DE2122145A1 - Schraubenverdichter mit kantenfreien Profilflanken - Google Patents

Description

• Schraubenverdichter mit kantenfreien Profilflanken.
• Die wesentliche Problematik alter Schraubenverdichter besteht in seinem Kompromiß zwischen den Mittenspaltverlusten an den mit einem notwendigen Sicherheitsspiel aneinander vorbeilaufenden Rotoroberflächen und -den auf der druckseite durch den endlichen Abstand der Eingriffslinien-Scheitelpunkte von der Gehäuseverschneidungskante entstehenden "Blowhole"-Verlust. Die funktio= nalen Abhängigkeiten der beiden dazugehörenden Lekflächen F1, Fh widersprechen einander,sodaß es sinnvoll erscheint, Zahnprofile im Sinne eines (F1+ Fh) - Minimums z@ suchen. So hat man v@orerst mit der Lyslolm-Verzahnung in tjberschät;zung der Mittenspaltver= luste eine Bauart geschaffen, wo eine sehr kleine F1-Fläche all zuteuer durch eine große Fh-Blowhole erkauft wurde. Die großen Gesamtlekverluste dieser Bauart führten zur Entwicklung einer Extrembauart ohne Blowhole. Man erreichte dieses ( F11= O )-Idol durch eine Spitzkantenverzahnung mit drei verzahnenden Kanten, wobei sich jedoch sehr 'anae räumliche Eingriffslinien mit einer entsprechend großen Mittenspaltfläche F1 ergeben. Der besondere Nachteil solcher Kantenverzahnungen besteht darin,daß dort alle Zahnflanken durch verzahnende Kanten besahrieben werden,was be= reits zu einer ungenauen Fertigung führt,da jeder Flankenfehler eines verzahnenden Werkzeuges die damit zu schneidende Kante zerstört und somit die ganze dazugehörende Gegenflanke undicht macht. Darüber hinaus können solche Kanten bei Störungen durch überlast und Übertemperatur,sowie durch mitgeführten und mit Schallgeschwindigkeit vorbeifegenden Staub bald abgeschliffen werden. So bleibt diese Fh-freie kantenverzahnte Bauart bei schon anfänglich unsicheren md im rauhen Betrieb rasch wachsenden F1-Werten eine trügerische Illusion . Die extreme Dreikantenver= zahnung mit Fh= ° ist außerdem für ölgefluteten kraftschlüssi= gen Betrieb ohne Synchronverzahnung völlig unbrauchbar. Die Lysholmverzahnung weist zwar in ihren Totlagen eine vorüberge= hend gute Schmiegung auf,jedoch arbeitet sie in den übrigen Bereichen mit Stumpfkantenverzahnung und ist somit nur bedingt für ölgefluteten kraftschlüssigen Betrieb brauchbar, Für die erfindungsgemäße Bauart eines im Flankenbereich kanten= freien Schraubenverdichters mit einer nahe am physikalischen Minimum liegenden ( Fh+ Fl)-Summe werden in Fig 1 die beiden 4/6 ver-zahnten Rotoren 1(Arbeitsrotor-) ,2(Steuerrotor) mit ihren Teilkreisen 10,20 und den Teilkreisradien ra, r5 inner halb des Gehäuses 3 mit den hier beiderseits gleichen Radien: rgs#1,05.rs gezeigt. Dort ist auch das gestrichelt angedeutete beiden Rotoren 1,2 gemeinsame Zahnstangenabwälzprofil 4 mit seiner Deilgeraden 40 erkennbar. Aus diesen Zahnetangenprofil 4 entstehen die in Fig 2 dargestellten Hobelprofile 5,6 durch zweidimensionale Verzerrung,wobei sich der nahe der Einheit befindliche radiale Verzerrungsfaktor # aus den Schnitt= bedingungen ergibt und die in Richtung der '£eilgeraden 40 vor= zunehmende Verzerrung gemäß dem Steigungswinkel # an den Teillinien ,\o,2o,4o einem Faktor sin# folgt. Diese besonders im Flankenbereich bis auf die jeweiligen Spalttoleranzen kom= plementären Hobelprofile 5,6 sind zugleich die Ausgangsformen für Fräserprofile,die man daraus durch weitere aus den endli= chen Fräserradien etrechenbare Verzeroungen finden kann Aus Gründen der genauen Fertigung und einfachen Werkzeughaltung sollte man jedoch eine Fertigung durch Abwälzhobeln bevorzugen.
