DE2801281C2

DE2801281C2 - Stroemungsmesser auf dem prinzip der positiven verdraengung

Info

Publication number: DE2801281C2
Application number: DE2801281A
Authority: DE
Inventors: Shigeyoshi Tokio/Tokyo Nagata
Original assignee: Oval Engineering Co Ltd
Current assignee: Oval Engineering Co Ltd
Priority date: 1977-01-19
Filing date: 1978-01-13
Publication date: 1986-03-06
Also published as: FR2378263A1; GB1597011A; NL7800506A; US4224015A; DE2801281A1; FR2378263B1; NL182022C

Description

wobei L die Axiallänge eines jeden Rotors (1,2), / eine ganze Zahl, R der Außenradius eines jeden Rotors (1, 2), Z die Anzahl der Zähne eines jeden Rotors (1, 2) und β den Schrägungswinkel darstellt.

Die Erfindung betrifft einen Strömungsmesser nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiger Strömungsmesser ist beispielsweise aus der US-PS 27 01 683 bekanntgeworden, der ein Paar von schraubenförmig gezahnten Rotoren umfaßt, die miteinander kämmen. Die jeweils gegenüberliegenden Flanken eines Zahnes bilden im Schnitt senkrecht zur Rotorachse zwischen dem Kopfkreis und dem Teilkreis einen konvexen Abschnitt in Form einer Zykloide und vom Teilkreis nach innen erstreckend einen konkaven Abschnitt in Form einer Trochoide, auch wenn dies explizit aus dieser vorveröflentlichten Schrift nicht zu entnehmen ist.

Wie aus dieser Druckschrift hervorgeht, sind an Achsverlängerungen der beiden Rotoren zwei Synchronzahnräder vorgesehen, um den Betrieb der Rotoren exakt synchronisieren zu können. Dies ist nach dem Stand der Technik notwendig, da schon allein aufgrund der Abnutzungserscheinungen und der jeweiligen Punktberührung der umlaufenden Zähne an den aneinanderliegenden Zahnflanken notwendigerweise ein Schlupf auftritt, durch den eine exakte Synchronisation in der Regel verhindert wird. Ohne eine derartige Synchronisation ist also ein gleichmäßiger Betrieb der beiden Rotoren nicht möglich, wobei durch die zwangsläufig auftretenden Vibrationen infolge des wechselseitigen Eingriffes der beiden Rotoren der Verschleiß der Zähne noch weiter verstärkt wird.

Die vorstehend erläuterten Nachteile gelten grundsätzlich auch für jene Strömungsmesser, die beispielsweise aus der US-PS 24 10 172, 22 43 874, 22 87 716, 18 21 523 und aus der 19 65 557 vorbekannt sind.

Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Strömungsmesser auf dem Prinzip der positiven Verdrängung mit einem Paar schraubenförmig gezahnter Rotoren zu schaffen, der ohne zusätzliche Synchronisationsräder exakt und gleichmäßig so betrieben werden kann, daß die Schlupfrate praktisch Null wird. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen gelösten. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Unteranspruch angegeben.

Erfindungsgemäß ist also am äußeren konvexen Abschnitt jeweils ein konvex gekrümmter Vorsprung und vom Teilkreis ab ein weiterer konvex gekrümmter Vorsprung vorgesehen, die sich jeweils über ein geringes Maß bezogen auf die Länge des konvexen bzw. konkaven Abschnittes der Zahnflanke in Richtung auf den Zahnfuß erstrecken. Über diese Vorsprünge erfolgt nunmehr der Zahneingriff, wobei dann im Gegensatz zum Stand der Technik ein sicherer Berührungseingriff der einander aufliegenden Zahnflanken ermöglicht wird und ein mögliehst pulsierungsfreier gleichmäßiger Betrieb des Strömungsmessers erzielbar ist. Im übrigen fällt hierdurch auch die Zahnhöhe geringer aus, so daß die Durchlaufmenge verringert und die Meßgenauigkeit erhöht wird. Durch die gekrümmten erwähnten Vorsprünge wird also ein minimaler, praktisch auf den Wert Null reduzierter Schlupf erzielt.
Beim Abwälzen der Zahnräder über die gekrümmten Vorsprünge wird zudem ein unmittelbarer Kontakt zwisehen der Zahnoberfläche in Zykloidform mit der entsprechenden Zahnoberfläche in Trochoidform vermieden, wodurch die Abnützungserscheinungen deutlich vermindert werden. Nur der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß das erfindungsgemäße Prinzip nicht nur bei einem Strömungsmesser selbst, sondern auch bei einer Rotationspumpe, einem Motor und verschiedenen anderen hydraulischen Bauelementen anwendbar ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt im einzelnen:

