DE2234777C3

DE2234777C3 - Verdichter

Info

Publication number: DE2234777C3
Application number: DE19722234777
Authority: DE
Inventors: Ernst 4130 Moers Menssen
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1972-07-14
Filing date: 1972-07-14
Publication date: 1980-10-30
Also published as: DE2234777B2; GB1388376A; JPS4967211A; JPS5712841B2; DE2234777A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdichter, bestehend aus einem mit Ein- und Auslaßöffnungen versehenen Gehäuse mit mindestens zwei Rotoren als Haupt- und Ncbcnläufer, die mit schraubenlinienförmig gewundenen Zahnreihen besetzt und achsparallel und ineinandergreifend angeordnet sind, wobei die Zahnprofile des Hauptläufers im wesentlichen konvex und außerhalb des Teilkreises befindlich und die Zahnflanken des Nebcnläufcrs im wesentlichen konkav und innerhalb des Teilkreises befindlich ausgebildet sind und die Zahnprofile /um Teil Kreisbogenabschnitte aufweisen.

Verdichter in Schraubenbauart werden zur Verdichtung oder Entspannung von Gasen verwendet. Sie arbeiten bekanntlich in der Weise, daß die Zahnreihe des einen Rotors in die Zahnlückenreihe des anderen Rotors eingreift und einen dichten Abschluß zwischen Hochdruckraum und Niederdruckraum herstellt. Durch die schraubenförmige Verzahnung bilden sich winkelförmige Arbeitskammern zwischen den Rotoren und der Gehäusewand, die sich jeweils vom Eingriff der "' Rotorrippen bis zu einer gemeinsamen festen Querebene auf der Seite des Hochdruckdurchlasses erstrecken. Während eines Verdichtungsvorgangs dreht sich ein im Eingriff befindliches Paar von Hauptläuferzahn und Nebeniäuferzahnlücke nach unten aus dem Eingriff

H) heraus. Die senkrecht zu den Rotorenachsen liegende Eingriffsebene verschiebt sich bei fortschreitender Umdrehung axial in Richtung der gemeinsamen Querebene, wodurch die Zahnlückenräume zwischen Einlaßstirnseite und Eingriff immer länger werden, bis an der die Querebene bildende Gehäusestirnwand, Zahn und Lücke außer Eingriff kommen. Die mit Gas gefüllten Lücken stehen an der Einlaßstirnseite mit dem Ansaugkanal in Verbindung, während sie an der gegenüberliegenden Seite durch die Gehäusestirnwand abgeschlossen sind. Bei weiterer Umdrehung werden die Zahnlücken auch an der Einlaßstirnseite abgeschlossen und dann weiter gedreht bis auf der Oberseite der Zahn in die Zahnlücke eindringt. Dieser Eingriff verlagert sich von der Einlaßstirnwand in Richtung zur

2) Gehäusestirnwand, wobei sich die Zahnlücken räumlich verkürzen und dabei das darin befindliche Gas verdichten. Nach Einstellung des Enddrucks überstreifen Zahnspitze und Zahnflanke die im Gehäuseoberteil angeordneten Auslaßsteuerkanten und stellen damit die

so Verbindung zum Druckstutzen her. Hat die Eingriffstelle die Gehäusestirnwand erreicht, dann ist das Kammervolumen gleich Null und das Gas wird ausgeschoben.

Der Wirkungsgrad des Verdichters hängt weitgehend

)■'> von der Abdichtung zwischen Hochdruck- und Niederdruckraum ab. Als Lösung bietet sich eine entlang der Schraubenflanken nicht unterbrochene Abdichtungslinie ,an. Dies ist konstruktiv möglich und auch schon verwirklicht worden. Als Zahnprofil der Rotoren

4(i verwendet man heute hierzu hauptsächlich einen Halbkreis. Der Hauptläufer hat üblicherweise vier im Stirnschnitt halbkreisförmige Zähne, der Nebenläufer sechs dazu passende Zahnlücken, und beide Läufer haben gleiche Außendurchmesser.

