Wenn dann bei der Weiterdrehung der Drehkolben der vorauslaufende Zahn des ersten Drehkolbens in die Zahnmulde des zweiten Drehkolbens eintritt, wird das eingeschlossene Volumen auch durch den Umfang des zweiten Drehkolbens be­ grenzt. Durch den nachlaufenden Zahn des ersten Drehkolbens wird sodann das eingeschlossene Gas verdichtet. Wenn die nächste Zahnmulde des zweiten Drehkolbens sich an demjenigen Bereich der Stirnwand des Gehäuses vorbeibe­ wegt, in dem sich die Auslaßöffnung befindet, wird das verdichtete Gas durch die Auslaßöffnung ausgeschoben. Gegen Ende dieser Ausschubphase tritt der Zahn des ersten Drehkolbens in die Zahnmulde des zweiten Drehkolbens ein. Der Zahn steht dann mit der Kontur der Zahnmulde an zwei achsparallelen Dichtlinien in Berührung. Hierdurch wird ein Ausschubraum gebildet, der mit der Auslaßöffnung in Verbindung steht, jedoch von den übrigen Umfangsbereichen der Drehkolben getrennt ist. Beim weiteren Eindringen des Zahnes in die Zahnmulde wird das Volumen des Ausschubraumes praktisch auf Null verringert, so daß das verdich­ tete Gas vollständig in die Auslaßöffnung ausgeschoben wird.

Aus der GB 576 603 ist ferner eine Drehkolbenmaschine mit identischen Drehkol­ ben und axial angeordnetem Einlaß sowie Auslaß bekannt, wobei die Drehkolben analog zu einem Schraubenkompressor in sich in axialer Richtung verdreht sein können.

Bei diesem Stand der Technik ist als nachteilig anzusehen, daß der Strömungs­ querschnitt der Auslaßöffnung und des Restausschubraumes gegen Ende der Ausschubphase durch den zweiten Drehkolben und den Zahn des ersten Dreh­ kolbens zunehmend verengt wird. Hierdurch wird der zu überwindende Strö­ mungswiderstand beim Ausschub des Restvolumens in unerwünschter Weise größer. Die Dicke bzw. axiale Länge der Drehkolben kann jedoch nicht beliebig vergrößert werden, da sonst das Verhältnis zwischen dem Volumen des Auss­ chubraumes und dem Strömungsquerschnitt so ungünstig werden würde, daß ho­ he Energieverluste und eine hohe thermische Belastung eintreten. Dieselbe Schwierigkeit ergibt sich, wenn die Drehzahl der Maschine erhöht wird. Es sind deshalb bei Drehkolbenmaschinen dieser Art einer Steigerung der Leistung enge Grenzen gesetzt.

Aus der US 4 504 203 ist ein Schraubenkompressor mit zwei zusammenwirken­ den Rotoren bekannt, bei dem die Seitenwände der Rotoren ein Schraubenprofil aufweisen.

Aus der US 2 701 683 ist ein Rootsgebläse bekannt, bei dem zwei Rotoren mit je drei oder mehr Zähnen zusammenwirken. Die Rotoren weisen ein schraubenför­ miges Profil auf, jedoch erfolgt eine Förderung von Medium in Umfangsrichtung. Einlaß und Auslaß sind bzgl. der Rotoren radial angeordnet.