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Strömungsmessers auf dem Prinzip der positiven Verdrängung im Querschnitt zu den Rotorachsen;

Fig. 2 a bis 2j die Funktionsweise des wechselseitigen Eingriffes eines Rotorpaares gemäß Fig. 1 in verschiedenen schematischen Darstellungen;

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Fig. 3 eine Verdeutlichung des Wälzkreises der in Fig. 1 gezeigten Rotoren;

Fig. 4a eine Zahnprofildarstellung des Eingriffes eines Rotorpaares in einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel eines Strömungsmesser! in schematischer Schnittdarstellung quer zur Rotorachse; Fig. 4b die Eingriffskurve (Wälzkreis) des in Fig. 4a gezeigten Rotorpaares;

Fig. 5 ein Zahnprofil in einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Rotorpaares in schematischer Querschnittdarstellung ähnlich zu Fife. 4a;

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strömungsmessers im Axialschnitt; Fig. 7a den Geräte-Korrekturfaktor für einen erfindiingsgemäßen Strömungsmesser; Fig. 7 b eine Graphik bezüglich des Druckveiiustes als Funktion des Durchsatzes bei einem erfindungsgemäßen Strömungsmesser; Fig. ? ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Rotorpaares eines Strömungsmessers ähnlich zu Fig. 1; Fig. 9a bis 9h: den wechselseitigen Eingriffeines Rotorpaares gemäß Fig. 8 in verschiedenen Betriebsstellungen.

Gemäß Fig. 1 weist ein Rotor 1 mit schraubenförmigen Zähnen vier Flügel auf; ein zweiter Rotor 2 ist mit drei Flügeln versehen. Die Rotoren sind gemäß der Gleichung P = P1 - Pl, d. h. entsprechend der Druckdifferenz is gegen einen Flüssigkeits-Strömungsauslaß 4', von einem in einem Gehäuse 3 angeordneten Strömungseinlaß 4 aus frei drehbar. Es sich ein Teilkreis 5 und ein Kopfkreis 6 für den Rotor 1 dargestellt. Entsprechend sind für den Rotor 2 ein Teilkreis 7 und ein Kopfkreis 8 gezeigt. Die Rotoren 1, 2 rotieren um Mittelpunkte 01 und O 2. Außerdem ist ein Steigungspunkt M definiert.

Es sind auch Zahnprofilkurven AlBl und A 1 Bl dargestellt, welche an dem Kopfabschnitt der beiden Rotoren 1 bzw. 2 vorgesehen sind, während die Kurven Bl Cl und 52C2 Zahnprofilkurven darstellen, welche an dem Fußabschnitt des Rotors 1 bzw. 2 ausgebildet sind. Mit anderen Worten kann definiert werden, daß die Teilkreise 5,7 der beiden Rotoren 1,2 eine Grenze der Zahnprofilkurven dahingehend darstellen, daß die vom Teilkreis 5,7 aus zum Kopfkreis ansteigende Zahnprofilkurve den Kurven AlBl und A1 Bl entspricht, wohingegen die Zahnprofilkurve, die vom Teilkreis 5,7 aus auf den Fußkreis zu verläuft, den Kurven B1 Cl und Bl C2 entspricht.

Der gegenüberliegende Abschnitt dieser Zahnprofilkurven ist symmetrisch dargestellt, gerade wie in dem Falle des Schnittes von Fig. 1, so daß die Beschreibung des gegenüberliegenden Schnittes entfallen kann.

Wenn ein Rotorpaar 1 und 2 während des Abrollens ohne Schlüpfen den Teilkreisen 5,7 in Eingriff steht, so ist ein Schnittpunkt A1 zwischen dem Kopfkreis 6 di« ersten Rotors und dessen Zahnprofilkurve wegen des Schlupfes mit der Zahnfläche der Ausnehmung des zweiten Rotors 2 in Eingriff. Während also die Zahnprofilkurve des Fußabschnittes des zweiten Rotors 2 eine Gleitspur an dem Rotor 2 an dem Punkt A1 darstellt, bildet die Zahnprofilkurve des Kopfabschnittes des Rotors 1 eine Gleitspur an dem Rotor 1 am Punkt Bl.