■Γ) Dem Halbkreisprofil und auch anderen, in der Vergangenheit vorgeschlagenen Profilen haftet aber ein großer Nachteil an. Die Zahnflanken am Fuß des Hauptläufers, also des Läufers mit der geringeren Zähnezahl, und die am Kopf des Nebenläufers sind sehr

>o steil. Dies wirkt sich bei der Herstellung äußerst ungünstig aus, da die Werkzeuge einen zu geringen Freiwinkel haben, was die Schnittbedingungen verschlechtert und den Werkzeugverschleiß an der Freifläche steigert. Dies erfordert oftmaliges Nach-

ίι schleifen der Werkzeuge, worunter ihre genaue Profilform leidet und weswegen teure Nacharbeiten notwendig sind.

Daher konnten sich, trotz der unbestrittenen Vorteile gegenüber anderen Bauarten wie Kolben- und Turbo-Mi maschinen, die Verdichter in .Schraubenbauart infolge der hohen Fertigungskosten, die sich besonders bei kleinen Maschinen bemerkbar machen, bei denen der Prcisanlcil der Läufer einen großen Prozentsatz des Gesamtpreises ausmacht, nicht in dem erwarteten Maße lurehset/.cn.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verdichter in Schraubcnbauart zu entwickeln, der sich durch ein Zahnprofil der Haupt- und Nebenläufer

auszeichnet, das neben einer guten Abdichtung, eine wesentlich wirtschaftlichere Fertigung, insbesondere bezüglich der Schnittbedingungen der Verzahnungswerkzeuge und deren Verschleiß, als bisher gestaltet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die vorlaufende Flanke des Zahnprofils des Hauptläufers im Fußbereich von einer Evolvente und im daran anschließenden Bereich von Kreisbogenabschnitten gebildet ist, daß die nachlaufende Flanke 'es Zahnprofils, des Hauptläufers durchgehend eine Evol- ι vente aufweist, daß die nachlaufende Flanke des Zahnprofils des Nebenläufers im Kopfbereich von einer Evolvente und im daran anschließenden Bereich von Kreisbogenabschnitten gebildet ist und daß die vorlaufende Flanke des Zahnprofils des Nebenläufers eine ι Zykolide und daran anschließend eine Evolvente aufweist, wobei entsprechende Bereiche des Zahnprofils des Haupt- und des Nebenläufers einander zugeordnet sind.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß : hinsichtlich der Fertigung es nicht günstig ist, von einer möglichst idealen Zahnform auszugehen und dieser die Werkzeuge bzw. das Verzahnungsverfahren anzupassen, sondern es weit vorteilhafter ist, zuerst ein günstiges Verzahnungsverfahren auszuwählen. Von den : im Maschinenbau üblichen Verzahnungsarten eignet sich die Evolventenverzahnung für eine wirtschaftliche Fertigung am besten. Dies hat seinen Grund darin, daß die Zähne des Rades und des Gegenrades von einem gemeinsamen Abwälzprofil mit geraden Flanken erzeugt werden. Diese Werkzeuge lassen sich relativ einfach und mit hoher Genauigkeit herstellen und haben eine hohe Standzeit. Sie erlauben gute Schnittbedingungen, wenn der Eingriffswinkel genügend groß gewählt wird. Dafür hat sich überwiegend ein Winkel von 20° eingeführt, es gibt aber auch Werkzeuge mit Eingriffswinkeln von 12°, 15°, 25° und 30° und andere. Trotz Verwendung dieser die Schnittbedingungen verbessernden Werkzeuge mit größeren Eingriffswinkeln an den steilen Strecken der Zahnflanken, gewährleistet das erfindungsgemäße Zahnprofil eine gute Abdichtung innerhalb der Maschine.

Zudem ist erkannt worden, daß man im Normalschnitt, in dessen Richtung ja die Verzahnung erzeugt wird, mit einem festgelegten Eingriffswinkel arbeiten muß. Somit ergeben sich für Läufer mit verschiedenen Längen-Durchmesser-Verhältnis keine kongruenten Stirnschnittprofiie mehr, da der sich tus einem bestimmten Winkel ergebende Eingriffswinkel im Stirnschnitt umso größer wird, je größer der Schrägungswinkel der Läuferverzahnung ist. Im Gegensatz dazu waren die Stirnschnilte der bisherigen Schraubenmaschinen bei allen Längen-Durchmesser-Verhähnissen gleich.