• Demgemäß beziehen sinh hier alle weiteren Betrachtungen auf einfachste nur aus wenigen Kreisbogen und Geraden zusammenge= setzte Hobelprofile. Sie können aber sinngemäß auch auo Fräser= profile gleichen Aufbaues umgedeutet werden,ohne den angestreW ten Schutz nur auf Hobel zu beschränken,wobei die hier erwähnten Hobelprofilradien nur als Mittelwerte entsprechend umgerechneter Fräserradien eines bestimmten Bereiches anzusehen wären.
• Aus Gründen einfachster Darstellbarkeit werden Fig 1,2 durch Vergrößerung der Hobelprofile 5,6 im Maßstab 1/# direkt ein= ander zugeordnet. Bei Wahl einer im Bereich e - - w konstanten Krümmung der Hobelflanken mit dem Radius r ew findet man im Sinne sehr kleiner Blowhole-Flächen Fh und unterschnittfreier Verzahnung für den Abstand des Scheitelpunktes e der dort den Kopfkreis 11 des Arbeitsrotors 1 verlassenden Eingriffslinie E von der Teilgeraden 4o auf einem nicht naheliegenden Wege als Mindestwert Im Sinne einer genauen Fertigung und einer guten Schmiegung soll für die Wahl des E- Scheitelpunktes der Eingriffslinie E ein gewisser # - Toleranzbereich beansprucht werden: Für den dazugehörenden im Bereich e - - w unveränderlichen Hobelradius rew der Werkzeugprofile 5,6 kann man nach Erfassung komplizierter Abhängigkeiten als ausreichende Faustformel an= nehmen: Man erhalt damit ein Steuerrotorprofil mit überall wesentlich von Null verschiedenen Krümmungsradien und somit im e - - w -Bereich dichten Spalten. Bei den besonders günstigen Paarungen 3/5, 4/6, 5/7,6/8 - - mit der Zahndifferenz Zwei wird der rew Kreisbogen zweckmäßig schon in einem Abstand vor Erreichen der Teilgeraden 4o beendet, um von dort ab durch einen tangential anschließenden Kreisbogen sanfter konträrer Krämmung oder noch besser durch eine entsprechende Gerade ergänzt ZU werden der inl Bereich vr - - v eine Evolventenverzahnung ent spricht. Als äußere Evolventengrenze wählt man zweckm @@g bin demgemäß den Kopf des für den Arbeitsrotor 1 Bestimmten Werkzeuges 5 mit abzurunden. Für die Flankenwinkel #zv, #v der Zahnstange 4 und der Werkzeage 5,6 findet man mit dem Verzerrungsgesetz und ion hier gültigen Bedingungen # = ,985 , ç = 45 gd- die fertigungstechnisch sehr günstigen Werte die außerhalb w - - e liegende Zone des für den Steuerrotor 2 bestimmten Werkzeuges 6 wird durch die Kopfkanten des af der Teillinie 40 abgewälzten Arbeitsrotors 1 bestimmt. die so im Qerachsschnitt 4 zwischen e und der Kopfgeraden 41 entstehende Trochoide 42 läßt sich mit ausreichender @enauigkeit bereits durch zwei Näherungskreisbogen 61,62 an dem Werkzeug 6 mit den aus entsprechenden Minimalbedingungen zu findenden Mittelpunkten M1 M2 annähern.
• Um für die im Sinne größter Betriebssicherheit schmalen Zahn= köpfe (-Abschleifen bei Gehäuseberührung-) möglichst kleine Gahäusespaltverluste zu erlangen,sollen die Kopfbreiten der Rotoren 1,2 durch entsprechende Kopfgeraden 63, 51 an den Werk= zeugen 6,5 mit den Breiten b@@b@ im Sinne der Gesetze aufeinander abgestimmt werden. Mit derart schmalen Köpfen er langt man auch dieMöglichkeit eines im Sinne kleinster Spalt= lekflächen Pl erwünschten saugseitig flachen Profilverlaufes.
• Man nähert sich diesem Jdeal in befriedigender Weise durch einen tangential oder mit einem sehr kleinen Winkel 8«i 10 gd schon an der Kopfmarke k des Werkzeuges 6 beginnenden kreisbogen mit dem Radius rfs,für den man annehmen kann. Die mit e - - g , k - - f markierten exakten Eingriffsbedingungen der Arbeiterotorköpfe erlauben eine sichere Abschätzung der durch Vernachlässigen des k - -f-Bogens und direkten r fq -Ansatz an k enstehenden Spalterweiterung,für die man hier in einem sehr kurzen Bereich mit ha# ,37.rg als