Die Punkte A 1 und Bl werden Schnittpunkte an den Zahnprofilkurven jedes der Rotoren 1,2 und sind weiterhin an dem Umfang des Kopfkreises 6 des ersten Rotors 1 und ferner an demjenigen des Kopfkreises 7 des zwei-P, ten Rotors 2 gelegen. Wenn die Schnittpunkte der beiden Kreise 6, 7 mit N und N' und ein Schnittpunkt zwi-

[.;■■ sehen den Linien-Verbindungsachsen der beiden Rotoren 1,2 und dem Kopfkreis 6 mit K bezeichnet werden, so

;| entspricht die Kurve im Verhältnis zu den Schnittpunkten AlBl mit den ortsfesten Koordinaten zwei Bögen,

li d. h. NKN' und NMN'; nachfolgend wird der Eingriff der beiden Rotoren 1,2 längs der Gewindezahnflächen völ-

J₁; lig abgedichtet, während eine Berührung an den Zahnflächen aufrechterhalten wird. Wenn die Schnittpunkte

jf zwischen dem Kopfkreis 8 des zweiten Rotors 2 und dem Teilkreis 5 des ersten Rotors 1 mit S und S1 bezeichnet

f. werden und wenn ein Schnittpunkt zwischen der Verbindungslinie der beiden Achsen der Rotoren 1,2 sowie

i- dem Kopfkreis 8 mit U bezeichnet wird, wie dies in Fig. 1 gestrichelt dargestellt ist, so werden zwei Kreise, d. h.

p SUS' und SMS' als Wälzkreis der Schnittpunkte A 2 und B1 erhalten.

jfi Wenn die beiden Teilkreise 5,7 abgerollt und ohne Schlupf miteinander in Berührung gebracht werden, so zei-

ρ gen die Zahnprofilkurven AlBl und A1B 2, die an dem Kopfabschnitt der beiden Rotoren 1,2 gebildet werden,

[;i die durch die Punkte Bl und B1 auf dem Teilkreis beschriebene Zykloide, während die Zahnprofilkurven Z? 1 Cl

{} und Bl Cl, weiche an dem Fußabschnitt der beiden Rotoren 1,2 gebildet werden, das durch die Punkte A 1 und

i' A 2 auf dem Kopfkreis beschriebene Trochoid bilden. Während also die Punkte Bl und Bl die Berührungs-

ij punkte sind, welche die Zykloide A2B2 und AlBl bilden, stellen die Punktet 1 und A 2 die Berührungspunkte

;· dar, weiche das Trochoid B2C2 und Al Cl berühren.

j: Es ist also verständlich, daß die Zahnprofilkurven eines Paares von Rotoren 1,2, welche miteinander in Eingriff zu bringen sind, eine Zykloide in Richtung des Kopfkreises und ein Trochoid in Richtung des Fußabschnit- ; tes mit den Punkten Bl und 52 an dem Steigungskreis als Grenze bilden.

Die Enden der Zykloide und des Trochoides, welche an dem Kopfkreis und den Zahnböden der beiden Roto- ]■' ren 1, 2 liegen, sind durch Bögen miteinander verbunden. Demgemäß kann ein Paar von Rotoren die Eingriffsbewegung durchführen, ohne daß eine gegenseitige Störung vorliegt. Die Veränderungen des Eingriffs eines Rotorpaares sind in Fig. 2 a bis 2 j dargestellt. Hieraus ergibt sich, daß die durch die Punktet IAl und B IBl der beiden Rotoren i, 2 zu beschreibende Kurve durch vier Bögen NKN', NMN', SUS' und SMS' gebildet wird. ','■ Das Drehmoment eines Strömungsmessers A mit einem Rotorpaar der beschriebenen Art ist nachfolgend von

der Theorie her näher erläutert. Das Drehmoment T1 des ersten Rotors 1 sei mit Ta 1 an dem Zusatz und mit Td 1 an der Ausnehmung bezeichnet, wobei die Radien der entsprechenden Berührungspunkte mit RaI und Rd 1 bezeichnet sind. Eine AVAchse verlaufe in Axialrichtung. Danach ergeben sich folgende Gleichungen:

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Tal = J- j (RoI² - Ral²)dx

₅ TdI = -— Γ (Al² - Rd\²)dx + ■— \(Rdl² - Rr\²)dx

Hierbei bedeuten:

Ro 1 den Radius des Kopfkreises,
10 Rl den Radius des Teilkreises,
RrI den Radius des Fußkreises.