Das erfindungsgemäße Läuferprofil, das zum Teil aus Evolventen, zum Teil aus anderen Kurvenstücken besteht, gewährleistet eine Dichtlinie, die nur geringfügige Unterbrechungen aufweist. Im Vergleich mit dem seit vielen jähren benutzten sogenannten symmetrischen Kreisbogenprofil, bei dem sich zwischen der nachlaufenden Flanke cL. : :_uuptläufers und der vorlaufenden Flanke des Ncbenläufers ein relativ großer Forinspalt bildet und Gas von höherem Druck in die nachfolgende Zahnlücke mit niedrigerem Druck überströmen läßt, erweist sich das erfindungsgemäße Profil als erheblich günstiger. Fur die erfindungsgemäße Profilform gilt, daß dieser Form- oder auch Blasspalt umso kleiner wird, je kürzer die F.volvnntenstrecke des Nebenläufers ist.

Um die Evolventen aufweisenden Bereiche am Kopl des Nebenläufers zu verkürzen, was eine Verkleinerung des unerwünschten Blasspaltes zu: Folge hat, kann der Anmeldegegenstand mit Vorteil so ausgeführt sein, daß anschließend an die Evolventen das Zahnprofil des Hauptläufers am Fuß und das des Nebenläufers am Kopf jeweils abgerundet ist, wobei die Abrundung ein Kreisbogen ist, dessen Mittelpunkt auf dem Teilkreis des jeweiligen Rotors liegt.

Ebenfalls großen Einfluß hat eine Variante bei der Herstellung der Evolventenverzahnung, die eine äußerst vorteilhafte Ausbildungsform des Anmeldungsgegenstandes darstellt, und darin besteht, daß die Evolventenverzahnung eine Profilverschiebung aufweist. Dann fallen der Teilkreis der Verzahnung und der Wälzkreis des erzeugenden Werkzeugs nicht mehr zusammen. Die Profilverschiebung verhindert gleichzeitig, daß bei kleiner Zähnezahl die Kopfflanke der Zahnstange, also des Werkzeuges, den Zahnfluß des Hauptläufers unterschneidet, und damit dessen an und für sich konvexe Ausbildung unterbricht.

Besonders vorteilhaft wirkt sich eine Ausbildung de^ Anmeldungsgegenstandes aus, bei der die gegenüberliegenden Zahnflanken eines Zahnes unterschiedliche Eingriffswinkel aufweisen. Damit erreicht man noch bessere Schnittbedingungen für die Verzahnungswerkzeuge. Ist beispielsweise, im Stirnschnitt, die Strecke einer Zahnflanke, die von keiner Evolvente gebildet ist. ein Kreisprofil, so ist es besonders günstig, den Eingriffswinkel auf dieser Kreisbogenseite zu vergrößern. Eine derartige Maßnahme kann wichtig sein für Werkzeuge, die nicht im Abwälzverfahren arbeiten sollen, weil Werkzeuge und Werkzeugmaschinen dafür zu groß werden.

Die Herstellung der Verzahnung des Haupt- und Nebenläufers von Verdichtern in Schraubenbauart gestaltet sich, wie eingangs schon erwähnt wurde bei einem Evolventenprofil sehr einfach. Vorteilhafterweise wird man bei der Fertigung größerer Stückmengen auf das Abwälzverfahren zurückgreifen.

Alle zur Verzahnung von Evolventenzahnrädern geeignete Verfahren und Werkzeugmaschinen können in äußerst vorteilhafter und wirtschaftlicher Weise auf "> die Verzahnung der Laufer von Verdichtern in Schraubenbauart angewendet werden, vorausgesetzt, sie lassen die Einstellung des erforderlichen großen Schrägungswinkel ,.j.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand > der in den Fig. 1—3 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 den Eingriff eines Hauptläuferzahns in eine Nebenläuferzahnlücke mit dem dazugehörigen Profil des erzeugenden Werkzeugs im Stirnschnitt ) F i g. 2 ein Beispiel wie in F i g. 1 mit unterschiedlichen Eingriffswinkeln und abgerundeten Zahnprofilen.

