DE2315503A1

DE2315503A1 - Verdichter- oder expansionsmaschine

Info

Publication number: DE2315503A1
Application number: DE19732315503
Authority: DE
Inventors: Bernard Zimmern
Original assignee: OMPHALE SA
Current assignee: OMPHALE SA
Priority date: 1973-03-28
Filing date: 1973-03-28
Publication date: 1974-10-03
Also published as: DE2315503C2

Description

"Verdichter- oder Expansionsmaschine" Die Erfindung betrifft eine Verdichter- oder Expansions-Maschine für ein Fluid,bestehend aus einem auf einer Achse drehbaren Rotor mit mindestens einem außenliegenden Spiralgewinde, dessen Scheitel auf einer Drehfläche in Bezug auf die Rotorachse liegen und mit einem den Rotor zumindest teilweise umgebenden Gehäuse abdichtend zusammenwirken, sowie aus mindestens einem Dichtunszahnrad, das auf einer quer zur Rotorachse verlaufenden Achse drehbar gelagert ist und mit in das Gewinde des Rotors eingreifenden Zähnen versehen ist, von denen Jeder im Gewindeeingriff stehende Zahn eine dem unter hohem Druck stehenden Fluid ausgesetzte Fläche besitzt.
19aschinen dieser Gattung sind insbesondere aus den franzwischen Patentschriften 1 287 593, 1 331 998, 1 586 832 und 1 601 531 bekannt. Beispielsweise ist in der letztgenannten Patentschrift eine Maschine beschrieben, die hier in Fig. 1 schematisch dargestellt ist und einen Rotor 1 umfaßt, der aus einer Globoidschraube besteht, welche um eine Achs 3 drehbar ist sowie ein mehrgängiges Spiralgewinde 3 trägt. Die Scheitel des Gewindes 3 liegen auf einer zur Achse 2 symmetrischen Zylinderfläche und wirken mit einem nicht dargestellten Gehäuse zusammen. Das Gewinde 3 kämmt mit den Zähnen 6 eines-Dichtungszahnrades Lt, das auf einer Achse 5 drehbar gelagert ist, die bei diesem Beispiel etwa rechtwinklig zur Drehachse 2 des Rotors verläuft.
Die Zähne 6 des Dichtungszahnrades begrenzen zusammen mit den Gewindegängen des Gewindes 3 des Rotors Verdichtungs-oder Expansiqnskammern, die nacheinander mit einer Öffnung für das unter hohem Druck stehende Fluid in Verbindung gebracht werden, die in dem Gehäuse in dem in der Nähe des Dichtungszahnrades liegenden und mit dem Bezugs zeichen 40 bezeichneten Bereich des Gehäuses angeordnet ist. -Mit dem Bezugszeichen 20 ist diejenige Fläche der Zähne 6 bezeichnet, die~dem-unter hohen Druck stehenden Fluid ausgesetzt ist und im folgenden der Einfachheit halber als druckseitige Fläche bezeichnet wird.
Im Verlauf der Drehung des Dichtungszahnrades kommt ein bestimmter, auf einer Flanke eines der Zähne 6 liegender Punkt wie etwa M nacheinander mit den Punkten eines Gewindeganges 3 in Berührung, in welchen dieser Gewindegang in Bezug auf die Drehebene des Dichtungszahnrades- unterschiedliche Steigungen besitzt. In dem in Fig. 1 veranschaulichten Fall n ist diese Steigung A etwa durch die Gleichung tg A = 1 2 n r1 gegeben, in welcher n1 die Gewindegangzahl des Rotors, n2 die Zahl der Zähne des Dichtungszahnrades und r1 bzw. r2 die Abstände des Punktes M von der Drehachse 2 des Rotors bzw. der Drehachse 5 des Dichtungszahnrades bezeichnen.
Für einen bestimmten Punkt M eines Zahnes 6, der einem bestimmten Wert von r2 entspricht, ist folglich der Winkel A am kleinsten, wenn M sich in Berührung mit einem Punkt in der Nähe des Scheitels des Gewindeganges b-efindet. und am größten.
wenn M sich in der dem Gewindegrund am nächsten liegenden Stellung befindet.
Diese Kleinst- und GrcEtwerte hängen von dem Wert von r2 ab, d.h. von der Lage des Punktes M auf der Zahnflanke, wie dies in dem Diagramm der Fig. 3 dargestellt ist. In dieser Figur ist r2 in Prozent des Durchmessers des Rotors ausgedrückt.
Bei einer Maschine der in Fig. 1 dargestellten Art; deren Rotor und deren Dichtungszahnrad einen Durchmesser D haben, besitzt der Rotor sechs Gewindegänge und das Dichtungszahnrad elf Zähne, bei einem Abstand zwischen der Drehachse 2 und der Drehachse 5 von o,8 D; aus Fig. 3 ist zu ersehen, daß sich dabei der Winkel A etwa zwischen 280 und 420 für einen am Ende eines Zahnes (r2= 50) gelegenen Punkt M ändert. Wenn der Punkt M sich dem Zahnfuß nu'hertz nähern sich auch die Maximalwerte (Kurve 10) und die Minimalwerte (Kurve 11) von Aneinander an, bis sie bei einem Wert von etwa 17° zusammenfallen, wenn der Punkt M sich in einer Entfernung von 0,3 D von der Achse des Dichtungszahnrades befindet. In dieser letzteren Lage kommt der Punkt X nur noch mit den in der Nähe des Scheitels des Gewindes liegenden Punkten in Berührung.