In der gleichen Weise sei das Drehmoment des zweiten Rotors 2 mit Tal an dem Kopfkreis und Td 2 an dem Fußkreis bezeichnet, wobei die Radien der entsprechenden Berührungspunkte als RaI und RdI bezeichnet 15 werden. Danach ergeben sich folgende Gleichungen:

Tal =-y Ϊ (RoI² - Ral²)dx TdI=Jj URl²- Rdl²)dx + -— j (RdI² - Rrl²)dx

Hierbei bedeuten:

25 Ro 1 den Radius des Kopfkreises,
R 2 den Radius des Teilkreises,
RrI den Radius des Fußkreises.

Auf der Grundlage der Kurvenansicht der Berührungspunkte der Rotoren gemäß Fig. 3 werden die Radien 30 Ra 1, Rd 1, RaI und Rd 1 jedes Berührungspunktes durch folgende Gleichungen erhalten:

Äal² = Rl²+ 2Rl(Rl+Rl)(X - cos 02)

RdI² = RrI²+ 2Ro2(Rl+Rl)(I - cos 02)

³⁵ Λα2² = Ä2² + 2Ä1(Ä1 + Ä2)(l - cos 01)

RdI² = RrI² + 2RoI(Rl + Rl)(\ -cos 01)

Da das entsprechende Zahnprofil eines Paares von Rotoren einen bevorzugten Drill- oder Schrägungswinkelj? 40 zur Axialrichtung der Rotoren aufweist, können die vorangehenden Gleichungen (1) und (2) folgendermaßen umgeschrieben werden, wenn die Beziehung

45 berücksichtigt wird:

Tl = Tal + TdI

-cos03)}d02

50 ^{2 1}&

-Ji(Al' - RrI⁷) - 2RoI(Rl + Rl)(I - cos e2)}dS2

+ J2RoZ(Rl + R2)(\ - cos 02)d02], (4)

T2 - Ta2+ TdI

= γ ■^R^[\{(Ro2² - R2²) - 2Rl(Rl + Rl)(I -cos<91)}d0l

-|{(Ä2² - Rr2²) - 2RoI(Rl + Rl)(\ - cos 01)}d01

j Ä2)(l - cos 01)}d0l]. (5)

Wenn die vorangehenden Gleichungen (4) und (5) integriert werden, indem der Integralausdruck jedes Drehwinkels definiert wird, so erhält man das Drehmoment in jeder Eingriffsstellung, jedoch ist das Drehmoment allgemein variabel.

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Der Drillwinkel β ist so auszulegen, daß er mit einer bestimmten Integralzahl bei der Länge L jedes Rotors multipliziert werden kann. Mit anderen Worten sind die Zahnfläche bzw. das Frontende der Rotoren 1,2 und des rückwärtigen Endes so anzuordnen, daß eine Drillung mit einer bestimmten ganzen Zahl für die Steigung erfolgt, wobei die Anzahl der Zähne der Rotoren 1,2 den Werten Zl bzw. Z2 entspricht und die positive ganze Zahl den Wert / aufweist. Danach erhält man folgende Gleichung:

L =//fl|y

(6)

Wenn ferner die vorangehende Gleichung (6) für jeden Rotationswinkel der beiden Rotoren 1, 2 integriert wird, erhält man die folgenden Gleichungen:

71= ^P

i KRoI² - Rl²)-+ 2 J (RoI² - RaI²)dQl

Θι12 Θά2

- J (Al² - Rd I²) d Ql- J (Λ1² - RdI²) d Ql + (RdI² -RrI

)dQl]

= ζ Al-,\(R_oi² - Rl²) (JL+ 2QaI)- ARl(Rl +Rl) 2 tgjff L \Z2 /

(Θα2 - sinQal) - (Rl² - Rr²KlQdI - κι) + ARoI(Rl + Rl)(QdI - sinQdl)]
-R\²)(JL-₊Qa2^ - (Rl² - Rrl²)(f) d2 - ψ)

- 2Rl(Rl + Rl)(QaI ~ sin QaI) + IRoI(Rl + Rl)(QdI - smQdl)},
Gleichzeitig erhält man die folgende Gleichung:

ζ L 11 W₂I _Ä2²) (21 + Θΐ) (Rl² - Rr2²

(7)

Tl= ζ L 11_ W₀₂I - _Ä2²) (-21- + Θα 2 η L \2Z1

ΐ) - (Rl² - Rr2²)(0dl-^-)

- 2Rl(Rl + Rl)(QaI - sin QaI) + 2RoI(Rl + Rl)(QdI - sinQdl)].