F ig. 3 ein Beispiel wie in Fig. 1. bei dem das Verhältnis der Zähnezahl von Haupt- und Nebenläufer nicht wie üblich 4 zu 6 sondern 4 zu 7 beträgt. " In dem Beispiel gemäß F i g. 1 stimmen die Abmessungen des Hauptläufers mit denen des Nebenläufers überein, deren Mittelpunkte mil Λ/, b/w. Kh bezeichnet sind, d. h.. der Fußkreis 16 bzw. der Kopfkreis 18 des Hauptläufers haben den gleichen Durchmesser wie der ; Fußkreis 17 bzw. der Kopfkreis 19 des Nebenläufers. Die Eingriffslinie 22 und 23, die unter dem Eingriffswinkel <\ zur Wälzlinie 20 geneigt sind, schneiden sich im Wälzpunkt <.-, durch den auch die Wälzkreise 14 und

des Haupt- und Nebcnläufers gehen. In diesem Beispiel wurde der Eingriffswinkel <\ im Normalschnitt für das Werkzeug mit 15° festgelegt. Im gezeichneten Stirnschnitt ergibt sich bei dem hier gewählten Schrägungswinkel der Läuft, verzahnung ein Eingriffswinkel von ca. 21". Das erzeugende Abwälzprofil 21 verläuft zu ca. 75% gemeinsam für Haupt- und Nebenläuferprofil. Für den Verlauf der Nebenläuferflanke von Punkt 8 bis 9 ist das gemeinsame Profil unterbrochen. Hier hat das Werkzeug des Nebcnläufers den Verlauf der strichpunktierten Linie 13. während das Werkzeug für den Hauptläufer mit dem Verlauf von 8 über 11 nach 9 ausgeführt ist. Das Profil des eingreifenden Zahnes des Hiiiiptliiufers ist im Abschnitt 1 bis 2 eine Evolvente, der eine Evolvcntenstreckc 6 bis 7 der Zahnflanke des Nebenläufers entspricht. Daran schließt sich ein Kreisbogenprofil 2 bis 3 des Hauptläufers bzw. 7 bis 8 des Nebenläufers an. Die Strecke 3 bis 4 des Hauptläufcrs isl ein Teil des Kopfkreises desselben und der Teil 4 bis 5 wieder eine Evolvente. Diesem Evolvenienabschnitt entspricht 'lic Evolvente 9 bis 10 am Kopf des Nebenläufers. Am Punkt 9 wird die Evolvente des Nebcnläufers vom Werkzeug unterschnitten und es entsteht die Zykloidc 12 von 8 bis 9, die mit dem Punkt 4 des Hauptläufers zusammenarbeiten muß, um eine nicht unterbrochene Dich:ungslinie zu erhalten.

Das Profil des Werkzeugs v\ ird nicht nur von geraden Strecken, sondern auch von kreis- und/oder kurvenförmigen Teilen gebildet. Betrachtet man die Werkzeuge deshalb im Normalsehnilt, in dessen Richtung die Verzahnung ja erzeugt wird, so bleiben die geraden Strecken gerade, nur mit einem anderen Winkel, während die Kreisbögen zur Ellipse werden und die Kurve entsprechend dem Normalsehnilt umgerechnet werden muß.

