DE2029832A1 - Drehkolben Arbeitsmaschine - Google Patents

Description

202983? Andrejewski & Honke Patentanwälte

Diplom-Physiker Dr. Walter Andrejewski

* ι* ι.« -*,k a6a Arn Diplom-Ingenieur

Anwaltsakte: M 969/Ti Dr.-Ing. Manfred Honke

Essen, den 12. Juni 1970 Kattwig·!- Straß· 36 (^tn)

Patentanmeldung

Atlas Copco Aktiebolag

Naoka / - Schweden -'

Drehkolben-Arbeitsmaschine.

Gegenstand der Erfindung ist eine Drehkolben-Arbeitsmaschine, bestehend aus einem Maschinengehäuse mit einander schneidenden zylindrischen Bohrungen für einen Haupt- und einen Steuerrotor sowie Stirndeckeln mit axialem Ein- und Auslaß für ein elastisches Arbeitsmedium, wobei beide Rotoren jeweils einen Zahn an ihrer ein Teil mit praktisch konstantem Durchmesser aufweisenden Nabe tragen, welcher beim Hauptrotor eine konkave Zahnflanke sowie eine in die Mabe übergehende konvexe zahnflanke und beim Steuerrotor wenigstens eine konkave Zahnflanke sowie eine in die Nabe übergehende zweite Planke besitzt, während in der Nabe des Hauptrotors neben der konkaven Planke seines Zahnes eine Vertiefung für den Durchgang des Zahnes des Steuerrotors und in der Nabe des Steuer-

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rotors neben seiner konkaven Zahnflanke ein® Vertiefimg für den Durchgang des Hauptrotorzahnes ausgebildet ist und beide synchron verdrehbaren Rotoren derart im Maschinengehäuse gelagert sind, daß ihre Zähne abdichtend an den Bohrungen und den Stirndeckeln anliegen» wodurch eine zwangsläufige Verdrängung und Volumenänderung der die Maschine fo@i jedem Arbeitstakt durchströmenden Mengen des Arbeitsmedlums erzlelba.v ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ₉ eine derartige Drehkolben-Arbeitsraasehin© In der weise su gestalten^ daS Ihre Herstellung sehr einfach wird und sie im vergleich zot ÄuE®nabmessung Insbesondere ihres Maschinengehäuses eine sehr hohe Leistung abgebein, kann. Dabei soll die lÄige der Dichtungslinien im vergleich zum Hubraum der Maschine sehr klein sein, während die Einlaß- und Auslaßöffnungen möglichst weit und die Geschwindigkeit des Arbeitsmediums in der Maschine und in den Einlaß- und Auslaßöffnungen niedrig sein soll«, Das Aufnahme volumen soll groß sein und bei Verwendung als Kompi?6sgor soll die Temperatur des verdichteten Mediums am Auslaß niedrig sein_o _ .

Gekennzeichnet ist eine erfindiangsgsmäS©-"Dr©hkolbsn=Arbeitsmaschine d@r vorgenannten Art hauptsäehlieh dadurch^ da® das Teil mit im wesentlichen konstantem Radius der Habe des Haupt-? rotors bedeutend kürzer ist als das Teil mit im wesentlichen konstantem Radius der» Nabe d@s .Stüuerrotors, welches- die axiale Öffnung im Sbirndeckel der Steuerrotorbohrung steuert»

Wenn auch die erfindungsgemäße Maschine in ©rster Linie zum Einsatz als Kompressor bestimmt ist, so ist sie doch ohne weite» res auch als Antriebsmaschine verwendbare

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Im Folgenden werden die vorbeschriebenen und weitere Merkmale der Erfindung anhand einer Zeichnung ausführlicher erläutert; es zeigen:

Figur 1 eine Endansicht eines erfindungsgemäßen Drehkolbenkompressors mit einem Zahn an jedem Rotorj

Figur 2 einen Schnitt durch den Kompressor aus Fig. 1, wobei die Rotoren Jedoch in einer Endansicht dargestellt sind;

Figur 3 einen Längsaxialschnitt durch die Rotorachsen gemäß der Linie III-III aus Fig. 1;

Figur 4 eine Endansicht des Hauptrotors und des mit ihm zusammenwirkenden Steuerrotors der Maschine aus den Figuren 1 bis 3;