Wenn der Außenumriß des Rotors nicht zylindrisch ist oder die Anor'dnung der Zähne des Dichtungszahnrades von der in Fig. 1 dargestellten Anordnung abweicht, folgt das nderunsgesetz für den Winkel A weder der vorstehend angegebenen Gleichung noch den Kurven 10 und 11 in Fig. 3; der Winkel A liegt jedoch stets zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert, die durch Kurven analog zu den Kurven 10 und 11 veranschaulicht werden können.
Diese änderungen des Winkels A bedingen Beschränkungen in der Profilgebung der Zahnflanken der Zähne 6 des Dichtungszahnrades die in abdichtende Berührung mit den Gewindegängen 3 des Rotors treten sollen.
Bei bekannten Maschinen besitzen die Zahnflanken des Dichtungszahnrades zwei Flächen, die sich in einer Kante schneiden. In Fig. 2 der Zeichnung ist ein Schnitt durch einen Zahn 6a längs der Linie X-X' in Fig. 1 dargestellt, welcher Zahn 6a sichin Berührung mit den Gewindegängen 3a und 3b befindet. Wie ersichtlich, besitzen die Zahnflanken zwei Flächen 8a und 9a einerseits und 8b und 9b andererseits5 die sich unter Bildung der Kanten 7a und 7b schneiden. Die Flächen 8a und 9b bilden mit der Drehachse 5 des Dichtungszahnrades einen dem Minimalwert des Winkels A entsprechenden Winkel für den dem betrachteten Schnitt durch den Zahn entsprechenden Wert r2, während die Flächen 8b und 9a mit der Achse 5 einen Winkel gleich dem Flaximalwert von A bilden.
Diese bekannte Technik besitzt mehrere Nachteile. Einerseits sind die Berührungskanten schmal und werden infolge von Reibung beschädigt, was zu Spiel zwischen den Zahnflanken und den Gewindegängen und demzufolge zu Leckverlusten des zu verdichtenden oder zu expandierenden Fluids und zu einem Abfall des Wirkungsgrades der Maschine führt.
Andererseits kann die Bearbeitung des Gewindes des Rotors nach der britischen Patentschrift 649 412 nur mittels eines Werkzeuges vorgenommen werden, das sich nicht um sich selbst dreht, wodurch eine schleifende Bearbeitung und die Verwendung sehr harter Werkstoffe unmöglich ist. Die Bearbeitungsgenauigkeit und die Oberflächengüte der Gewindegänge sind folglich denjenigen unterlegen, die man durch Schleifen erhält.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maschine der einleitend angegebenen Art zu schaffen die von den vorstehenden Mängeln frei ist.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß diejenigen Teile der Zahnflanken des Dichtungszahnrades, die an die dem unter hohen Druck stehenden Fluid ausgesetzte Fläche der Zähne angrenzen, Teile von Drehflächen sind, und daß diese Flankenteile diejenigen Flankenbereiehe umfassen, die bei der Drehung des Rotors in Berührung mit dem Gewinde kommen.
Hieraus ergibt sich der Vorteil, daß die,Berührung zwischen dem Gewinde des Rotors und den Zahnflanken des Dichtungszahnrades tangential zu einer Drehfläche statt längs einer Kante erfolgt. Die Verschleißgeschwindigkeit und demzufolge Leckverluste werden hierdurch erheblich vermindert. Gleichzeitig ergibt sich aus dieser Ausbildung der Maschine der beachtliche Vorteil, daß die Gewindegänge des Rotors mittels sich um sich selbst drehender Werkzeuge bearbeitet werden können, daß also Schleifwerkzeuge verwendet werden können.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Maschine nach der Erfindung bilden den Gegenstand von Unteransprüchen.
Hervorzuheben ist, daß die genannten Drehflächen Zylinderflächen sein können und daß deren Achsen in Bezug auf eine zur Drehachse des Dichtungszahnrades senkrechte Ebene geneigt sein können.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform können die an die druckseitige Fläche der Zähne angrenzenden Teile der Zahnflanken Teile von Kegelflächen sein. Dabei konnten'die Achsen von zwei Flanken ein und desselben Zahnes angehörenden Kegelflächen etwa senkrecht zur Drechachse des Dichtungszahnrades verlaufen und diese Drehachse in zwei verschiedenen Punkten schneiden; wobei die Richtungen der Achsen dieser zwel'Kegelflächen gegeneinander geneigt sind.
Neben den bereits vorstehend im Zusammenhäng mit dem Stand der Technik beschriebenen Fig. 1 bis 3 sind in der Zeichnung beispielsweise gewählte Ausführ,ungsformen-der Maschine nach der Erfindung in schematischer Vereinfachung dargestellt. Es zeigen: Fig. 4 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines Zahnes eines Dichtungszahnrades nach der Erfindung, Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zur Bearbeitung eines Rotors nach der Erfindung, Fig. 6 einen Schnitt durch den in Fig. 4 dargestellten Zahn, hier jedoch in Höhe des Rotorumfanges, Fig. 7 eine perspektivische Darstellung des Eingriffes- zwischen einem Gewindegang des Rotors und dem Zahn nach Fig. 43 Fig. 8 eine perspektivische Darstellung des in Fig. 4 wiedergegebenen Zahnes, Fig. 9 eine perspektivische Darstellung eines Bearbeitungswerkzeuges