Es ist festzustellen, daß die Drehkolben von Maschinen der beschriebenen Art eine nicht optimierte Geometrie der Ausschubverhältnisse besitzen. Gerade im letzten Verdichtungsbereich liegen sehr kleine Querschnitte für das Ausströmen der Gase vor. Hierdurch gelangen die kompressiblen und teilweise inkompressi­ blen Medien von der gegenüberliegenden Seite der Auslaßöffnung nicht mehr durch die Drehkolbenpaarung zur anderen Drehkolbenseite. Dies führt zu einem zusätzlichen Aufbau von Flächenpressungen zwischen der Drehkolbenpaarung, so daß sich eine Begrenzung in der Drehkolbenlänge, ein höheres Verdichtungs­ verhältnis und eine verschlechterte Wasserverträglichkeit ergibt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Drehkolbenmaschine der gattungsgemäßen Art zur Beseitigung der geschilderten Nachteile derart auszu­ gestalten, daß sich ein kontinuierlicher Ausschub des zu verdichtenden Mediums ergibt, um hierdurch aufgrund der verbesserten Ausschubverhältnisse insgesamt den Wirkungsgrad zu erhöhen und die Schallemission zu reduzieren.

Die Merkmale der zur Lösung dieser Aufgabe geschaffenen Erfindung ergeben sich aus dem einzigen Anspruch.

Bei der erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine ist die Ausgestaltung derart getroffen, daß die Drehkolben über ihre axiale Länge gegeneinander verdreht ausgebildet sind, wobei der Verdrehwinkel der sich aneinander abwälzenden Pro­ fillinien der Drehkolben gegenüber den Rotationsachsen 10° bis 180° beträgt.

Dies hat den Vorteil, daß durch die zusätzliche Verdrehung der Rotoren ein konti­ nuierlicher Ausschub erzielt ist, was zu einer reduzierten Pulsation und zu einer verminderten Geräuschentwicklung führt.

Die erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine bleibt trotz ihrer speziellen Ausge­ staltung ihrer Art nach ein Querkompressor, bei dem die Verdichtung einheitlich auf der gesamten axialen Länge der Drehkolben erfolgt, während die Auslaßöff­ nung durch die unterseitige Stirnfläche des zweiten Drehkolbens (Nebenläufer) geschlossen gehalten wird. Aufgrund der in sich verdrehten Ausbildung der Dreh­ kolben ist der Zeitpunkt des Öffnens und/oder Schließens der Auslaßöffnung verzö­ gert. Hierdurch verlängert sich die Zeit, die insgesamt für den Ausschub des Mediums aus dem Ausschubraum zur Verfügung steht, um einen Betrag, der dem Verdrehwinkel zwischen der oberseitigen Stirnfläche der Drehkolben und deren unter­ seitigen Stirnfläche entspricht.

Auf diese Weise wird eine wesentliche Verbesserung der Aus­ schubverhältnisse erreicht. Außerdem wird der Wirkungsgrad erhöht und die Schallemission reduziert.

Die Verdrehung der beiden Drehkolben ist gegenläufig ausge­ bildet, so daß beispielsweise der erste Drehkolben (Haupt­ läufer) entlang seiner axialen Länge um +10° in sich ver­ dreht ist, während demgegenüber der zweite Drehkolben (Ne­ benläufer) entlang seiner axialen Länge um -10° verdreht ist.

Insgesamt ergeben sich durch die erfindungsgemäße Drehkol­ benmaschine beträchtliche Vorteile, die u. a. in folgendem zu sehen sind:

• - es lassen sich Auslaßöffnungen bei kleinem Rota­ tionswinkel vorsehen, so daß sich hohe Verdichtungsver­ hältnisse erzielen lassen;
• - es ergibt sich eine kontinuierliche Auslaßströmung bei konstanten Querschnitten;
• - die erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine ermöglicht den Einsatz im Mischmedienbereich, d. h. für kompressible sowie inkompressible Medien, und sie ist außerdem sehr wasserdampfverträglich;
• - es ergibt sich ein höherer Wirkungsgrad (aufgrund des reduzierten Aufbaus eines Gegendruckes im Auslaßbereich sowie aufgrund einer erzielbaren thermischen Entla­ stung);
• - es tritt eine Reduzierung des Strömungswiderstandes ge­ gen Ende der Ausschubphase auf;
• - der Ausschub der verdichteten Medien läßt sich nach ge­ wünschten Wirkleistungskriterien gestalten, beispiels­ weise in Richtung isochore bzw. isotherme Verdichtung, und
• - es ist die Beibehaltung einer Auslaßöffnung für ver­ schiedene Ansaugdrücke bei gleichen Verdichtungsver­ hältnissen möglich.

Aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen "In-sich-Verdre­ hung" der Drehkolben von mindestens 10° bis zu maximal 180° entlang deren Rotationsachse lassen sich bei gleicher Um­ drehungsposition verschiedene differentiale Ver­ dichtungsverhältnisse erzielen. Hierbei bleibt die Drehkol­ benmaschine, wie schon erwähnt, trotz der Verdrehung ihrer Drehkolben ihrer Art nach ein Querverdichter.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Ausgestaltung ermöglicht die Ausbildung von unterschiedlichen Varianten von Drehkol­ benprofilen einschließlich sog. Doppelklaue, Dreifachklaue, Schraube usw. derart, daß bei der Verdichtung im letzten Drehwinkelbereich sowie weiterführend beim Kämmen der in­ einandergreifenden Zähne bzw. Zahnmulden der Drehkolben der Transport eines Totvolumens von der Druckseite auf die Saugseite unterbunden bzw. reduziert ist. Dies ergibt sich deswegen, weil zwischen den sich abwälzenden Profilen der ineinandergreifenden Drehkolben erfindungsgemäß kein bzw. ein nur minimales Totvolumen vorhanden ist.

Aufgrund der Möglichkeit der Reduzierung des Totvolumens ergibt sich damit nicht nur ein entscheidend verbesserter Wirkungsgrad, sondern es wird auch aufgrund des verringer­ ten Totvolumens eine Verminderung der Schallemission im An­ saugbereich erzielt. Dies ist deswegen von Bedeutung, weil andernfalls das im Totvolumen vorhandene kompressible Me­ dium bei Öffnung im Saugbereich expandiert, so daß hier­ durch eine unerwünschte Schallemission hervorgerufen wird, die von der Menge und der Druckdifferenz des kompressiblen Mediums abhängt.

Bei einem Vergleich der bekannten Drehkolben mit den erfin­ dungsgemäß ausgestalteten Drehkolben ergeben sich weitere Vorteile, die u. a. in den verbesserten Möglichkeiten der Größengestaltung des Ansaugquerschnittes im Gehäuse zu se­ hen sind. Hierbei läßt sich der Ansaugquerschnitt durch eine seitliche Einströmung beliebig groß gestalten, so daß sich eine optimale Ausbildung des Ansaugbereichs sowie des sich öffnenden Saugvolumens ergibt.

Hinsichtlich des Strömungsverhaltens im Ansaugbereich ist zu erwähnen, daß bei der erfindungsgemäß ausgestalteten Drehkolbenmaschine niedrigere Strömungsgeschwindigkeiten vorliegen. Was die Verdichtung der Medien anbetrifft, er­ gibt sich eine polytrope Verdichtung in Richtung isotherm, da größere Mantelflächen vorliegen. Dies ermöglicht die Erzielung eines besseren polytropen Wirkungsgrades.

Der kontinuierliche Ausstoß des Mediums erfolgt erst im letzten Bereich der unteren Stirnfläche des verdrehten Drehkolbens. Hierdurch tritt eine geringe Pulsation mit der Folge eines verbesserten Wirkungsgrades auf. Weiterhin wer­ den etwaige thermische Probleme reduziert.

