DE2029833A1

DE2029833A1 - Drehkolben Arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE2029833A1
Application number: DE19702029833
Authority: DE
Inventors: Jan Edvard Skarholmen Persson (Schweden) P FOIc 3 00
Original assignee: Atlas Copco AB
Current assignee: Atlas Copco AB
Priority date: 1969-06-18
Filing date: 1970-06-18
Publication date: 1971-01-07
Also published as: FR2052657A5; GB1321484A; US3748069A; SE336191B; DE2029833C2; BE752105A; JPS5028650B1; CA924205A

Description

2029833 Andrejewski & Honice Patentanwälte

Diplom-Physiker Dr. Walter Andrejewski

-»ι, „,rr/mj Diplom-Ingenieur

Anwaltsakte: 34 937/Ti Dr-Ing. Manfred Honke

Essen, den 12. Juni 1970 Kettwiger Straß· 36 (^th)

Patentanmeldung

Atlas Cope ο 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 der im übrigen kreisrunden Nabe aufweisen, welcher beim Hauptrotor eine konkave zahnflanke sowie eine in die Nabe übergehende konvexe Zähnflanke 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 Steuerrotors neben seiner konkaven Zahnflanke eine Vertiefung für den Durchgang des Haupt-

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Patentanwälte Dr. W. Andrejewski, Dr. M. Honke, 43 Essen, Kettwiger Straße

rotorzahnes 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 Volumen änderung der die Maschine bei jedem Arbeitstakt durchströmenden Mengen des Arbeitsmediums erzielbar ist.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Drehkolben-Arbeitsmaschine dieser Art in der Weise auszubilden, daß das durch den Druck des Arbeitsraediums auf die Drehkolben erzeugte Drehmoment während eines vollständigen Arbeitstaktes der Maschine die gleiche Richtung besitzt, wobei die Maschinenleistung in Bezug auf die Außenabmessungen und insbesondere die Abmessungen des Maschinengehäuses sehr hoch sein soll. Ferner soll die Länge der Di chtungs linien im Vergleich zum Hubraum der Mascine möglichst klein sein, während die Einlaß- und Auslaßöffnungen so groß wie möglich sein sollen und die Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmediums in der Mascine sowie in den Ein- und Auslaßöffnungen niedrig sein soll. Ferner soll eine derartige Maschine ein relativ großes Ansaugvolumen besitzen und bei verwendung als Kompressor soll die Temperatur des verdichteten Mediums am Auslaß niedrig sein.

Gekennzeichnet ist eine erfindungsgemäße Drehkolben-Arbeitsmaschine der eingangs genannten Art dadurch, daß die beiden Zähne des Haupt- und des Steuerrotors während des Hauptteiles einer jeden Umdrehung eine Dichtung mit den zylindrischen Bohrungen des Maschinengehäuses sowie dessen Stirndeckeln bil*> den und daß die konkave Flanke des Steuerrotorzahnes sowie ein

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die vertiefung zu dem Haupt rot orzahn begrenzendes Teil der Steuerrotornabe durch die Spitze des Hauptrotorzahnes bezw. die konvexe Flanke des Haupt rot orzahne s eine derartige Form erhalten, daß während des kürzeren Teiles einer Jeden Umdrehung, wenn der Zahn eines jeden Rotors mit dem Zahn und der Vertiefung des anderen Rotors zusammenwirkt, die Dichtungslinie zwischen der Spitze des Haupt rot orzahne s und der konkaven Flanke des Steuerrotorzahnes stets weiter entfernt von der Drehachse des '

Steuerrotors liegt als die Dichtungslinie zwischen der konvexen Flanke des Hauptrotorzahnes und dem die Vertiefung begrenzenden Teil der Nabe des Steuerrotors, wodurch das Drehmoment des auf den Rotorzahn während des größten Teiles einer Jeden Umdrehung einwirkenden Arbeitsmediums in der gleichen Richtung auch während des kürzeren Teiles einer jeden Umdrehung und damit während eines vollständigen Arbeitstaktes der Maschine aufrechterhaltbar ist.