für einen Rotor nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, Fig.10 eine Teildarstellu,ng einer zweiten Ausführungsform eines Dichtungszahnrades, Fig.11 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung, Fig. 12 eine perspektivische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines Zahnes eines Dichtungszahnrades, Fig.13 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung einer vierten Ausführungsform der Erfindung, Fig.14 eine Schnittdarstellung einer vierten Ausführungsform eines Dichtungszahnrades, Fig.15 eine perspektivische Darstellung des Zahnes nach Fig.14, Fig.16 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung einer fünften Ausführungsform der Erfindung, Fig. 17 einen Schnitt durch das Werkzeug der Vorrichtung nach Fig. 16, Fig. 18 eine im Schnitt gehaltene Teildarstellung einer fünften Ausführungsform eines Rotors, gesehen in Richtung des Pfeiles 39 in Fig. 16, Fig. 19 eine Schnittdarstellung einer Durchmesserebene des Rotors in Fig. 16 in vergrößertem Maßstab, Fig. 20 eine perspektivische Darstellung einer fünften Ausführungsform eines Zahnes des Dichtungszahnrades.
In Fig. 4 ist im Schnitt ein Zahn 6b eines Dichtungszahnrades wie etwa des Dichtungszahnrades 4 in der bereits beschriebenen Figur 1 wiedergegeben.
Die Flankenteile 12a und 12b des Zahnes, die an die Fläche 20 des Zahnes angrenzen, welche dem unter hohen Druck befindlichen Fluid ausgesetzt ist, bestehen aus Teilen von Drehflächen mit den Achsen 14a und 14b.
In Jedem Querschnitt des Zahnes haben die Flankenprofile folglich Abschnitte, die aus Kreisbögen wie etwa 13a und 13b bestehen und Parallelen zu den genannten Drehflächen sind. Die Radien der Kreise 13a und 13b, die durch die Endpunkte der Kreisbögen verlaufen, bilden mit einer Senkrechten auf die Drehachse 5 des Dichtungszahnrades Winkel, von denen der eine höchstens gleich dem Mlnimalwert des vorstehend definierten Neigungswinkels A der Gewindegänge und der andere wenigstens gleich dem Maximalwert dieses Winkels A ist.
Bei dem einleitend unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschriebenen Beispiel wurde folglich der eine Winkel höchstens gleich 170 und der andere Winkel mindestens gleich 420 sein.
Jede der Flanken setzt sich über den Drehflächenteil hinaus in Bereichen 61aund 61b fort, die beispielsweise Teile von Tangentialebenen an die Flächen 12a und 12b sind und deren Steigungen folglich größer als die größten Steigungen bzw. kleiner als die kleinsten Steigungen, wie sie im Zusammenhang mit Fig.3 definiert wurden sind. Diese Verlängerungen befinden sich auf der niederdruckseitigen Fläche des Zahnes.
Fig. 5 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Bearbeitung des Gewindes des Rotors wie etwa der Globoidschraube nach Fig.1, um das Gewinde passend zu dem Profil des in Fig. 4 wiedergegebenen Zahnes auszubilden.
Der Rotor 1 ist auf seiner Achse 2a drehbar gelagert.
Ein Elektromotor 16 ist andererseits drehbar um eine Achse 5a angeordnet, die in Bezug auf den Rotor 1 dieselbe Stellung wie die Achse 5 des Dichtungszahnrades einnimmt. Auf der Welle 17 dieses Motors ist ein Werkzeug 18 montiert. Das Robgewinde der Schraube kann durch Gießen hergestellt sein; die Achsen 2a und 5a sind in ihrer Drehzahl durch passende Einrichtungen derart synchronisiert, daß diese Drehzahlen im selben Verhältnis zueinander stehen wie die Arbeitsdrehzahlen des Rotors und des Dichtungszahnrades, d.h. 11:6 im erwähnten Beispiel.
Das Werkzeug selbst besteht entweder aus einem Fräser oder einem Doppelmesser oder einem einzigen Nasser, dessen Außendurchmesser gleich dem Durchmesser der Kreise 13a und 13b ist.
Bei einem ersten Durchlauf fällt die Achse 17 des Motors mit der Achse 14a zusammen (Fig. 4). Hierbei wird eine Flanke des Gewindes wie etwa die Flanke 3a erzeugt (Fig. 3). Ein auf der Achse 2a angeordneter Teiler gestattet es, bei aus dem Rotor herausgefahrenem Werkzeug, den Rotor in eine zweite definierte Stellung zu bringen und die Flanke 3a eines zweiten Gewindeganges zu bearbeiten und sofort.
Wenn dieselbe Flanke sämtlicher Gewindegänge a bearbeitet ist wird die Achse 17 verschoben, bis sie mit der Stellung zusammenfällt, die der Mittelpunkt 14b haben soll; nun werden in der gleichen Weise die Flanken 3b bearbeitet. Selbstverständlich ist es möglich, gleichzeitig mehrere Werkzeuge arbeiten zu lassen von denen das eine beispielsweise die Bearbeitung der Flanken 3a und das andere die der Flanken 3b vornimmt, wobei dann mehrere gleichzeitig arbeitende Bearbeitungsvorrichtungen 5a,17, 18 vorzusehen sind.