  vernachlässiFcberen PJer-t

  «Ct sitY)t, r g/ 6ooo

  findet. Der Abstand zwischen dem rfs- Bogen und der rk-Abrun= dung des Nerkzeuges 5 wird am rationellsten durch eine tangie= rende Gerade s - - z oder einen anderen entsprechend flachen Kreisbogen überbrückt. Fig 1,2 zeigen die zu s - - z gehörenden Evolventen Im Sinne größter EInfachheIt besteht hier das Werkzeug 5 für den Arbeitsrotor 1 aus der rew*Flanke e - - w,den Geradflanken w - - v, s - - z, der rfs-Flanke (f#k) - - s den beiden rk kopfabrundungen v - - n, z - - m und der bs-Kopfgeraden m - -n.
• Das Werkzeug 6 für den Steuerrotor 2 besteht aus den mit Ausnah= me der Spalt toleranzen zu 5 komplementären Flankenteilen e - - w, w - - v , (f#k) - - s , 5 - - z und den ergänzenden Trochoidennäherungen zwischen e - - g ( 61,62),an die sich die ba-Kopfgerade g - - (k#f) anschließt. Hierbei werden zum Zwecke einfachster Bearbeitung die Flanken w - -v , s - -z ; w -s - -f jeweils über v,z ; e,f hinaus verlängert. Der Unterschied, der sich dabei zwischen der in Fig 3 dargestellten ,von dem Werkzeug 6 geschnittenen Kopfprofil v - -r des Steuerrotors 2 zu dem exakten,der rk-Abrundung am Werkzeug 5 entsprechenden Profil v - -m ergibt,kann leicht durch eine nachträgliche Abkan= tung 21 auf unbedeutende Spaltabweichungen reduziert werden0 Für die hier gezeigten terhältnisse mit dem bereits großen Wert rk# 2.hs/3#rg/40 findet man bei dem hier angedeuteten Aus= gleich die noch zulassigen unbedeutenden Spaltfehler#rg/1000.
• Dabei kann sich die zweimalige Spaltverengung um#rg/1000 sogar noch vorteilhaft im Sinne einer zusätzlichen Durchflußdrosselung auswirken. Die Iterstellung einer solchen ununterbrochenen Abkan= tung 21 kann rationell mit dem Einstechen einer oder mehrerer dichtenden Kopfnuten 22 in einem Arbeitsgang erfolgen,wenn man den Abkantstahl 71 fest mit dem Nutungsstahl 72 koppelt und die notwendige periodische Unterbrechung der Nuten 22 durch entspre= chende Verschiebungen des Paares 71,72 in Richtung der Schneid= kante ( Pfeil-) bewirkt, Beide Kanten m,n des Steuerrotors kön= nen auf diese Weise korrigiert werden. Fig 1 zeigt die exakten Kopfprofile noch ohne Labyrinthnuten. In diesem Zusammenhang soll noch erwähnt werden,daß die für das Werkzeug 6 vorgeschla= gene Trochoidennäherung durch Kreisbogen ( 42, 61,62) sogar in ein Positivum zu wandeln ist,wenn man die Mittelpunkte M1,M2, -so wählt,daß sich als Gegenprofil am Arbeitsrotor 1 eine Abrun= dung mit einem mittleren Radius rx# rg/ 30 ergibt ,wobei für die hier gewählten Verhältnisse eine nützliche Spaltverengung # rg/ 600 ohne notwendige Abkantung entsteht . Wählt man rx > rg/30, dann kann man auch hier eine Abkantung gemäß Fig 3 vornehmen. Eine dabei vielleicht erfolgende direkte schleifende Berührung der Rotoren 1,2 ist ungefährlich, da sich solche Kanten bei geringer terschleißmasse ohne besondere Erwärmung bald abarbeiten Man kann mit Beachtung der hier angegebenen Formeln ( 1,2,3,8,9) und einigen Variationen von r bald die günstigsten Werkzeug= profile 5,6 für die Entwicklung einer Bauart mit Minimalwerten der auf das Schluckvermögen zu beziehenden ( Fh+Fl) -Lekflächen finden. Die so sich ergebende stark asymmetrische Profilierung erbringt noch den besonderen Vorteil,daß die Forn der Steuerro= tornut eine fast völlige Entleerung der in Fig 4 anschaulich ge= zeigten,von dem Druckdeckel 8 und den Rotorenden 1,2 begrenzten Drucktasche g ohne besondere Verluste über eine normale Deckel= steuerkante 80 gestattet. Die Anfangs fläche dieser Tasche T er streckt sich zwischen dem Scheitelpunkt e und dem saugseitigen Eingriffspunkt p ,wie man aus Fig 1 erkennt,wo ein um eine