Figur 5 und 6 Einzelansichten I_n verkleinertem Maßstäbe in etwas schematischer Darstellung der Rotoren und der Konturen der Zylinderbohrungen als Ansicht vom einen Ende der Rotoren zu Beginn der Kompression bezw. zu Beginn der Abgabe; und

Figur 7 eine der Fig. 4 entsprechende Ansicht eines Drehkolbenkompressors mit den beiden Rotoren in einer Position, in welcher deren Zahnspitzen gerade aufeinandertreffen, wobei diese Rotoren gegenüber den in den Figuren 2 und 4 bis 6 dargestellten Rotoren etwas abgewandelt sind.

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Bei der in den Figuren 1-7 dargestellten Drehkolben-Arbeitsmaschine handelt es sich um einen einstufigen Zahnkompressor mit einem Hauptrotor und einem Steuerrotor, welche jeweils einen Zahn tragen. Die Maschine besitzt ein Maschinengehäuse, welches aus einem mittleren Kompressorgehäuse 1 mit zwei Stirndeckeln 2 und 3 besteht, welche mittels Schraubbolzen 4 am mittleren Kompressorgehäuse 1 festgeschraubt sind. Dieses Gehäuse 1 besitzt zwei zylindrische, einander schneidende Bohrungen 5 und 6 mit parallelen Achsen, welche sich in einem bestimmten Winkel schneiden. Die Bohrungen 5 und 6 sowie die Stirndeckel 2 und 3 bilden Kammern für einen Hauptrotor 7 und einen Steuerrotor 8, welche auf parallelen Wellen 9 bezw. 10 befestigt sind, welche ihrerseits drehbar in Lagern in den Stirndeckeln 2 und 3 gelagert sind und mittels einer ZahnradUbertragung 12 synchronisiert und gegen die Arbeitskammern im Gehäuse 1 durch Dichtringe 13 abgedichtet sind. Das Gehäuse 1 besitzt einen Einlaßkanal 14 und einen Auslaßkanal I5, welche in Ebenen 16 und I7 enden, die rechtwinklig zueinander und parallel zu den Rotorachsen verlaufen. Ein Kanal 18 vom Einlaßkanal 14 führt durch die Stirndeckel 2 und 3 und das Gehäuse 1 zu Einlaßöffnungen der Arbeitskammer der Maschine, welche aus einer radialen Einlaßöffnung I9 und zwei axialen Einlaßöffnungen 20 in jeweils einem Stirndeckel, bestehen. Der Auslaßkanal I5 ist über einen Auslaßkanal 21 im Gehäuse 1 und die Stirndeckel 2 und 3 mit zwei axialen Auslaßöffnungen 22 jeweils in. einem Stirndeckel verbunden. Das Gehäuse 1 ist luftgekühlt und die Stirndeckel 2 und 3 werden von Flüssigkeit gekühlt ur.d besitzen zu diesem Zweck Kanäle 23 für die Kühlflüssigkeit sowie Kanäle 24 für den Dupchlaß der Kühlflüssigkeit vom Getriebegehäuse 34.

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Der Hauptrotor 7 besitzt eine Nabe mit einem Teil 25 mit konstantem Radius, welcher bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sich über einen Winkel von 225° des Umfanges der Hauptrotornabe erstreckt. Außerdem trägt die Hauptrotornabe einen · Zahn 26, welcher eine vordere konvexe Planke besitzt, die über ein ebenes Teil 27 das Nabenteil 25 mit konstantem Radius mit einem vorzugsweise kreisbogenförmigen Teil 28 verbindet, welches zur Spitze 29 des Zahnes verläuft. Die hintere Planke 30 des Hauptrotorzahnes ist konkav und liegt unmittelbar im Anschluß an eine vertiefung 31, welche in der Nabe ausgebildet ist und in das Nabenteil 25 übergeht. Außerdem besitzt der Hauptrotor eine Aushöhlung 32, welche von einer öffnung 33 in der hinteren konkaven Planke 30 des Haupt rot orzahne s aus verläuft, wobei, diese öffnung sich über den Hauptteil dieser Planke erstreckt. Diese Höhlung 32 ist derart ausgebildet, daß der Hauptrotor dynamisch und naturgemäß auch statisch ausgeglichen ist.