Die Leistung einer Maschine mit einem Zahn an jedem Rotor ist höher als bei Maschinen mit zwei oder mehr Zähnen, da bei letzteren ein beträchtliches Volumen der Maschine dazu ver- λ

wendet wird, das Arbeitsmedium zu fördern, statt für nutzbare "

Arbeit ausgenutzt werden zu können. Wenn auch die erfindungsgemäße Drehkolben-Arbeitsmaschine in erster Linie für den Einsatz als Kompressor gedacht ist, kann sie jedoch ebensogut als Antriebsmaschine ausgebildet werden.

Eine genauere Erläuterung der Erfindung ergibt sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und einer Abwandlung anhand der beiliegenden Zeichnung; es zeigen:

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

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 J;

Figur 5 und 6 Einzelansichten in verkleinertem Maßstabe 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.

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

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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 Haupt rot or 7 und einen Steuerrotor 8, ι

welche auf parallelen Wellen 9 bezw. 10 befestigt sind, welche ihrerseits drehbar in Lagern in den Stirndeekeln 2 und 3 gelagert sind und mittels einer Zahnradübertragung 12 synchronisiert und gegen die Arbeitskammern im Gehäuse 1 durch Dichtringe 13 abgedichtet sind. Das Gehäuse 1 besitzt einen Einlaßkanal 14 und einen Auslaßkanal 15, welche in Ebenen 16 und 17 enden, die rechtwinklig zueinander und parallel zu den Rotorachsen verlaufen. Ein Kanal 18 vom Einlaßkanal 14 führt durch die stirnde ekel 2 und 3 und das Gehäuse 1 zu Einlaßöffnungen der Arbeitskammer der Maschine, weiche aus einer radialen Einlaßöffnung 19 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 j mit zwei axialen Auslaß- {

öffnungen 22 jeweils in einem Stirndeckel verbunden. Das Gehäuse 1 ist luftgekühlt und die Stirndeckel 2 und 3 werden von Flüssigkeit gekühlt und besitzen zu diesem Zweck Kanäle 23 für die Kühlflüssigkeit sowie Kanäle 24 für den Durchlaß der Kühlflüssigkeit vom Getriebegehäuse 34.

Der Hauptrotor 7 besitzt eine Nabe mit einem Teil 25 mit konstantem Radius, welcher bei dem dargestellten AusfUhrungsbeispiel sich über einen Winkel von 225° des Umfanges der Hauptrotornabe erstreckt. Außerdem trägt die Haupt rot ornabe einen zahn 26,

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welcher eine vordere konvexe Planke besitzt, die über ein ebenes Teil 27 das Nabanteil 25 mit konstantem Radius mit einem vorzugsweise kreisbpgenförmigen Teil 28 verbindet, welches zur Spitze 29 des Zahnes verläuft. Die hintere Flanke 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 7 eine Aushöhlung 32, welche von einer Öffnung 33 in der hinteren konkaven Planke 30 des Hauptrotorzahnes aus verläuft, wobei diese öffnung sich über den Haupfcteil dieser Flanke erstreckt. Diese Höhlung 32 ist derart ausgebildet, daß der Hauptrotor dynamisch und naturgemäß auch statisch ausgeglichen ist.

Das Verhältnis zwischen dem konstanten Radius des Nabenteils 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 Ausnützung des Volumens des Kompressorgehäuses. Außerdem wird ein günstiges Verhältnis zwischen der Gesamtlänge der Dichtungslinie und dem Hubraum der Maschine erreicht, wodurch die Leckverluste sehr niedrig gehalten werden können.

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 Umganges des steuer-

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rotors 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 Rotoroberflächen, wodurch sich ein gutes Dichtungsspiel ergibt. Der Steuerrotor besitzt einen (