Wie schon dargelegt, läßt sich die Erfindung mit Vorteil bei Verdränger- bzw. Drehkolbenmaschinen mit verschieden ausgebildeten Profilen anwenden, welche sämtliche möglichen Profile, wie sog. Doppelklaue, Dreifachklaue, Schraube usw. einschließen. Hierbei kann auch die Ausgestaltung hinsicht­ lich der Gehäuseein- und auslässe unterschiedlich getroffen sein, beispielsweise derart, daß der Gehäuseeinlaß radial, dagegen der Gehäuseauslaß axial verläuft. Wenn demgegenüber sowohl der Gehäuseeinlaß als auch der Gehäuseauslaß axial verlaufen, ist ein Schraubenprofil vorgesehen. Wenn statt­ dessen der Gehäuseeinlaß und der Gehäuseauslaß radial ver­ laufen, ist ein Roots-Profil vorgesehen.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung erfolgt auch in axialer Richtung eine innere Verdichtung durch die gegenläufig verdrehten Drehkolben. Dies ist nur bei Schrauben möglich, d. h. nur im letzten Gang, wobei auch keine radiale Verdichtung auftritt. Bei reinen Drehkolben ergibt sich nur eine radiale Verdichtung bzw. keine innere Verdichtung (z. B. Roots).

Durch nachstehende Tabelle, welche verschiedene Sachver­ halte betreffend Ansaugen, Verdichten und Ausstoß zwischen Drehkolben und Schraube gegenüberstellt, werden diejenigen Vorteile besonders deutlich, die mit dem erfindungsgemäßen Drehkolben erzielt werden. Dieser weist, wie schon darge­ legt, ein verbessertes Ausschubverhältnis bei erhöhtem Wir­ kungsgrad und gleichzeitig reduzierter Schallemission auf.

Hieraus ergibt sich, daß der erfindungsgemäß ausgestaltete Drehkolben bei niedrigeren Druckverhältnissen einen besseren Wirkungsgrad aufweist, und zwar unabhängig davon, welches der möglichen Profile zur Anwendung gelangt. Der ansonsten bei den bekannten Drehkolben vorhandene Nachteil im Ausstoß wird durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Drall zwischen den Drehkolben beseitigt, so daß sich eine Charakteristik wie bei dem Schraubenprofil ergibt. Allerdings gestaltet sich der Einsatzbereich nur bis zu bestimmten Druckziffern vorteilhaft, da sich durch den einfachen Spalt die Leckageströmungen erhöhen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in:

Fig. 1 einen radialen Schnitt durch eine Drehkolbenma­ schine (2/3) gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen radialen Schnitt durch eine Variante ei­ ner Drehkolbenmaschine (2/2) gemäß der Erfindung und

Fig. 3 schematisch perspektivisch zwei ineinandergrei­ fende Drehkolben mit in sich verdrehtem Profil.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist die dargestellte Drehkol­ benmaschine zwei in einem Gehäuse 1 achsparallel zueinander angeordnete Drehkolben 2, 3 auf, wobei der Drehkolben 2 als Hauptläufer und der Drehkolben 3 als Nebenläufer (Steuer­ kolben) bezeichnet werden kann.

Die Drehkolben 2, 3 sind um parallele Achsen 4, 5 drehbar, und zwar derart, daß sie gegenläufig in Richtung der aus Fig. 1 ersichtlichen Pfeile A bzw. B rotieren. Hierbei wäl­ zen sich die Drehkolben 2, 3 unter Bildung mindestens einer Dichtlinie aneinander ab.

Die Stirnflächen an den entgegengesetzten axialen Enden der Drehkolben 2, 3 schließen sich dicht an die jeweiligen Stirnwände des Gehäuses 1 an. Gleichzeitig dichten Teile des äußeren Umfangs der Drehkolben 2, 3 an der Innenfläche des Gehäuses 1 ab. Hierdurch wird das Innere des Gehäuses 1 durch die Drehkolben 2, 3 in mehrere getrennte Räume mit veränderlicher Gestalt und veränderlichem Volumen unter­ teilt.