Das Verhältnis zwischen dem konstanten Radius des Nabenteiles

25 des Hauptrotors und dem größten Radius des Hauptrotorzahnes

26 beträgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel 35:60. Vorzugsweise ist der größte Radius des Hauptrotorzahnes 50 bis 100$ größer als der konstante Radius des Nabenteiles 25 des Hauptrotors. Die Länge des Hauptrotors kann vorzugsweise im wesentlichen gleich dem maximalen Radius sein. Die Erfindung beruht auf einer äußerst günstigen Ausnutzung des Volumens des Kompres-Siorgehäuses. Außerdem wird ein günstiges Verhältnis zwischen der Gesamtlänge der Dichtungslinie und dem Hubraum der Maschine erreicht, wodurch die Leckverluste sehr niedrig gehalten werden können.

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Der Steuerrotor 8 besitzt eine Nabe mit einem Teil 35 mit konstantem Radius, welcher sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel über einen Winkel von 225° des Umfanges des Steuerrotors erstreckt und mit dem Nabenteil 25 mit konstantem Radius des Hauptrotors zusammenwirkt und dicht an diesem Teil anliegt. Bei Drehung der Rotoren weicht jedoch die Umfangsgeschwindigkeit des Hauptrotornabenteiles 25 von der Umfangsgeschwindigkeit des Steuerrotornabenteiles 35 ab. Dieser Unterschied verursacht eine nicht unerwünschte Abnutzung der Rotoroberflachen, wodurch sich ein gutes Dichtungsspiel ergibt. Der Steuerrotor besitzt einen Zahn 36 mit einer vorderen konkaven Planke 37» welche durch die Spitze 29 des Zahnes 26 des Hauptrotors während der Bewegung dieser Spitze von der Spitze 38 des Steuerrotorzahnes zur Wurzel dieses Zahnes erzeugt wird. Die Vorderflanke des Steuerrotorzahnes 47 geht am Zahnfuß In einen Teil 39 über, welcher eine Umhüllungslinie einer Gruppe von Kreisen darstellt, die durch das kreisbogenförmige Teil 28 des Haupt rot orzahne s am Steuerrotor erzeugt wird. Die Umhüllungslinie 39 geht über ein Teil 40 in das Nabenteil 35 über, wobei dieses Teil 40 durch das Teil 27 des Hauptrot orzahne s erzeugt wird und infolgedessen eine Einhüllende einer Gruppe von Linien ist. Der Steuerrot orzahn 36 besitzt ein kreisbogenförmiges Teil 41 an seiner Spitze, welches von der Spitze 38 des Zahnes aus in die Hinterflanke 42 des Steuerrot orzahne s übergeht, die tangential zum Nabenteil 35 verläuft und innerhalb gewisser Grenzen jede geeignete Form besitzen kann, da sie keine Dichtung mit dem Hauptrotor bilden muß. Die Spitzen 38 und 29 der Zähne können auch, wie Pig. 7 zeigt, abgerundet sein, sodaö si© nicht so schnell beschädigt werden und eine bessere Abdichtung mit dem entsprechenden zusammenwirkenden Teil des anderen Rotors bilden« Die Spitze 38

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des Steuerrotorzahnes des kreisbogenförmigen Teiles 41 und die Hinterflanke 42 erzeugen die Hinterflinke ^O des Hauptrotorzahnes und die vertiefung 3* In der Hauptrotornabe, doch brauchen diese Teile, welche sich über einen Winkel von 45° der Rotoren erstrecken, keine Dichtung miteinander zu bilden.

Da der Steuerrotor ebenfalls asymmetrisch 1st, besitzt er in . gleicher Weise wie der Hauptrotor eine Aushöhlung 43, welche von einer Öffnung 44 in der Hinterflanke 42 des Steuerrotorzahnes in den Steuerrotor hineinläuft. Die effektive Höhe des Steuerrotorzahnes beträgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel etwa 1/3 der effektiven Höhe des Hauptrotorzahnes. Durch diese Anordnung und diese Beziehung zwischen den Höhen der zähne ist es möglich, die Auslaßöffnungen so breit auszuführen, daß die Luft- oder Gasgeschwindigkeit in diesen Öffnungen innerhalb annehmbarer Grenzen bleibt, sodaß die Strömungsgeschwindigkeiten dadurch niedrig gehalten werden. In gleicher Weise wird eine geeignetere Gasgeschwindigkeit in den Kanälen, welche den Rotor im Kompressorgehüuse umgeben, erreicht.