Zahn 36 mit einer vorderen konkaven Flanke 37, welche durch die Spitze 29 des Zahnes 26 des Hauptrotors während der Bewegung dieser Spitze von der Spitze 38 des Steuerrotorzahnes zur WurSael dieses Zahnes erzeugt wird. Die Vordeiflanke des Steuerrotorzahnes 47 geht am Zahnfufl in einen Teil 39 über, welcher eine UmhUllungslinie einer Gruppe von Kreisen darstellt, die durch das kreisbögenförmige Teil 28 dee Hauptrotorzahnes am Steuerrotor erzeugt wird. Die Umhtillungslinie 39 geht über ein Teil 40 in das Nabenteil 35 über, wobei dieses Teil 40 durch das Teil 27 des Hauptrotorzahnes erzeugt wird und infolgedessen eine Einhüllende einer Gruppe von Linien ist. Der Steuerrotorzahn 36 besitzt ein kreisbogenförmiges Teil 41 an seiner Spitze, welches von der Spitze 38 des Zahnes aus in die Hinterflanke 42 des Steuerrotorzahnes 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 Fig. 7 zeigt, abgerundet sein, sodaß sie nicht so schnell beschädigt werden und eine bessere Abdichtung mit dem entsprechenden zusammenwirkenden Teil des anderen Rotors bilden. Die Spitze 38 des Steuerrotorzahnes des kreisbogenförmigen Teiles IH und die Hinterflanke 42 erzeugen die Hinterflanlie 30 des Haupt rot orzahne s und die Vertiefung 31 in der Hauptrotor-

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nabe, doch brauchen diese Teile, welche sich über einen Winkel von 45°

bilden.

von 45° der Rotoren erstrecken, keine Dichtung miteinander zu

Da der Steuerrotor ebenfalls asymmetrisch ist, 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 Steuerrot orzahne s beträgt bei dem dargestellten Ausf Uhrungsbeispiel etwa 1/5 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. Tn. gleicher Weise wird eine geeignetere Gasgeschwindigkeit in den Kanälen, welche den Rotor im Kompressorgehäuse 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 (Fig. 5) bezw. wenn die Abgabe beginnt (Fig. 6). Figur 7, weiche 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 Dichtwngs linie zwischen der Spitze 29 und der Flanke yj sollte in allen Stellungen der Rotoren größer sein als der Abstand zur Dichtungslinie zwischen der konvexen Flanke 27, 28 und dem Nabenteil 40,

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sodaß das durch den Druck des Arbeitsmediums auf den Steuerrotorzahn erzeugte Drehmoment stets positiv ist. Die Drehrichtung der Rotoren ist in den Figuren1, 2, 5 und 6 durch Pfeiles angedeutet und ist bei den Figuren 4 und 7 die gleiche. Figur 7 zeigt die Rotoren in der Position, welche sie einnehmen, wenn die Spitzen 29 und J8 der Rotorzähne gerade beginnen, zusammenzuwirken, wobei die zahnspitze 29 beginnt, an der Fläche 37 des Zahnes 36 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 Rotore 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 versehen werden.

Anspruch?

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Claims

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Anspruch.

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 der im übrigen kreisrunden Nabe aufweisen, 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 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 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 zwangsläufige Verdrängung und Volumenänderung der die Maschine bei jedem Arbeitstakt durchströmenden Mengen des Arbeitsmediums erzielbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zähne (26, 36) des Haupt- und des Steuerrotors (7, 8) während des Hauptteilfcs einer jeden Umdrehung eine Dichtung mit den zylindrischen Bohrungen (5# 6) des Maschinengehäuses (1) sowie dessen Stirndeckeln (2, 3) bilden und daß die konkave Planke (37) des Steuerrotorzahnes sowie ein die Vertiefung (39) für den Haupt rot orzahn (26) begrenzendes Teil (40) der Steuerrotornabe durch die Spitze (29) des Hauptrotorzahnes be zw. seine konvexe Planke (28) eine derartige Form erhalten, daß während des kürzeren Teiles einer jeden Umdrehung, wenn der Zahn eines jeden Rotors mit dem Zahn und der Vertiefung des anderen Rotors zusammenwirkt, eine Dichtungslinie zwischen

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der Spitze des Haupt rot orzahne s und der erzeugten konkaven Flanke des Steuerrotorzahnes stets weiter entfernt von der Drehachse des Steuerrotors liegt als die Dichtungslinie zwischen der konvexen Planke des Hauptrotorzahnes und dem die Vertiefung begrenzenden Teil der Nabe des Steuerrotors, wodurch das Drehmoment des auf den Rotorzahn während des größten Teiles einer jeden Umdrehung einwirkenden Arbeitsmediums in der gleichen Richtung auch während des kürzeren Teiles einer jeden Umdrehung und damit während eines vollständigen Arbeitstaktes der Maschine aufrechterhaltbar ist.

PAe Dr.Andrejewski, Dr.Honke,

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