(8)

Alle numerischen Werte der vorangehenden Gleichungen (7) und (8) zeigen einen bestimmten festen Wert, wobei keine Variable eingeschlossen ist. Demzufolge gelten die folgenden Festbeziehungen.

Tl= Kl (fest) Tl = Kl (fest)

Wenn die Schnittprofile eines Paares von Rotoren bei einem axial rechten Winkel zueinander identifiziert werden, erhält man die folgenden Beziehungen gemäß den vorangehenden Gleichungen:

Zl=Zl = Z RoI = RoI = Ro Rl =Ä2 = Ä RrI = RrI = Rr ΘαΙ = Θαΐ = Θα QdI = QdI = Qd κ\ = κΐ = κ

TX = Tl = ζ L ^-(RoI - R2)

^+ QaJ-

(R

² -

- 4Λ²(0α - sin Qa) + ARoR(Qd - smQd).

(9) 60

Demgemäß gilt folgende Beziehung: TX = Tl = K (konstant)

Damit ein Paar von Rotoren 1,2 stets mit einer gleichen Drehzahl ohne Pulsationen drehbar ist, muß die Fordcrung erfüllt sein, daß die Summe der Drehmomente T1 und T 2 der beiden Rotoren 1,2 fest ist. Die Differenz zwischen den beiden Drehmomenten T1 und T1 drückt die Übertragung von Energie während der Drehung des Paares von Rotoren 1. 2 aus. Daher sind folgende Fälle zu erläutern:

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(I) Essei ΓΙ - Γ2>0

Dieser Fall zeigt, daß der erste Rotor 1 als Hauptantrieb den zweiten Rotor 2 in Drehung versetzt.

(II) Esseiri - Γ2<0

Dieser Fall zeigt, daß der zweite Rotor 2 als Hauptantrieb den ersten Rotor 1 in Drehung versetzt.
(III) Es sein - Tl = 0, d. h. T\ = Tl

Dieser Fall zeigt, daß die beiden Rotoren durch sich selbst gedreht werden, so daß der Oberflächendruck des Berührungspunktes gleich Null ist.

Wenn die Summe der Drehmomente T1 und T 2 eines Paares von Rotoren 1,2 fest ist und die Beziehung ίο Tl und T 2 erreichbar ist, so kann ein idealer Strömungsmesser auf dem Prinzip der positiven Verdrängung aufgebaut werden.

Unter Berücksichtigung der vorangehenden Gesichtspunkte sollen nun die Gleichungen (7), (8) und (9) untersucht werden.

(Γ) Es sei te^tR — lx%ß

Entweder T1 oder T 2 liegt nicht fest, wobei die Summe derselben und deren Differenz ebenfalls nicht festliegen.

(II') Es sei L = irIj l\%ß

Entweder T1 oder T 2 liegt fest, wobei die Summe oder deren Differenz festliegt. Wenn jedoch die Anzahl von Zähnen des ersten Rotors 1 nicht gleich derjenigen des zweiten Rotors 2 ist, so wird die Differenz zwischen T1 und T 2 nicht gleich Null.

Wenn die Anzahl von Zähnen des erstgenannten Rotors gleich derjenigen des zweitgenannten Rotors ist, so wird die Differenz zwischen T1 und T 2 gleich Null, wobei ein idealer Strömungsmesser auf dem Prinzip der positiven Verdrängung aufzubauen ist. Wenn der Drillwinkel β nicht mit einer bestimmten Integralzahl für die Steigung multipliziert wird und die Phase der Front- und Rückzahnfläche des Rotors gerade um V₂ versetzt ist, und zwar entsprechend der Gleichung

L =0 + 0,5) R ^-/tgß

dann sind die Drehmomente T1 und T 2 der beiden Rotoren 1,2 und die Differenz zwischen ihnen nicht konstant, so daß lediglich die Summe konstant ist.