ganze Zahnteilung vom Deckel 8 entfernter Schnitt gezeigt wird,der sich dort wiederholt. Im Sinne günstigster Abflußbedingungen wird die Steuerkante 80 durch besondere Bearbeitung sorgfltiger bemessen, als die übrigen Deckelsteuerkanten 81 irnd damit sehr nahe an die hier mit dem Arbeitsrotorkopfkreis 11 identische Eingriffslinie E herangeführt . Man kann so #85 % des Taschenvolamens ( Hier #rg3/ 200 oder#1,2% der Ansaugemente beim Druckverhältnis#3) chne weitere Maßnahmen über die Kante 80 entlassen. Erst am Ende der Entleerungsperiode verschwindetdie zwischen dem Rotor= profil 2 und der Kante 80 freigegebene Abflußfläche . Man kann dani weitere 10 % des Taschenvolumens durch Hilfsscharten 23 im Nutgrund der Kante 80 zuführen . Nur ein kleiner Rest von # 5 % wird dabei als Schadrauminhalt jener Scharten ohne störenden (Geräusch-) Druckabstieg rach der Saugseite zurückgeschleust.
• Die damit verbundene Wirkungsgradverringerung bleibt selbst bei einem Druckverhältnis #4 mit#,06 % weit unter der Grenze der Meßbarkeit.
• Für die durch die Spalttoleranzen bestimmte Mittenspaltfläche F1 empfiehlt es sich,in den Notlaufzonen w - - v,s - - z beson= ders enge Spalte vorzusehen. Für die Blowhole kann man hier ge= nau genug Fhquylh2/4 annehmen, wobei lh der Abstand des e-Schei= telpunktes von der Gehäuseverschneidkante 30 ist. Schon die hier gezeigte Verzahnung ist der Lysholm-Verzahnung im Wirkungsgrad um # 5% überlegen. Mit lg # rg/ 20 erweist sich diese Bauart auch als besonders geeignet für Vakuumpumpen (-wo die Lysholm-Bauart völlig versagt-), wobei man vort;eilhaft auch verschiedene Gehäuseradien r g > rg5 4 für beide Rotorseiten wählen kann, um ein großes Schluckvermögen mit kleinen Ph Werten zu erreichen.
• Solche Geräte können in sinngemäßer Umkehrung auch als Druckgas= motoren eingestzt werden0 Die hier für die Radien rew,rfs angegebenen teziehungen können für eine rationelle Fertigung durch Abwälzhobeln bereits als konstante nur noch mit entsprechenden Toleranzen zu versehende Werte für die Bereiche e - - w , s- -k angesehen werden. Man kann sie aber auch als Mittelwerte für Kurven veränderlicher Krümmung auffassen,wobei allerdings für rew die Abweichungen nur sehr klein sein dürfen (- <10%-). Für rfs kann man auch im Be= reich f - - s zwei verschiedene Radien rfsf < rfss verwenden, für die ebenfalls der hier angegebene rsf - Bereich maßgebend bleibt. Ebenso kann sich rfs zwischen f - - s in diesem tereich stetig ändern. Inbesonderen Fällen kann auch bei verschwindender s - - z-Evolvente der Punkt s mit dem Punkt z zusammenfallen.
• Die für Vakuumpumpen empfohlene Verschiedenheit der beiden Ge= häuseradien kann auch für normale Verdichter von Vorteil sein, doch sollte man nie über die Grenzen rg < rgs.1,15, rgs < r@. 1,05 hinausgehen.
• Die Werkzeugprofile 5,6 sind hier aus je sieben Geraden und Kreisbogen zusammengesetzt. Auch für höchste Ansprüche brauchen solche Abwälzhobelprofile nie mehr als zehn solcher Profil= abschnitte aufweisen. Die für das Abwälzhobeln besonders niedra= gen Kosten solcher Werkzeuge und die damit errzichbare größere genauigkeit bilden einen Ausgleich gegeniiber der Fräsmaschine mit ihrer kürzeren Bearbeitungszeit und gewähren dar r hinaus die Möglichkeit,für jeden zweck die gerade hierfür am besten ge eigneten profile zu entwickeln. So kann man für besonders kleine Fördermengen oder große Drücke Zahnverhältnisse 5/7, 6/8 -wählen,um damit sehr kurze Rotoren mit nicht allzukleinen Durchmessern und noch erträglichen Drehzahlen zu ermöglichen.
• Billige Werzeuge erlauben zudem einen häufigeren Werkzeugwechsel und damit eine zuverlässige genaueste Fertigung.