In Fig. 8 ist eine Teilansicht eines Dichtungszahnrades perspektivisch wiedergegeben, wobei insbesondere ein Zahn 6b zu erkennen ist, dessen Flanken entsprechend dem Schnitt nach Fig. 4 in einem Teilbereich einer zylinderischen Drehfläche wie etwa 13b folgen.
Auf den Flanken 12a und 12b sind Linien 30a, 30b, 31a und 31b eingezeichnet, die den Verlauf der Grenze der Berührung zwischen den Flanken des Zahnes und den Gewindegängen veranschaulichen. Diese Berührung kann nur über Punkte erfolgen, die zwischen den Linien 30a und 31a bzw. zwischen den Linien 30b und 31b liegen. Diese Linien entsprechen den Extremwerten der Steigungen en, wie sie im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben wurden, wobei die Linien 30a und 30b den Steigungen der Kurve 10 in Fig. 3 und die Linien 31a und 31b den Steigungen der Kurve 11 in derselben Figur entsprechen.
Die die Großflächen des Dichtungszahnrades enthaltenen Ebenen schneiden aus den Zylindern wie beispielsweise 13b hinreichend breite Sektoren heraus, um die genannten Linien derart vollständig zu überdecken, daß die Berührung zwischen Gewindegängen und Zahnflanken eine Berührung von zwei Flächen und nicht von einer Fläche mit einer Kante ist. Schließlich ist vorallem darauf hinzuweisen, daß die zwischen den Linien 3Qa und 31a bzw.
30b und 31b liegenden Berührungsbereiche sich in unmittelbarer Nähe der dem hohen Druck ausgesetzten Fläche 20 des Zahnes befinden.
Der Ersatz einer Berührung zwischen Gewindegang und Zahn längs einer Kante wie etwa 7a und 7b in Fig. -2 durch die im Zusammenhang in Fig. 4 beschriebene Berührung führt jedoch zu einer Quelle von Leckverlusten, sie deren Ursprung anhand von Fig. 6 leicht verständlich ist, die,einen Schnitt parallel zur Achse des Dichtungszahnrades in Höhe des Rotorumfanges und' folglich des den Rotor umgebenden Gehäuses darstellt.
Dieses Gehäuse besitzt einen Durchlaß für das Dichtungszahnrad, der im Falle eines ebenen Dichtungszahnrades ein Schlitz- ist, dessen Ränder in der Fig. mit 19 und 60 bezeichnet sind. Der Rand 19, der sich auf derjenigen Seite des Dichtungszahnrades befindet, wo auf dieses der hohe Druck wirkt, steht mit der entsprechenden Fläche 20 in abdichtender Berührung, so daß die Leckverluste zwischen den Ebenen 19 und 20 begrenzt werden. Es besteht jedoch zwischen dem Gewindegang 3b, der Flanke 12b des Zahnes und dem Rand 19 eine schraffierte Zone 22 und ebenso zwischen dem Gewindegang 3a, der Flanke 12a und dem Rand l9 eine schraffierte Zone 21, über welche das unter Druck stehende Fluid gemäß dem Pfeil 23 in Fig. 7 auf die Niederdruckseite entweichen kann. In dieser Fig. 7 sind ein mit einer Flanke mit dem Gewindegang 3b zusammenwirkender Zahn 6b> ein zweiter Zahn 6c und gestrichelt der Rand 19 und der Bereich 22 perspektivisch dargestellt.
Es existiert zwischen den Zähnen 6b und 6c ein nicht durch den Gewindegang 3b ausgefUlltes'Volumen 24, das um so gröBer ist, je geringer die höhe des Gewindeganges 3b ist, welcher Fall bei Annäherung an das Ende der Schraube eintritt und zwar insbesondere an das hochdruckseitige Ende, d.h. den Bereich 40 gemäß Fig. 1.
Diese Erscheinung gewinnt um so mehr Bedeutung, als für das Außenprofil des Rotors Drehflächen verwendet werden, deren Erzeugende eine Gerade ist, um im Fall von Gasverdichtern oder Gasexpansionsmaschinen das Verdichtungsverhältnis zu erhöhen, wie dies in der französischen Patentschrift 1 331 998 beschrieben ist. Unter diesen Umständen ist ist das Volumen 24 ein Maximum, wenn der Zahn sich nur noch mit seinem äußersten Ende im Eingriff mit dem Gewinde befindet und der Druck in der durch das Gewinde begrenzten Kammer in dieser Stellung sein Maximum erreicht.
Nun kommuniziert aber dieses Volumen 24 frei mit dem zwischen dem Zahn und dem Rand 60 (Fig. 6) liegenden Volumen, das seinerseits mit sämtlichen Nigruckbereichen der Maschine in Verbindung steht.
Es ergibt sich hieraus, daß diese Maschinen nur dann arbeiten können wenn die Leckbereiche 21 und 22 gleich Null sind oder vernachiässigbare Fläche besitzen, da im gegenteiligen Fall erhebliche Leckverluste zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite eintreten würden.
Bei Anordnungen nach dem Stand der Technik, also etwa nach Fig. 2, war es möglich, den Querschnitt dieser Durchgänge durch Verlegung der Berührungskanten 7a und 7b in Richtung auf die hochdruckseitige Fläche 20 zu vermindern und im Grenzfall diese Querschnitte zu Null zu machen.
Bei der Maschine nach der Erfindung ist es nicht möglich diese Querschnitte zum Verschwinden zu bringen, da die Berilhrungslinie keine feste Kante mehr ist, sondern sich in einem gegebenen Bereich verschiebt.
Dennoch ist es möglich, die Querschnitte 21 und 22 hinreichend klein zu machen, daß die Leckverluste für die häufig in der Industrie verwendeten Drücke in der Größenordnung 7 bis 15 Bar vernachlässigbar werden. Während diejenigen Zahnflankenteile; die auf Drehflächen liegen, hier-zu einen ma,ximaSnDurchmessern der in der Gegend der Breite zwischen zwei benachbarten Gewindegängen liegt. erhalten müssen die Berührungsbereiche zwischen jeder Zahnflanke und den STewindegängen in die Nähe der hochdruckseiten Fläche 20 der Zähne gebracht werden. Dies ist nicht möglich wenn die beiden Flanken ein und desselben Zahnes auf derselben Drehfläche angeordnet werden.
Bei dem vorstehend angeführten Beispiel eines Rotors mit sechs Gewindegängen und dem Durchmesser D, der mit einem Dichtungszahnrad mit elf Zähnen und dem Durchmesser D zusammenarbeitet, wobei der Achsabstand zwischen der Drehachse des Rotors und derjenigen des Dichtungszahnrades gleich C,8 D ist und die Zahnbreiten 0,18 D nicht überschreiten, können diejenigen Zahnflankenteile, die auf Drehflächen liegen, einen Durchmesser in der Größenordnung von 0,12 D erhalten. Bei dieser Bemessung haben die Leckbereiche 21 und 22 für jeden Zahn eine Gesamtfläche deren Maximalwert jedoch nicht über 0,4 10-Lt D2 geht.
Für die Herstellung des Gewindes kann an Stelle eines zylindrischen Werkzeuges auch ein Werkzeug verwendet werden das an seinem Ende einen kleineren Durchmesser als an seiner Easis hat und den Zähnen des Dichtungszahnrades die in Fig. 10 veranschaulichte Form gibt. Ein derartiges Werkzeug 18 ist in Fig. 9 dargestellt. Es ermöglicht, den Teilen 12a und 12b -der Zahnflanken (Fig. 4 und 6) im Bereich der Zahnscheitel einen geringeren Durchmesser zu geben und demzufolge die Fläche der Leckbereiche 21 und 22 in der Nähe dieser Scheitel zu verringern.
Nun entstehen aber die größten Leckverluste am hochdruckseitigen Ende des Rotors, wenn der Zahn teilweise aus dem Eingriff mit dem Gewinde kommt und mit diese nur noch mit seinem Scheitel zusammenwirkt. Die Verminderung der Leckbereiche in Richtung auf die Zahnscheitel wirkt sich daher in beachtlichem Umfang aus, In Fig. 12 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Figur veranschaulicht einen Zahn 6b des Dichtungszahnrades dessen hochdruckseitige Fläche wiederum mit der Bezugszahl 20 bezeichnet ist. Eine der Flanken des Zahnes 6b besitzt einen Teil 12b, der auf einer Zylinderdrehfläche 13b liegt 3 deren Achse 63 mit der Fläche 20 einen kleinen Winkel B bildet. Ebenso besitzt die andere Zahnflanke einen in einer zylindrischen Drehfläche liegenden Teil) wobei die (nicht dargestellte) Drehachse der Zylinderfläche mit der Fläche 20 einen Winkel B' bildet. Die Schnitte der Fläche 20 des Zahnes mit den Zylinderflächen 12a und 12b sind folglich Ellipsenbögen 32a und 32b.
Infolge der Neigung der Fläche 20 in Bezug auf die Achsen der Drehflächen 12a und 12b fallen die äußersten Berührungslinien 30b und la zwischen den Zahnflanken und den Gewindegängen des Rotors praktisch zusammen mit den elliptischen Zahnkanten 32a und 32b.
Fig. 11 zeigt die Stellung des für die Herstellung der Gewindegänge des Rotors verwendeten Werkzeuges,wobei diese Gewindegänge mit den Zähnen der in Fig. 12 dargestellten Ausbildung zusammenwirken sollen. Dieses Werkzeug 18 wird'wie bei der im Zusammenhang in Fig. 15 beschriebenen Vorrichtung durch einen rotor in Drehung versetzt, der seinerseits drehbar in Bezug auf eine Achse 5a montiert ist, die mit der Drehachse des Dichtungszahnrades zusammenfällt.
Das Werkzeug 18, das etwa zylindrische Form besitzt, ist in derjenigen Stellung in ausgezogenen Linien dargestellt in der es diejenige Flanke des Gewindes bearbeitet, die mit der Blanke 12b des Zahnes dort zusammenwirken soll, wo diese Gewindegangflanke in Bezug auf das Dichtungszahnrad einen Maximalwinkel A besitzt. Die Achse 17b des Werkzeuges verläuft folglich etwa rechtwinklig zur Drehachse 2 des Rotors und bildet mit einer Senkrechten auf die Achse 5a einen Winkel B. Man stellt fest, daß unter diesen Bedingungen die äußerste Berührungslinie 30b zwischen der Zahnflanke 12b und dem Gewindegang etwa in einer zur Achse 5a rechtwinkligen Ebene liegt, d.h. parallel zur Fläche 20 der Zähne des Dichtungszahnrades.
Wenn das Werkzeug 18 sich in der gestrichelten Stellung zur Herstellung derjenigen Gewindeflanke befindet, die mit der Flanke 12a des Zahnes 6b zusammenwirken soll, ist die Werkzeugachse 17a gegenüber einer Senkrechten auf die Achse 5a um einen Winkel B' geneigt. In diesem Fall liegt die äußerste Berührungslinie 31a zwischen der Zahnflanke 12a und dem Gewindegang, die den relativ geringsten Gewinde steigungen entspricht (Kurve 11 in Fig. 3) etwa in einer zur Achse 5a senkrechten Ebene und folglich parallel zur Fläche 20 des Zahnes 6b. Man richtet die Stellung des Werkzeuges in der Achse 5a so aus, daß diese Ebene etwa mit derjenigen zusammenfällt, die die Linie 30b enthält.
Außerdem wird der Schlitz des Gehäuses, durch den das Dichtungszahnrad hindurchtritt, derart angeordnet, daß der Rand 19, der mit der hochdruckseitigen Fläche 20 des Zahnes (Fig. 6) zusammenwirkt, ein wenig jenseits der,Ebene liegt, die die Linien 31a und 30b enthält, und zwar auf der Site, auf der der Fluiddruck wirksaum werden soll. Diese Anordnung ist besonders hervorzuheben, da sie die Querschnitte der Lecks 21 und 22 gemaß Fig. 6 erheblich verringert.
Nachem nun der Leckquerschnitt 21 verringert ist kann an weiter feststellen, daß die entsprechenden Verluste vollständig verrnieden werden könnten, wenn man die Linien 31a und 32a durch Verschiebung der Flache 20 zusammenfallen lassen könnte.
Auch der Leckquerschnitt 22 ist sehr erheblich vermindert.
Solange der Zahn maximal in den Rotor eindringt, ist dieser Querschnitt ein Maximum, im Fall der Fig. 8 findet die Berührung zwischen dem Gewindegang und der Zahnflanke an dem Rotorumfang in einer maximalen Entfernung von der Flache 20 statt, wchrend sie im Fall der Fig. 12 Null sein kann.
Für das bereits angegebene Zahlenbeispiel zeigt die Rechnung, daß der aus der Summe der Querschnitte 21 und 22 im Verlauf der Drehung gebildete Mittelwert etwa um den Faktor 7 vermindert wird und daß diese Leckverluste folglich vollständig vernachlässigbar werden.
Festzuhalten ist, daß die Linien dor 31a und 30b statt in eine Ebene (wie im Fall'der Fig. 11 erläutert) auch auf einen Kegel oder schließlich auch auf einen Zylinder gelegt werden können, und zwar durch passende Änderung des Winkels B und entsprechend des Winkels B'. Diese Anordnung kann auf die in der französischen Patentschrift 1 586 832 beschriebenen Maschine angewendet werden.
Ebenso ist es möglich, nicht zylindrische Zahnflankenformen zu verwenden unter gleichzeitiger progressiver Verminderung des Durchmessers in Richtung auf das Ende des Zahnes mit den in Fig. 11 dargestellten Steigungen.
Außerdem besteht die Möglichkeit, diese Formgebungen bei anderen als zylindrischen Rotoren zu verwenden, beispielsweise bei konischen oder ebenen Rotoren, wie sie in den französischen Patentschriften 1 331 998 und 1 586 832 beschrieben sind.
Weiterhin können diese Formgebungen bei Rotoren Anwendung finde, die nur ein eingängiges oder zweigängiges Gewinde besitzen und mit mehreren um den Rotor herumgeführten Gewindegängen arbeiten, wie sie bereits aus dem Stand der Technik, insbesondere der USA-Patentschrift 2 716 861 bekannt sind. In diesem Fall sind die Änderungen des Steigungswinkels wesentlich geringer als diejenigen bei dem für die vorliegende Beschreibung gewählten Beispiel und es ist möglich, ohne Schwierigkeit Pumpen oder Hydraulikmotoren mit geschliffenem Rotor herzustellen, die wesentlich geringere Toleranzen besitzen, als dies eine Bearbeitet mit einem Werkzeug gestattet, so daß die Pumpen oder Hydraulikmotoren geringeres Spiel aufweisen, was es ermöglicht, ohne wesentliche Leckverluste höhere Drücke zu liefern oder mit höheren Drücken zu arbeiten.
In die Fig. 13, 14 und 15 ist,eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
In Fig. 13 sind der Rotor 1 und das sich um seine Achse 5 drehende Dichtungszahnrad 4 dargestellt. Die Achse 5 verläuft nicht mehr rechtwinklig zur Drehachse 2 des Rotors sondern ist in Bezug auf letztere derart geneigt, daß sie mit einer senkrecht zur Drehachse 2 verlaufenden Ebene 50 einen Winkel u bildet.
Der Winkel u ist so gewählt, daß sein Wert etwa das Mittel der Werte A der Gewindesteigungen beträgt. Es ist folglich möglich die beiden Flanken ein und desselben Zahnes 6b (Fig. 15) auf derselben Drehfläche 13c liegen zu lassen und gleichzeitig sicher zu stellen, daß die zwischen den Linien 30a und 31a bzw.
30b und 31b liegenden Berührungsflachen zwischen den Zahnflanken und den Gewindegängen in unmittelbarer Nachbarschaft zu der hochdruckseitigen Fläche liegen.
ei Einhaltung dieser Bedingungen ist die Bearbeitung erheblich vereinfacht, da die beiden Flanken von zwei aneinandergrenzenden Gewindeg'ngen gleichzeitig~mit demselben Werkzeug bearbeitet werden können, ohne daß zwei aufeinanderfolgende Arbeitsgänge oder Werkzeugverschiebungen durchgeführt werden müssen, wie sie im Zusammenhang mit der Beschreibung der Fig. 5 angegeben wurden.
Aus Fig. 14 ist ersichtlich, daß der Gehäuserand 19, der sich in dichter Berührung mit der hochdruckseitigen Fläche 20 des Dichtungszahnrades befindet3 nicht mehr parallel zur Achse 2 verlauft sondern in Bezug auf diese Achse um den Winkel u geneigt ist.
Fig. 20 zeigt eine weitere Ausffihrungsform eines Zahnes 6a eines Dichtungszahnrades nach der Erfindung. Die Zahnflankenteile 12a und 12b, die an die hochdruckseitige Flche 20 angrenzen, sind Teile von KegelstumpfM ächen, deren große Grundflächen mit 3Pa uncl 38b und deren kleine Grundflchen mit 37a und 37b bezeichnet sind und deren Achsen die nicht dargestellte Drehachse des Dichtungszahnrades schneiden und gegeneinander geneigt sind.
Die Flankenteile 12a und 12b sind durch ebene Teile 61a und 61b verlängert, die sich längs der Linien 62a und 62b an die kegelstumpfförmigen Teile 12a und 12b anschließen. Die Neigung der Ebene 61a in Bezug auf die Normale 45 auf die Zahnfläche 20 ist mindestens gleich der maximalen Neigung, die das Gewinde in Bezug auf das Dichtungszahnrad im Verlauf dessen Drehung aufweist, während die Neigung der Ebene 61b in Bezug auf diese Normale 45 höchstens gleich der minimalen Neigung des Gewindes ist.
Die Tangenten 43 und 47 an die Kreise 38b und 37b in deren Sehnittpunkt mit der Fläche 20 bilden mit der Normalen 45 auf diese Fläche Winkel 44 und 46, wobei der Winkel 44 kleiner als der Winkel 46 ist. Es ergibt sich hieraus, daß die äußersten Berührungslinien zwischen den Zahnflanken und den Gewindegängen, die in Fig. 8 mit den Bezugszeichen 30b und 31b bezeichnet sind, im Verhältnis zu der Ausführungsform nach Fig. 8 näher an der Fläche 20 des Zahnes liegen. Der Leckbereich 22 ist demzufolge hier geringer.
Man erhält folglich praktisch das gleiche Ergebnis wie mit der Ausführungsform näch Fig. 12, wobei jedoch die Bearbeitung der Gewindegänge des Rotors vereinfacht ist, wie nachfolgend gezeigt wird.
Fig. 16 zeigt schematisch-die zur Herstellung der Gewindegänge des Rotors verwendete Vorrichtung. Wie bei den bereits beschriebenen Vorrichtungen wird der Rotor l.um seine Drehachse 2 gedreht und ein Werkzeug 18 wird um seine Achse durch einen nicht dargestellten Motor in Drehung versetzt, der selbst um eine Achse 5a drehbar ist, die mit der Achse des Dichtungszahnrades zusammenfällt.
Die Achse des Werkzeuges 18 verläuft längs 17a oder 17b, je nach-dem, ob die Flanken 3a oder 3b der Gewindegänge bearbeitet werden. Die Achsen 17asz und 17b schneiden die Achse 5a bei 34 bzw. bei 33 und verlaufen beide rechtwinklig zu dieser Achse 5a'.
Die Achse 5a bildet mit einer Parallele zur Achse 17b einen Winkel 36. Die beiden Arbeitsstellungen des Werkzeuges 18 sind insbesondere aus Fig. 19 ersichtlich.
Das Werkzeug 18 hat gemäß Fig 17 die Form eines Kegelstumpfes. Die Stirnfläche 37 kann unterschiedliche Formen besitzen und beispielsweise plan sein, besteht jedoch vorzugsweise aus einer Kugelkalotte, wobei der Durchmesser der Kugel, aus der diese Kalotte abgeschnitten ist, etwa gleich dem Durchmesser des Dichtungszahnrades ist, so daß in der Arbeitsstellung der Mittelpunkt der Kugelkalotte 37 etwa auf der Achse 5a liegt.
Aus Fig. 18 sind die durch die Werkzeugstirnfläche 37 in dessen beiden Stellungen beschriebenen Kreise 37a und 37b zu erkennen, wobei die Achsen 17a und 17b etwa senkrecht zur Rotorachse 2 angenommen sind5 was denjenigen Stellungen entspricht in denen das Werkzeug am weitesten in den Rotor eindringt. Die Kreise 38a und 38b werden auf dem Werkzeug durch die Berührungspunkte zwischen dem Werkzeug und der Außenfläche des Rotors beschrieben. Die Lage dieser Kreise ist in Fig. 17 bei 38 angedeutet.
In Fig. 18 sind die Kanten oder Scheitel der Gewindega,nge 3a und 3b, die auf dem Rotorumfang liegen, bei 42a und 42b dargestellt und die Ränder des Gewindegrundes5 d.h. die inneren Ränder am Boden der zwischen den Gewindegängen gebildeten Nut, sind mit 41a und 41b bezeichnet.
Im Verhältnis zu der in Fig. 11 dargestellten Vorrichtung ist das Bearbeitungsverfahren des Rotors vereinfacht.
Die beiden Achsen 17a und 17b verlaufen senkrecht zur Achse 5a und der Übergang von einer Werkzeugstellung in die andere erfolgt durch eine Verschiebung längs der Achse 5a, gefolgt von einer Drehung um diese Achse und es ist nicht notwendig, das Werkzeug 18 in Bezug auf die Achse 17 seines Antriebsmotors in eine Winkelstellung zu bringen.
Außerdem ist der Schnitt der Nut am Gewindegrund mit einer durch den Mittelpunkt des Dichtungszahnrades verlaufenden Durchmesserebene des Rotors ein zu dem Dichtungszahnrad konzentrischer Kreisbogen. Die Scheitel der Zähne des Dichtungszahnrades können daher ein Kreisbogenprofil erhalten, das im Betrieb in abdichtender Berührung mit dem Boden der zwischen den 'ewindegingen gebildete Nut bleibt.

Claims

Patentansprüche:

1. Verdichter- oder Expansionsmaschine für ein Fluid; bestehend aus einem auf einer Achse drehbaren Rotor mit mindestens einem außenliegenden Spiralgewinde, dessen Scheitel auf einer Drehfläche in Bezug auf die Rotorachse liegen und mit einem den Rotor zumindest teilweise umgebenden Gehäuse abdichtend zusammenwirken, sowie aus mindestens einem Dichtungszahnrad das auf einer quer zur Rotorachse verlaufenden Achse drehbar gelagert ist und mit in das Gewinde des Rotors eingreifenden Zälmen versehen ist, von denen jeder im Gewindeeingriff stehende Zahn eine dem unter Druck stehenden Fluid ausgesetzte Fläche besitzt dadurch gekennzeichnet, daß die-Jenigen Teile (12a 12b) der Zahnflanken des Dichtungszahnrades (4), die an die dem unter hohen Druck stehenden Fluid ausgesetzte Fläche (20) der Zähne (6) angrenzen Teile von Drehflächen sind und daß diese Flankenteile diejenigen Flankenbereiche umfassen, die bei der Drehung des Rotors (1) in Berührung mit dem Gewinde (3) kommen.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an die hochdruckseitige Fläche (20) der Zähne (6) angrenzenden Teile (12a, 12b) der Zahnflanken Teile von Zylinderflächen sind.

3. maschine nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die die Zylinderflächen erzeugenden Durchmesser einen Wert in der Nähe des Abstandes zwischen zwei Gewindegängen haben.

4. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Zylinderflächen in Bezug auf eine zur Drehachse (5) des Dichtungszahnrades (4) senkrechte Ebene geneigt sind.

5. Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen von zwei entgegengesetzten Flanken ein un-d desselben Zahnes (6b) angehörigen Zylinderflächen um einen unterschiedlichen Winkel in Bezug auf eine zur Drehachse (5) des Dichtungszahnrades (4) senkrechte Ebene geneigt sind.

6. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile von zwei an die druckseitige Fläche (20) ein und desselben Zahnes (6b) angrenzenden Zahnflanken auf derselben Drehfläche liegen und daß die Achse (5)des Dichtungszahnrades (4) in Bezug auf eine zur Rotorachse (2) senkrechte Ebene um einen Winkel geneigt ist, der etwa gleich dem Mittelwert der Steigungen des Rotorgewindes (3) in Bezug auf die Rotorachse (2) ist (Fig. 13).

7. maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an die hochdruckseitige Flache (20) der Zähne (6) angrenzen den Teile (12a, 12b) der Zahnflanken Teile von Kegelfla'chen sind.

3. tS7aschine nach Anspruch 7, dadurch A;ekennzeichnetv daß die Achsen von zwei Flanken ein und desselben Zahnes (6b) angehörenden Ke£elflttchen etwa senkrecht zur Drehachse (5) des Dichtungszahnrades (4) verlaufen und diese Drehachse in zwei verschiedenen Punkten schneiden, wobei die Richtungen der Achsen dieser zwei Kegelflächen gegeneinander geneigt sind.

9. Verfahren zur Herstellung des Rotors der maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet3 daß der Rotor (1) um seine Achse (2) gedreht wird und daß ein eine Symmetrieachse besitzendes Werkzeug (18) auf einem Support angeordnet wird, der in Bezug auf einemit dem Verlauf der Drehachse (5) des Dichtungszahnradesyzusammenfallende Achse in Drehung versetzt wird, wobei das Verhältnis zwischen der Rotordrehzahl und der Supportdrehzahl gleich dem Verhältnis zwischen der Zahl der Gewindegänge (3) des Rotors und die Zahl der Zähne (6) des Dichtungszahnrades (4) ist, und das Werkzeug (18) in Drehung um seine eigene Symmetrieachse (17) versetzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 93 dadurch gekennzeichneta daß dem Werkzeug (18) eine etwa kegelförmige Umfangsflc-che gegeben wird und daß seine Endfläche (3) auf der Fläche einer Kugel liegt, deren Durchmesser etwa gleich dem Durchmesser des Dichtungszahnrades (4) ist.

L e e r s e i t e