Unter den vorangehenden Umständen kann erfindungsgemäß ein Strömungsmesser auf dem Prinzip der positiven Verdrängung mit einem Paar von Rotoren mit Schraubenzahnstruktur geschaffen werden, wobei der Kopfabschnitt mit einer Zykloide und der Fußabschnitt mit einem Trochoid versehen ist. Wenn ferner der Drillwinkel β der mit einer bestimmten Integralzahl bei einer Zahnbreite zu multiplizierenden Steigung entspricht und wenn das Schnittprofil des ersten Rotors in einem axial rechten Winkel die gleiche Form wie dasjenige des zweiten Rotors in der gleichen Weise aufweist, so kann ein idealer Strömungsmesser auf dem Prinzip der positiven Verdrängung aufgebaut werden.

Obgleich der Zahnprofil-Berührungspunkt eines solchen Strömungsmessers auf dem Prinzip der positiven Verdrängung an der Zahnfläche einen Druck Null aufweist, so ist, weil der Eingriff sekundär ist, einmal der Gleitvorgang stark, und zum anderen ist die Gefahr eines Verschleißes bei geringer Belastung groß.

Daher ist es erforderlich, ein Pilotzahnrad vorzusehen, wobei infolgedessen das gesamte Gebilde kompliziert wird. Zusätzlich können sich wesentliche Schwierigkeiten beim Zusammenbau und der Vereinigung des Pilotzahnes und der Rotoren ergeben.

Erfindungsgemäß kann auf ein derartiges Pilotzahnrad verzichtet werden. Ins Einzelne gehende Beispiele ergeben sich aus Fig. 4a und 4 b.

An dem Querschnitt eines Rotorpaares wird das konvexe Bogenzahnprofil 9 an der Stelle des Kopfkreises der Zykioide gebildet, wobei der Teilkreis des Rotorpaares i, 2 als Grenze definiert wird, während das andere konvexe Bogenzahnprofil 10 an der Stelle des Teilkreises des Trochoides gebildet wird, wobei der Teilkreis als Grenze definiert wird. Der Zykloiden- und Trochoidenabschnitt ausschließlich des oben erwähnten konvexen Bogenzahnprofils 9,10 ist konkav ausgebildet, d. h. in einer Außerberührungsstellung gehalten, indem ein leichter Vorsprung A vorgesehen wird.

Lediglich an beiden seitlichen Enden der Kurvenansicht der Berührungspunkte nach Fig. 4b, d. h. an der

Stelle entsprechend der Länge der Bogenzahnprofile 9,10, sind die beiden Rotoren 1,2 miteinander in Eingriff zu bringen und unter der Bedingung der sogenannten Schlupffreiheit drehbar. Demgemäß ist ohne Verwendung

eines Pilotzahnrades eine ideale Strömungsmessung erzielbar, indem der erläuterte Strömungsmesser auf dem Prinzip der positiven Verdrängung verwendet wird.

Vorzugsweise ist der Vorsprung A der konvexen Bogenzahnprofile 9,10 sehr gering, so daß sich ein Spalt von lediglich 2 A ergibt.

Jedoch ist es möglich, einen konstanten festen Spalt aufrechtzuerhalten, anstatt den Spalt zwischen den konvexen Zahnprofilen 9,10 mittels eines Pilotzahnrades einzustellen. Demzufolge kann die erfindungsgemäße Einrichtung stabil gehalten werden.

Um die Bogenzahnprofile 9,10 konstant zu berühren, soll der Drillwinkel β so festgelegt sein, daß die Bedingung

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/> 0 α/-

crfulll ist. Wenn diese Gleichung nicht erfüllt wird, so kann ein gewisser Spalt zwischen den Rotoren während der Drehung zu Vibrationen führen.

Da der Strömungsmesser auf dem Prinzip der positiven Verdrängung nach der Erfindung ein Rotorpaar mit schraubenförmiger Zahnstruktur aufweist, wobei die Zahnprofilkurven der Zykloide und des Trochoides mit den Bogenzahnprofilen 9,10 versehen sind, ergibt sich ein einfacher Aufbau sowie eine sehr geringe Pulsation und sehr geringe Vibrationsstörungen infolge Drehung mit gleicher Winkelgeschwindigkeit. Ferner entsteht ein ideales Erzeugnis ohne Energieübertragung zwischen den beiden Rotoren.

Gemäß F i g. 5 wird ein konvexes Bogenzahnprofil 10 α mit einem geringen Vorsprung Δ an der Stelle wechselseitigen Eingriffes gebildet (wie in F i g. 4 a veranschaulicht), und zwar eines Paares von Bogenzahnprofilen 9,10. Der andere Abschnitt ausschließlich des konvexen Bogenzahnprofiles 10 a ist in einer Außerberührungsstellung zurückversetzt bzw. ausgenommen.