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Schraubenverdichter mit kantenfreien Profilflanken und einer im Sinne kleinster Lekflächen für die Blowhole (Fh) und den Mitten= spalt(F1) unsymmetrischen terzahnung,dadurch tekennzeichnet,daß die exakte oder mittlere Krümmung der Druckflanken von Hobelwerk= zeugen (5,6) - und den daraus ableitbaren Fräserprofilen- einem besonderen rew-@esetz ( Formeln 1,2,3-) folgt,wobei die dazugehö= renden Krümmungsradien am Steuerrotor (2) stets weit genug von Null entfernt bleiben,um eine genaue Fertigung zu ermöglichen und In Verbindung mit einem anschließenden Evolventenbereich (w - v) einen kurzzeitigen trockenen Notlauf oder bei Olflutung einen kraftschlüssigen Betrieb ( Abbremsen-) zu gestatten.

   2.) Schraubenverdichter nach Anspruch 1,gekennzeichnet durch eine druckseitige Evolvente@@edingung (Formeln 4,5,6,7-).

   3.) Schraubenverdichter nach Anspruch 1,2 dadurch gekennzeichnet, daß die rummung der saugseitigen Hobelflanken (5,*) einem @esetz( Formel 9) folgt,wobei rfs im Bereich f - - 5 entweder konstant bleibt,oder aus zwei konstanten Teilen ( rfsf <rfss) besteht,oder aber sich innerhalb dieses bereiches stetig zwischen Grenzen bewegt.

   4.) Schraubenverdichter nach Anspruch 1,2,3,dadurch gekennzeichnet, daß die Kopfbreiten einem bestimmten Gesetz( Formel 8) folgen.

   5.) Schraubenverdichter nach Anspruch 1,2,3,4,dadurch gekenazeich= net,daß die Auswirkung von Abrundungen (rk) an dem Werkzeug( 5) für den Arbeitsrotor(1) durch Abkantungen (21) zu beiden Seiten (m,n) der Steuerrotorköpfe (2) kompensiert wird.

   6.) Schraubenverdichter nach Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet, daß der kbkantvorgang mit dem periodischen Einstechen von Kopf= nuten gekoppelt ist 7.) Schraubenverdichter nach Anspruch 1,2,3,4,dadurch gekennzeich= net,daß die Drucktaschen über eine nahe an den Arbeitsrotorkopf= kreis (11) herangeführte bearbeitete Deckelsteuerkante (80) und entsprechende Scharten( 23) im Nutgrund des Steuerrotors entleert werden.

   8.) Schraubenverdichter nach Anspruch 5,6,dadurch gekennzeich= net,daß die am Steuerrotorwerkzeug (6) zwischen e - g vorgese hene Kreisbogennäherung 6 61,62) so beschaffen ist,daß sich als Qegenprofil am Arbeitsrotor (1) eine schroffe Abrundung (rx) er gi@t,die durch nachträgliches und mit Einstechen von Kopfnuten kombinierbares Abkanten kompensiert wird.