Um diese Wirkungsweise der Maschine eindeutiger und klarer erläutern zu können, wurden in den Figuren 5 -und 6 die Rotoren in den Positionen dargestellt, welche-sie einnehmen, wenn die Kompression beginnt (Flg. 5) be zw. wenn die Abgabe beginnt (Fig. 6). Figur 7, welche die Abwandlung mit den abgerundeten-Rotorspitzen darstellt, zeigt auch die Position der Rotore in dem Augenblick, in welchem die Spitzen 29 und 38 einander treffen. Der dem Steuerrotorradius entsprechende Abstand zur Dichtungslinie zwisohen der Spitze 29 und der Planke 37 sollte in allen Stellungen der Rotoren größer sein als der Abstand zur

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Dichtungslinie zwischen der konvexen Flanke 27, 28 und dem Nabenteil 40, sodaß das durch den Druck dee Arbeltemediums auf den Steuerrotorzahn erzeugte Drehmoment stets positiv 1st. Die Drehrichtung der Rotoren ist in den Figuren 1, £, 5 und 6 durch Pfeile angedeutet und ist bei den Figuren 4 und 7 die gleiche. Figur 7 jseigt die Rotoren in der Position, welche sie einnehmen, wenn die Spitzen 29 und 29 der Rotorzähne gerade beginnen, zusammenzuwirken, wobei die zahnspitze 29 beginnt, an der Fläche 37 des Zahnes % dicht anliegend entlangzulaufen, wobei das Spiel an der Zahnspitze 29 in Figur 7 stark Übertrieben dargestellt ist. Um die Abdichtung rund um die Rotoren zu verbessern, können die konvexen Oberflächen der Rotor« vorzugsweise mit einem überzug aus einem Material versehen werden, welches teilweise abgenutzt werden kann, beispielsweise mit einem Farbüberzug. Die Innenseiten der Stirndeckel der Zylinderbohrungen, welche zu den Rotoren hinweisen, können ebenfalls mit einem derartigen Oberflächenüberzug verseilen werden.

Ansprüche t

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Claims (14)

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1.7 Drehkolben-Arbeitsmaschine, bestehend aus einem Maschinengehäuse mit einander sehneidenden zylindrischen Bohrungen für einen Haupt- und einen Steuerrotor sowie Stirndeckeln mit axia-. lern Ein- und Auslaß für ein elastisches Arbeitsmedium, wobei beide Rotoren jeweils einen Zahn an ihrer ein Teil mit praktisch konstantem Durchmesser aufweisenden Nabe tragen, welcher beim Hauptrotor eine konkave zahnflanke sowie· eine in die Nabe übergehende konvexe zahnflanke und beim Steuerrotor wenigstens eine konkave Zahnflanke sowie eine in die Nabe übergehende zweite Flanke besitzt, während in der Nabe des Hauptrotors neben der konkaven Planke seines Zahnes eine Vertiefung für den Durchgang des Zahnes des Steuerrotors und in der Nabe des Steuerrotors neben seiner konkaven Zahnflanke eine vertiefung für den Durchgang des Hauptrotorzahnes ausgebildet ist und beide synchron verdrehbaren Rotoren derart im Maschinengehäuse gelagert sind, daß ihre Zähne abdichtend an den Bohrungen und den Stirndeckeln anliegen, wodurch eine zwaagsläufige Verdrängung und Volumenänderung der die Maschine bei jedem Arbeitstakt durchströmenden Mengen des Arbeitsmediums erzielbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil (25) mit im wesentlichen konstantem Radius der Nabe des Haupt rot or s (7) bedeutend kürzer ist als das Teil (355) mit im wesentlichen konstantem Radius der Nabe des Steuerrotors (8), welches die axiale öffnung (22) im Stirndeckel (2, 3) der Steuertfofcorbohrung (6) steuert.