Das Gehäuse 1 besitzt in seiner Umfangswand eine Einlaßöff­ nung 6 für das zu verdichtende Gas, das in Richtung des Pfeiles C in das Gehäuse 1 eintritt und nach durch die Drehkolben 2, 3 erfolgter Verdichtung aus einer bzw. mehreren nicht näher dargestellten einseitigen bzw. beidseitigen axialen Auslaßöffnungen austritt. Diese können auf der gegenüberliegenden Gehäuseseite, in der unteren Stirnwand oder beidseitig des Gehäuses 1 angeordnet sein.

Der Drehkolben 2 (Hauptläufer) besitzt beim dargestellten Ausführungsbeispiel zwei diametral gegenüberliegende Zähne 7, 8, die bei der Abwälzbewegung der Drehkolben 2, 3 je­ weils in eine von drei Zahnmulden 9, 10 und 11 des Drehkol­ bens 3 (Nebenläufer) eingreifen.

Demgegenüber besitzt bei der aus Fig. 2 ersichtlichen abge­ wandelten Ausführungsform einer Drehkolbenmaschine mit zwei ähnlich ausgebildeten Drehkolben 2 und 3 der jeweilige Drehkolben 2 zwei Klauen 7', 8', d. h. eine sog. Doppel­ klaue, die in entsprechende Ausnehmungen 10', 11' des be­ treffenden anderen Drehkolbens 3 eingreifen.

Wie deutlich aus Fig. 3 ersichtlich, sind die Drehkolben 2, 3 über ihre axiale Länge gegeneinander verdreht ausgebil­ det, und zwar derart, daß die sich aneinander abwälzenden Profillinien 12, 13 der Drehkolben 2, 3 axial verschränkt bzw. geneigt verlaufen.

Hierbei sind die Drehkolben 2, 3 derart gegeneinander ver­ dreht, daß zwischen den sich abwälzenden Profilen 12, 13 der ineinandergreifenden Drehkolben 2, 3 nur ein minimales Totvolumen 14 vorhanden ist.

Die Verdrehung der ineinandergreifenden Drehkolben 2, 3 ist gegenläufig zueinander, wobei die Ausgestaltung derart ge­ troffen ist, daß jeder Drehkolben 2 bzw. 3 entgegen seiner Drehrichtung A bzw. B in sich verdreht ist.

Der Verdrehwinkel α1 bzw. α2 jedes Drehkolbens 2, 3 beträgt mindestens 10° und kann bis maximal zu etwa 180° gegenüber der Rotationsachse 4 bzw. 5 reichen.

Von Bedeutung hierbei ist die jeweilige Dichtkante 12, 13, die sich axial erstreckt zwischen dem jeweiligen Drehkolben 2 bzw. 3 und der Zylinderwand (Gehäusewand) einerseits so­ wie zwischen den beiden Drehkolben 2, 3 andererseits. Hier­ bei muß beim Kämmen der beiden Drehkolben 2, 3 gewähr­ leistet sein, daß die Dichtkanten 12, 13 ein Durchströmen des zu verdichtenden Mediums von der Verdichtungskammer zur Saugkammer verhindern.

Claims (1)

1. Drehkolbenmaschine mit wenigstens zwei in einem Gehäuse (1) achspar­ allel zueinander angeordneten, gegenläufig rotierenden Drehkolben (2, 3), die mittels ineinandergreifender Zähne (7, 8) und Zahnmulden (9, 10, 11) einen über die gesamte axiale Länge der Drehkolben (2, 3) verlaufenden Verdichtungsraum ausbilden und zu verdichtende Medien von einem axia­ len oder radialen Gehäuseeinlaß (6) zu wenigstens einem axialen einseiti­ gen Gehäuseauslaß bzw. zu zwei axial beidseitigen Gehäuseauslässen transportieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehkolben (2, 3) über ihre axiale Länge gegeneinander verdreht ausgebildet sind, wobei der Verdrehwinkel (α₁, α₂) der sich aneinander ab­ wälzenden Profillinien (12, 13) der Drehkolben (2, 3) gegenüber den Rotati­ onsachsen (4, 5) 10° bis 180° beträgt.