Das konvexe Bogenzahnprofil 10 a ist nicht nur auf die Zahnprofilkurve des vorliegenden Ausführungsbeispieles oder eines nachfolgend zu beschreibenden anderen Ausführungsbeispieles anwendbar, sondern auch auf is alle Schraubwendelzähne einschließlich einer Involutenkurve, einer Zykloidenkurve, einer Trochoidenkurve, einer Kreisenveloppe, eines Bogenzahnprofiles und/oder anderer künstlicher Kurven. Selbstverständlich entsteht durch den zurückversetzten Teil ein geringer Spalt, welcher ein Lecken von Flüssigkeit bewirken kann. Dieser Spalt ist jedoch geringer als derjenige, welcher für eine Phasenjustierung zwischen einem Rotor und einem Pilotzahnrad in einem Roots-Strömungsmesser oder dergl. notwendig ist. Demzufolge hat ein solcher geringer Spalt insgesamt keinen Nachteil. Umgekehrt kann die Abmessung des Spaltes stets stabilisiert werden.

Gemäß F i g. 6 weist ein Rotorpaar die gleiche Anzahl von Zähnen auf und besitzt die Bogenzahnprofile gemäß Fig. 4. Eine Antriebswelle 11 und Drehwellen 12,13 sind vorgesehen. Außerdem ist eine Magnetkupplung 14 eingebaut.

F i g. 7 a zeigt die Bedingung eines Gerätekorrekturfaktors des Strömungsmessers auf dem Prinzip der positiven Verdrängung; Fig. 7b zeigt den darin auftretenden Druckverlust. Gemäß Fig. 7a ist die Änderung der Gerätekorrektur sehr gering. Zusätzlich ist eine bevorzugte Funktion in bezug auf den Druckverlust mit der Strömung erzielbar.

Es sei nun der Lärm des obigen Strömungsmessers auf dem Prinzip der positiven Verdrängung mit dem Lärm eines Strömungsmessers gleichen Typs mit nichtkreisförmigen Zähnen verglichen.

Während der erstgenannte Strömungsmesser 75 Dezibel (dB) zum Zeitpunkt der maximalen Strömung aufweist, besitzt der letztere 90 bis 92 Dezibel (dB). Demgemäß ist das erstgenannte Gerät im Hinblick auf die Lärmverursachung wesentlich besser als das letztgenannte Gerät.

Nachfolgend wird auf Fig. 8 bezug genommen.

Gemäß F i g. 8 weist der erste Rotor 21 vier Flügel auf, während zweite Rotoren 22 drei Flügel aufweisen. Unter diesen Bedingungen ist von dem Flüssigkeits-Strömungseinlaß 24, der in einem Gehäuse 23 vorliegt, gegen einen Flüssigkeitsströmungsauslaß 24' ein Rotorpaar 21,22 frei drehbar, entsprechend der Druckdifferenz der Flüssigkeit, d. h. gemäß der Gleichung P = P1 - P 2. In der Zeichnung sind ein Teilkreis 25 und ein Kopfkreis 26 dargestellt; ferner sind ein Teilkreis 27 und ein Kopfkreis 28 veranschaulicht. Es sind auch die entsprechenden Mittelpunkte 01 und Ol der Teilkreise der beiden Rotoren dargestellt, wobei sich der Wälzpunkt M ergibt. Durch Festlegung der Teilkreise 25,27 als Grenze wird ein Kopfabschnitt an den Zahnprofilkurven AlBl und A2Bl geschaffen, während ein Fußabschnitt durch die Zahnprofilkurven BlCl und Bl Cl gebildet ist. Die Einzelansicht der Zahnprofilkurven der beiden Rotoren ergibt sich aus F i g. 1. Die Kurven 29, -3O₁ und 29₂ -3O₂ sind mit einer einen Eingriff herstellenden Zahnprofilkurve, beispielsweise entsprechend einer Involutenkurve versehen, wobei ein Kopf- und ein Fußkreis von den Punkten B1 Bl von den Teilkreisen 25,27 der beiden Rotoren 21,22 entfernt liegen. An dem rechtwinklig zur Achse verlaufenden Querschnitt liegt nur eine Punktberührung vor, wobei die Rotoren jedoch in Axialrichtung eine lineare Berührung aufrechterhalten.