2. Drehkolben-Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, daducch gekennzeichnet, daß der Unterschied zwischen dem größten Radius des Zahnes (26) des Hauptrotors (7) und dem Radius des Nabenteiles (25) des Haupt rot or s größer ist als der Unterschied zwischen

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dem größten Radius des Zahnes (26) des Steuerrotors (8) und dem Radius des Nabenteiles (35) der Steuerrotornabe.

3. Drehkolben-Arbe itsmasohine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Axiallänge des Hauptrotors (7) etwa gleich dem halben Durchmesser der Bohrung (5) für den Hauptrotor im Maschinengehäuse (1) ist.

H. Drehkolben-Arbeitsmaschin® nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der größte Radius des Hauptrotorzahnes (26) um 50 - 100 % größer ist als der Radius des Nabenteiles (25) mit konstantem Radius des Hauptrotofs (7)·

5. Drehkolben-Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil (25) mlfe konstantem Radius der Nabe des Hauptrotors (7) sich über einen Winkel von 180 - 250° des Umfange s des Hauptrotors erstreckt und in die konvexe Planke des Hauptrotorzahnes (26) mit einsai ebenen Teil (27) übergeht, das seinerseits in ein kreisbogenförniges Teil (28) übergeht, welches praktisch bis zum größten Radius des Hauptrotorzahn©s reicht.

6. Drehkolben-Arbeitsmaschin© nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne (26, 36) wad die Maben (25, 35) beider Rotoren (7, 8) vom einen Stirnd®ekel (2) des Maschinengehäuses (1) bis zum anderen Stirndeckel (3) reichen.

7. Drehkolben-Arbeitsmasohln® nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Axiß!öffnungen. (20) im Stirndeckel (2 bezw. 3) der Hauptrotorboh&ung (5) des Maschinen-

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gehäuses (1) ständig mit den Bohrungen (S, 6) im Maschinenge häuse in verbindung stehen.

8. Drehkolben-Arbeitenaschine nach Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet, dafl an Umfang der Hauptrotorbohrung (5) im Maschinengehäuse (i) ein· Radia!bohrung (19) vorgesehen ist.

9. Drehkolben-Arbeitanaaohine nach Anspruch t> dadurch gekennzeichnet, daß das Profil de« Hauptrotors (7) von dessen Spitze (29) bis zur Vertiefung (51) in seiner Habe für den Zahn (56) dee Steuerrotors (8) konvex oder eben ist.

10. Drehkolben-Arbeitemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das das Profil des Steuerrotors (8) vom Fuß der Vorderflanke (57) seines Zahnes (56) bis zur Zahnspitze (58) durchgehend konkav ist.

11. Drehkolben-Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekeraiz«lehnet, daß der Unterschied zwischen den größten Radius des Hauptrotorzahnea (26) und dem Radius der Hauptrotornabe (25) etwa dreimal so groß ist wie der Unterschied zwischen dem größten Radius des Steuerrotorzahnes (56) und dem Radius der Steuerrotornabe (55)·

12. Drahkolben-Arbeitsmasohine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterschied zwischen dem größten Radius des Hauptrotorzahnes (26) und den Radius der Hauptrotornabe (29) .zwei bis drei mal so groß ist wie der Unterschied zwischen dem größten Radius des Steuerrotorzahneβ (56) und dem Radius der Steuerrotornabe (55).

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BAS GRSGiMAL

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13. Drehkolben-Arbeitsmaechlne nach Anspruch 1, dadurch gekernte lehnet, daß das Verhältnis zwischen der Axiallänge des Steuerrotors (8) und dem Radius der Steuerrotornabe (35) 0,5 - 2,0 beträgt.

14. Drehkolben-Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung als Kompressor die Form der axialen Auslaßöffnung, der konkaven zahnflanke (36) des Steuerrotors (8), welche von der spitze (29) des Hauptrotorzahnes (26) erzeugt wird« und der konvexen Zahnflanke (30) des Hauptrotors

(7) derart auegeführt ist, daß am Ende des Kompressionshubes des Hauptrotors das Kompressionsvolumen gleich Null ist.

PAe Dr.Andrejewski, Dr.Honke.

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