In E i g. 2 sind die Eingriffslinien 24 und 25 unter dem Eingriffswinkel \ 1. der gleich dem Eingriffswinkel \ in F i g. 1 ist, die Eingriffsünier- 26 und 27 unter dem Winkel λ 2 gegenüber der Wälzlinie 20 geneigt. Während der Winkel .\1 somit unverändert 15 im Norinalschniii, entspricht 21' im hier dargestellten Stirnschnitt. beträgt, wurde für die andere Seile des Profils einen Winkel λ 2 mit 25' im Normalschnitl bzw. ca. 33 im Stirnschnitt gewählt. Wenn beispielsweise ein Scheibenlräser im Teilverfahren angewendei werden soll, dann kann dieser. /.. B. 5 schräg zur Mine des Läufers arbeiten, um auf der 15' Eingriffswinkclseitc einen größeren Winkel und damit bessere Schnittbedingungen zu erreichen. Außerdem ist in I- i g. 2 eine Abrundung tier Zahnprofile dargestellt, die Teil eines Kreises ist. dessen Mittelpunkt /i) auf dem Teilkreis, der hier mit dem Wälzkreis 14 bzw 15 zusammenfällt, des jeweiligen Rotors liegt. Die Evolventenstrecken am Kopf des Nebenläufers konner noch durch einfache Veränderungen bezüglich dei Abmessungen des Rotors, /.. B. des Läuferdurchmessers der Zahnhöhe, der Zähnezahl und/oder des Achsabstan des der Rotoren, verkürzt werden.

In F i g. 3 haben beide Läufer gleiche Durchmesset und auch gleichen Achsabstand wie in Fig. 1 und 2. abei der Nebenläufer hai 7 Zähne anstatt 6. Es wurde dei gleiche Eingriffswinkcl 15' wie in Fig. 1 benutzt. Es is zu erkennen, daß die Evolventenstrecken 6 bis 7 und < bis 10 nur noch halb so lang sind wie in Fig. 1. und daf die Zahnkopfbreite des Nebcnläufers stark verkleiner ist. Durch die verkürzten Evolventenstrecken am Kop des Nebenläufers wird eine Verkleinerung des Blasspal tes erreicht, während die starke Verkleinerung de Zahnkopfbreite des Nebenläufers hinsichtlich eine: etwaigen Anstrcifcns desselben am Gehäuse vor Vorteil ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verdichter, bestehend aus einem mit Ein- und Auslaßöffnungen versehenen Gehäuse mit mindestens zwei Rotoren als Haupt- und Nebenläufer, die mit schraubenlinienförmig gewundenen Zahnreihen besetzt und Achsparallel und ineinandergreifend angeordnet sind, wobei die Zahnprofile des Hauptiäuters im wesentlichen konvex und außerhalb des Teilkreises befindlich und die Zahnflanken des Nebenläufers im wesentlichen konkav und innerhalb des Teilkreises befindlich ausgebildet sind und die Zahnprofile zum Teil Kreisbogenabschnitte aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die vorlaufende Flanke des Zahnprofils des Hauptläufers im Fußbereich von einer Evolvente (1 bis 2) und im daran anschließenden Bereich von Kreisbogenabschnitten (2 über 3 bis 4) gebildet ist, daß die nachlaufende Flanke des Zahnprofils des Hauptläufers durchgehend eine Evolvente (4 bis 5) aufweist, daß die nachlaufende Flanke des Zahnprofils des Nebenläufers im Kopfbereich von einer Evolvente (6 bis 7) und im daran anschließenden Bereich von Kreisbogenabschnitten (7 bis 8) gebildet ist und daß die vorlaufende Flanke des Zahnprofils des Nebenläufers eine Zykolide (8 bis 9) und daran anschließend eine Evolvente (9 bis 10) aufweist, wobei entsprechende Bereiche des Zahnprofils des Haupt- und des Nebenläufers einander zugeordnet sind.

2. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend an die Evolventen (1 bis 2, 4 bis 5, 6 bis 7, 9 bis 10) das Zahnprofil des Hauptläufers am Fuß und das des Nebenläufers am Kopf jeweils abgerundet ist, wobei die Abrundung ein Kreisbogen ist, dessen Mittelpunkt (m)auf dem Teilkreis(14,15)des jeweiligen Rotors liegt.

3. Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet., daß die Evolventenverzahnung eine Profilverschiebung aufweist.

4. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichmM, daß gegenüberliegende Flanken des Zahnprofils eines Zahnes unterschiedliche Eingnffswinkel (αι. 1x2) aufweisen.

5. Verfahren zur Herstellung der Verzahnung der H;iupt- und Nebenläufer von Verdichtern nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis \, gekennzeichnet durch eine Anwendung des Abwälzverfahrens.