Die beiden Rotoren 21,22 haben die Wirkung, miteinander längs der Kurvenstücke QMR' und RMQ' zu kämmen, wie dies gestrichelt dargestellt ist, wobei sich für diese Kurvenstücke der Mittelpunkt M als Wälzpunkt ergibt.

Die Wälzbahn, an welchen die mit dem neben den Kopfkreisen 26, 28 vorgesehenen Kopfabschnitte die Schnittpunkte A1A1 der Zahnprofilkurven der beiden Rotoren 21,22 berühren, entspricht den Strecken SUS' und NKN' gemäß der gestrichelten Linie von Fig. 8. Ferner ist die Kurve der Wälzbahn, welche die Punkte B1 B Z berührt, mit jedem Bogen R'S', SR, Q'N', NQ veranschaulicht. Wegen dieser Berührungspunkte der Rotoren ist die Schraubenzahnfläche völlig abgedichtet.

Somit stehtgerade wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ein Rotorpaar 21,22 in festem Eingriff zuein- · ander, wodurch sich ein Strömungsmesser auf dem Prinzip der positiven Verdrängung mit einer hohen Ver-Schleißbeständigkeit erzielen läßt.

Zusätzlich kann dieses Rotorpaar 21,22 ohne Störung miteinander kämmen. Die Änderungen des wechselseitigen Eingriffes der beiden Rotoren 21, 22 sind in Fig. 9a-9h veranschaulicht.

Es versteht sich, daß die durch die Punkte AlAl und B1 Bl der beiden Rotoren zu beschreibenden Kurven aus sechs Bögen, nämlich SUS', NKN', SR, R'S', NQ und Q'N', welche die gestrichelt dargestellte Kurve gemäß der obigen Beschreibung umfassen, sowie ferner aus vier geraden Linien RM, MR', QM, MQ' bestehen.

Da die im Eingriff vorgesehenen Zahnformkurven, welche beispielsweise mit einer Involutenkurve versehen sind, in der Nähe der Teilkreise der beiden Rotoren liegen, kann die Gefahr eines Verschleißes ausgeschlossen werden, obgleich hier der Nachteil vorliegt, daß Verunreinigungen in der zu messenden Flüssigkeit in den Rotationsvorgang eingeführt werden können.

Einer von vielen wesentlichen Vorteilen liegt auch darin, daß das Rotorpaar in festem Eingriff zueinander

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steht, weil eine kreuzförmige Berührung bezogen auf die Axialrichtung vorliegt, obgleich der Berührungspunkt an dem Schnitt liegt, der rechtwinklig zur Achse verläuft. Daher ist es im wesentlichen möglich, auf ein sogenanntes Püotzahnrai? zu verzichten.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

28 Ol 281 Patentansprüche:

1. Strömungsmesser auf dem Prinzip der positiven Verdrängung mit einem Paar von schraubenförmig gezahnten Rotoren, die miteinander kämmen und parallele Rotorachsen aufweisen, wobei die gegenüberliegenden Zahnflanken jedes Zahnes im Schnitt senkrecht zur Rotorachse durch einen Kopfkreis, einen Teilkreis und einen Zahnbodenkreis jeweils um die Rotorachsen in einen konvexen Abschnitt in Form einer Zykloide zwischen dem Kopfkreis und dem Teilkreis und in einen konkaven Abschnitt in Form einer Trochoide zwischen dem Teilkreis und dem Zahnbodenkreis aufgeteilt ist und die Teilkreise einander berühren, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zahnflanke am konvexen Abschnitt einen konvex gekrümmten

ίο Vorsprung (9) aufweist, der sich vom Kopf kreis aus über eine auf die Länge des konvexen Abschnittes bezogene geringe Entfernung entlang der Zahnflanke in Richtung auf den Teilkreis erstreckt, und daß sich vom Teilkreis ab ein weiterer konvex gekrümmter Vorsprung (10) über eine auf die Länge des konvexen Vorsprunges bezogene geringe Entfernung in Richtung auf den Zahnbodenkreis so erstreckt, daß die Rotoren (1,2) während des Kämmens nur über diese Vorsprünge (9,10) miteinander im Eingriff stehen.

2. Strömungsmesser nach Anspruch 1 mit zwei schraubenförmig gezahnten miteinander im Eingriff stehenden Rotoren, wobei die Rotoren die gleichen Außendurchmesser und die gleiche Anzahl von Zähnen aufweisen, die in einem Winkel β zur Achse geneigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß