DE2911415C2 - Parallel- und außenachsige Rotationskolbenmaschine mit Kämmeingriff - Google Patents

Description

a) Die achsferne Spitze (o-p) der Rippe ist mit einem kleinen Radius (r) abgerundet;

b) die Profilkontur des Nutsteges (NS) stellt die HüJikurve von Kreisen dar, deren Mittelpunkte auf einer bei Verdichterbetrieb in und bei Motorbetrieb entgegen der Rotordrehrichtung gekrümmten Linie (MKL) liegen und deren Durchmesser nach radial außen kontinuierlich abnehmen;

c) der Mittelpunkt (MK) des radial äußeren Kreises liegt unmittelbar innerhalb des Wälzkreises (WKN)des Nutenrotors;

d) der Radius des radial äußersten Kreises entspricht etwa dem Überstand des Kopfteils (KTN) des Nutsteges (NS) über den Wälzkreis (WKN).

2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der achsfernste Punkt a der in einem konvexen Bogen verlaufenden Kontur des über den Wälzkreis (WKN) hinausragenden Kopfteiles (KTN)dcs Nutsteges (NS) gegenüber dem Schnittpunkt dieses Bogens mit einem durch die Bogenmitte des Wälzkreisabschnitts verlaufenden radialen Achsstrahl des Nutrotors (NR) in Richtung auf die im Verdichterbetrieb nacheilende bzw. im Motorbetrieb voreilende Nutflanke peripher verschoben ist (F ig. 3).

3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittwinkel der Kontur der im Verdichterbetrieb voreilenden bzw. im Motorbetrieb nacheilenden Nutflanke mit radialen Achsstrahlen des Nutrotors (NR) mindestens 4°, vorzugsweise 15 bis 20° betragen.

4. Rotationskolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Schnittpunkte (e', u)der beiden den Nutsteg (NS) bildenden Nutflanken mit dem Wälzkreis des Nutrotors (NR) 3 bis 12% des Durchmessers des Kopfkreises (KKR) des Rippenrotors (RR) beträgt.

5. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Abstand des achsfernsten Punktes (a)der Kontur des über den Wälzkreis (WKN) hinausragenden Kopfteils (KTN) des Nutsteges (NS) von diesem Wälzkreis (WKN) weniger als 2% des Durchmessers des Kopfkreises (KKR) des Rippenrotors (RR) beträgt.

6. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein im achsnächsten Punkt der Kontur der Nut (N)

beginnender Abschnitt der bei Verdichterbetrieb nacheilenden und bei Motorbetrieb voreilenden Nutflanke mindestens über ein Drittel, vorzugsweise über die Hälfte der Länge dieser Flanke berührend an der Rippenflanke des Rippenrotors (RR) anliegt, wenn der achsfernste Punkt der Kontur dieser Rippe (R) den achsnächsten Punkt der Kontur der Nut (N) berührt

7. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelabstand, den der achsfernste Punkt (a) des Nutsteges (NS) von der Verschneidungskante (VK) des Gehäuses im Augenblick des Vorbeilaufs des achsfernsten Punktes (o) der zugehörigen Rippe (R) des Rippenrotors (RR) an dieser Verschneidungskante (VK) hat, weniger als 9° beträgt

Die Erfindung betrifft eine parallel- und außenachsige Rotationskolbenmaschine mit Kämmeingriff zwischen einem schraubverzahnten Rippenrotor und einem schraubvsrzahnten Nutenrotor, deren Rippen bzw. Stege im wesentlichen außerhalb bzw. innerhalb des jeweiligen Teilkreises liegen, wobei der Konturverlauf der bei Verdichterbetrieb nacheilenden und bei Motorbetrieb voreilenden Nutflanke vom achsnächsten Punkt bis zu dem im Bereich des Wälzkreises liegenden

Übergang in den Kopfteil des von beiden Nutflanken gebildeten Nutsteges durch die achsferne Spitze der

entsprechenden Rippe des Rippenrotors erzeugt wird.

Der Einfachheit halber wird in der folgenden

Beschreibung nur auf den Betrieb als Verdichter und die dabei vorliegende Drehrichtung der Rotoren Bezug genommen; für den Motorbetrieb gelten die Angaben sinngemäß für die entgegengesetzte Drehrichtung.

Eine Rotationskolbenmaschine der genannten Art ist aus DE-OS 25 05 113 bekannt. Bei ihr ist die voreilende Nutflanke zum größten Teil als Kreisbogen mit auf dem Wälzkreis liegenden Mittelpunkt ausgebildet, und der jeweils zwischen vor- und nacheilender Nutflanke liegende Nutsteg hat einen über den Wälzkreis hinausragenden, verbreiterten Kopfteil mit einem Kopfbahnabschnitt, der mit einem geradlinigen Flankenabschnitt unter Bildung einer Kante in die nacheilende Nutflanke und mit einem Übergangskreisbogen tangential in die voreilende Nutflanke übergeht. Zwischen den Rippen des Rippemotors sind den Kopfbahnabschnitten entsprechende Lücken vorgesehen, auf deren parallele zum Teilkreis des Rippenrotors verlaufenden Bodenflächen jeweils der Kopfbahnabschnitt des Nutsteges abrollt.

Mit dieser Ausbildung sollten die Vorteile einer kurzen Dichtlinie und kleiner Blaslöcher, die bereits mit einer ähnlich ausgebildeten Rotationskolbenmaschine (US-PS 34 14 189) erreicht wurden, beibehalten, jedoch die Schwierigkeiten und der Herstellungsaufwand der komplizierten geometrischen Formen der Rippen und Nuten der Rotationskolbenmaschine nach dieser zuletzt genannten Patentschrift vermieden werden.

Bei der Erzeugung des in achsnächsten Punkt der Kontur der nacheilenden Nutflanke beginnenden Nutabschnittes wird nach der Lehre der an erster Stelle genannten Druckschrift ein punktförmiger Abschnitt der Kontur der Rippe des Rippenrotors, d. h. eine sogenannte »scharfe Kante« angewendet. Dies hat einerseits zwar die Bildung eines sehr kleinen Blasloches

zur Folge, andererseits aber findet keine Verteilung des Verschleißes auf mehrere Bereiche des erzeugenden Abschnittes statt, wie dies bei der Anwendung wandernder Punkte durch Abrundung des erzeugenden Abschnitts der Fall ist. Auch die durch dt η geradlinigen Abschnitt der Kontur der nacheilenden Nutflanke geschaffene Kante ist nicht geeignet, den Verschleiß entsprechend zu verteilen. Die verhältnismäßig breiten Kopfbahnabschnitte der Nutstege und die entsprechenden Lücken zwischen den Rippen des Rippenrotors w verringern nicht nur die wirksame Arbeitsfläche der Nuten des Nutenrotors, bezogen auf die Rotordurchmesser; sie schaffen auch erhebliche Abdichtprobleme, denen, wie in der Druckschrift erläutert, mit zusätzlichen Dichtstegen begegnet werden soll, die ihrerseits wieder den Herstellungsaufwand vergrößern und erschweren und auch, je nach der Ausbildung dieser Dichtstege, den Betrieb der Maschine störanfälliger machen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrjnde, für eine Rotationskolbenmaschine der eingangs genannten Art einen Nutsteg mit nicht festpunkterzeugten Flanken derart auszubilden, daß bei inöglichst großem Verdrängungsvolumen die Blaslöcher möglichst klein gehalten werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die folgenden Merkmale gelöst:

a) Die achsferne Spitze der Rippe ist mit einem kleinen Radius abgerundet;

b) die Profilkontur des Nutsteges stellt die Hüllkurve von Kreisen dar, deren Mittelpunkte auf einer bei Verdichterbetrieb in und bei Motorbetrieb entgegen der Rotordrehrichtung gekrümmten Linie liegen und deren Durchmesser nach radial außen kontinuierlich abnehmen;

c) der Mittelpunkt des radial äußersten Kreises liegt unmittelbar innerhalb des Wälzkreises des Nutenrotors;

d) der Radius des radial äußersten Kreises entspricht etwa dem Überstand des Kopfteils des Nutsteges über den Wälzkreis.

Durch diese Ausbildung wird der Vorteil erzielt, daß die Kontur der nacheilenden Nutflanke mittels des abgerundeten Abschnitts der Rippenspitze wanderpunkt-, also nicht festpunkterzeugt ist, so daß sich eine erhebliche Verschleißminderung ergibt, während aber gleichzeitig die Blaslöcher etwa so klein gehalten werden können, wie dies bisher nur bei Verwendung mehr oder weniger »scharfer Kanten« möglich schien. Die Ausbildung des Konturenverlaufes nach der Erfindung führt ferner zu sehr schlanken Nutstegen mit der Folge einer erheblichen Vergrößerung der wirksamen Arbeitsfläche der Nuten in bezug auf den Rotordurchmesser, und damit zu einem großen Verdrängungsvolumen. Der Verlauf der Nut- und Rippenkonturen läßt sich im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung dem gewünschten Betriebsverhalten in weiten Grenzen anpassen, ohne daß neue Schwierigkeiten bei der Herstellung auftreten. Wegen des Fehlens von Kopfbahnabschnitten des Nutsteges und ihnen entsprechender Abwälzlücken zwischen den Rippen des Rippenrotors treten die vorstehend geschilderten Abdichtungsprobleme ebenfalls nicht auf.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann der achsfernste Punkt der in einem konvexen Boeen verlaufenden Kontur des über den Wälzkreis hinausragenden Kopfteiles des Nutsteges gegenüber dem Schnittpunkt dieses Bogens mit einem durch die Bogenmitte des Wälzkreisabschnitts verlaufenden radialen Achsstrahl des Nutrotors in Richtung auf die im Verdichterbelrieb nacheilende bzw. im Motorbetrieb voreilende Nutflanke peripher verschoben sein. Hierdui ch wird erreicht, daß die jeweils achsfernsten Punkte des Nutenrotors und des Rippenrotors kurz hintereinander an der Zylinderverschneidungskante des Maschinengehäuses vorbeilaufen und auf diese Weise ein kleines Blasloch entsteht Die Drehversetzung des Vorbeilaufs der beiden Rotoren sollte weniger als 9" betragen, im Optimum 2 bis 3°.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Schnittwinkel der Kontur der im Verdichterbetrieb voreilenden bzw. im Motorbetrieb nacheilenden Nutflanke mit radialen Achsstrahlen des Nutrotors mindestens 4°, vorzugsweise 15 bis 20° beträgt.

Vorzugsweise beträgt ferner der Abstand der Schnittpunkte der beiden den Nutsteg bildenden NutfJanken mit dem Wälzkreis des Nutenrotors 3 bis 12% und der radiale Überstand des Kopfteils des Nutstegs über den Wälzkreis des Nutsteges weniger als 2% des Durchmessers des Kopfkreises des Rippenrotors.

Vorteilhaft ist ferner eine Ausbildung, bei der ein im achsnächsten Punkt der Kontur der Nut beginnender Abschnitt der voreilerden Nutflanke mindestens über ein Drittel, vorzugsweise über die Hälfte der Länge dieser Flanke berührend an der Rippenflanke des Rippenrotors anliegt, wenn der achsfernste Punkt der Kontur dieser Rippe den achsnächsten Punkt der Kontur der Nut berührt. Eine solche Kontur verhindert die Bildung von sogenannten Taschen, d. h. länglichen Verdichtungsräumen, die sich nur schwer füllen und entleeren lassen.

Die erfindungsgemäße Profilkontur des Nutsteges mit einer in Drehrichtung beim Verdichterbetrieb gekrümmten Schwerpunktlinie bringt den Vorteil kleiner Blaslöcher mit sich, da dadurch die Zeitpunkte des Vorbeigangs der achsfernsten Punkte der Rippen- und Nutstege an der Verschneidungskante des Maschinengehäuses einander angenähert werden. Vorzugsweise beträgt dev Winkelabstand, den der achsfernste Punkt a des Nutsteges NS von der Verschneidungskante VK des Gehäuses im Augenblick des Vorbeilaufs des achsfernsten Punktes der zugehörigen Rippe R des Rippenrotors RR hat, weniger als 9°.

Die aufgezählten Ausbildungsmerkmale führen, wie bereits erwähnt, zu einem großen Fördervolumen pro Rotorumdrehung, da sich Nuten mit großer Querschnittsfläche schaffen lassen. Ein hoher Liefergrad wird durch die Verkleinerung der Spaltflächen und eine strömungsbremsende Gestaltung der Profilabschnitte in der unmittelbaren Umgebung der Spalte erreicht; dies gilt besonders für den Stirnspalt am druckhöheren Ende der Rotoren und den Spalt zwischen den radial äußersten Konturen der einzelnen Rotoren und den Zylinderflächen des Gehäuses, sowie schließlich die das Blasloch bildenden Spalte. Es treten weiter geringe Reibungs- und Strömungsverluste auf, weil den ein- und austretenden Strömen des Arbeitsmediums große Strömungsflächen zur Verfügung stehen. Da die miteinander in Berührung kommenden Konturabschnitte iierstellungstechnisch keine Schwierigkeiten bereiten, lassen sie sich besonders sorgfältig bearbeiten und erhöhen auf diese Weise die Betriebssicherheit der Maschine und verrineern den Schmier- und Kühlmittel-

bedarf sowie die Leckverluste. Die problemlose Herstellbarkeit der Konturen beruht unter anderem darauf, daß der gesamte Konturverlauf von Nuten und Rippen keine Kanten aufweist und durch die schlanke Gestaltung der Stege ein Hinterschnitt keine Probleme mit sich bringt.

Die Erfindung erlaubt es, den Konturverlauf unter Berücksichtigung des gewünschten Betriebsverhaltens der Maschine punktweise vorzugehen und mittels benachbarter, vorgegebener Punkte der Kontur Interpolationskurven höheren Grades so zu legen, daß sich im Ergebnis ein möglichst glatter Verlauf ergibt. Die Kontur des zugehörigen Abschnitts des anderen Rotors, die sich theoretisch als Hüllkurve der erzeugenden Kontur des ersten Rotors ergibt, kann bei der Ausbildung nach der Erfindung so abgewandelt werden, daß sich ein niedriger Spaltdurchfluß und eine günstige Kraftverteilung ergeben. Die bei dieser Gestaltung erforderlichen Abweichungen vom theoretischen Verlauf der Kontur können, wie anfangs geschildert, ebenfalls durch vorgegebene Punkte und Interpolationskurven höheren Grades ermittelt werden. Es können deshalb beliebig viele Profilabschnitte vorgebend berechnet werden und die sich dabei ergebende Kontur unterliegt nicht mehr den Einschränkungen, die sich aus der Vorgabe bestimmter relativ einfacher geometrischer Kurven ergeben.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 die Rotationskolbenmaschine im Radialschnitt in schematischer Darstellung;

F i g. 2 bis 4 Einzelheiten des Nutenrotors in vergrößertem Maßstab, ebenfalls in schematischer Darstellung;

F i g. 5a bis 5f und 6 Einzelheiten des Abwälzvorgangs beider Rotoren in schematischer Darstellung.

Wie aus Fig. 1 zu ersehen, sind der Nutenrotor NR und der Rippenrotor RR im Maschinengehäuse MG in zwei einander mit Verschneidungskanten VK durchdringenden Zylindern ZN und ZR um Achsen η bzw. h drehbar gelagert und stehen mit ihren Rippen R bzw. Nuten Nm Kämmeingriff miteinander. Die Nuten /V des Nutenrotors NR liegen im wesentlichen innerhalb des Wälzkreises WKN und die Rippen R des Rippenrotors RR im wesentlichen außerhalb des Wälzkreises WKR. Die achsferne Spitze o-p der Rippe R ist mit dem kleinen Radius r abgerundet. Die Profitkontur des von den benachbarten Flanken zweier nebeneinanderliegender Nuten N jeweils gebildeten Nutsteges A/S wird, wie in F ι g. 2 gezeigt, durch eine Vielzahl von die Flanken des Nutsteges NS berührenden Kreisen bestimmt Die Mittelpunkte dieser Kreise liegen auf einer in der mit einem Pfeil DRN angedeuteten Drehrichtung des Nutenrotors NR strichpunktiert angedeuteten Linie MKL

Die Durchmesser der Kreise werden Weiner, je weiter diese radial außen liegen. Der Mittelpunkt MK des radial äußersten Kreises liegt noch innerhalb des Wälzkreises WKN des Nutenrotors NR, dicht bei diesem. Der Überstand des Kopfteils KTN entspricht dabei etwa dem Radius dieses Kreises.

Der im achsnächsten Punkt der Nut N, bei d beginnende und bei c endende Abschnitt der voreilenden Nutflanke (vgl. den eingezeichneten Drehrichtungspfeil in F i g. 1) ist ein Kreisbogen um den Schnittpunkt i des radialen Achsstrahls 1 des Nutenrotors NR mit dem Wälzkreis WKNdieses Rotors. Der an diesen Abschnitt anschließende, bei c beginnende und bei b endende Abschnitt stellt eine Tangente t an den Kreisbogen d-c dar. Diese Tangente ί ist gleichzeitig Tangente an den anschließenden Kreisbogen, der bei b beginnt und tangential in den den achsfernsten Punkt a des Kopfteils KTN des Nutsteges NS bildenden Abrundungsradius einläuft. Der Mittelpunkt MJ des Abrundungsradius liegt innerhalb des Wälzkreises WKN auf dem durch den achsfernsten Punkt a des Nutsteges NS gehenden Achsstrahl 2. Dieser achsfernste Punkt a der in einem konvexen Bogen verlaufenden Kontur des über den Wälzkreis WKN hinausragenden Kopfteils KTN des Nutsteges NS ist, wie in F i g. 3 verdeutlicht, gegenüber dem Schnittpunkt eines durch die Bogenmitte des entsprechenden Wälzkreisabschnittes e'-u verlaufenden radialen Achsstrahls 2' in Richtung auf die nacheilende Flanke der Nut N peripher verschoben. Der Abstand der Schnittpunkte e' und u der beiden den Nutsteg NS bildenden Nutflanken mit dem Wälzkreis WKN des Nutenrotors NR beträgt etwa 3 bis 12% des Durchmessers des Kopfkreises KKR des in F i g. 1 dargestellten Rippenrotors RR, und der radiale Abstand des achsfernsten Punktes a der Kontur des über den Wälzkreis WKN hinausragenden Kopfteils KTN des Nutsteges NS von diesem Wälzkreis WKN weniger als 2% des Durchmessers des Kopfkreises KKR des Rippenrotors RR.

Der Abrundungsradius a-e geht im Bereich des Wälzkreises WKN in einen Abschnitt e-g der nacheilenden Flanke der Nut N über, der durch die erwähnte abgerundete Spitze o-p der Rippe R des Rippenrotors RR als Hüllkurve erzeugt wird.

Der Rippenabschnitt p-q der Rippe R wird dabei als Hüllkurve des Kreisbogenabschnitts a-e des Nutsteges NS erzeugt und der, an der Spitze der Rippe R beginnende Abschnitt o-m durch den bereits geschilderten Kreisbogen d-cder voreilenden Flanke der Nut N.

Der anschließende Abschnitt m-1 der Rippe R wird durch den geradlinigen Tangentialabschnitt c-b dieser Nutflanke und der Abschnitt l-k durch die an den geradlinigen Abschnitt c-d anschließenden Kreisbogenabschnitte b-a und a-e gebildet.

Wie F i g. 4 zeigt betragen hier die Schnittwinkel αϊ bis Oii der an die Kontur der voreilenden Flanke der Nut N gelegten Tangenten mindestens 4, vorzugsweise 15 bis 25° und mehr.

Die Kontur des Flankenabschnittes c-d der voreilenden Flanke der Nut N wird durch die den Flankenabschnitt o-m der Rippe R und der lange Flankenabschnitt d-g der Nut N durch den kurzen Flankenabschnitt o-p der Rippe R erzeugt

Die langen Flankenabschnitte p-q der Rippe R werden durch den kurzen Flankenabschnitt a-e des Kopfteils KTN des Nutsteges NS des Nutenrotors NR

und der lange Flankenabschnitt m-k der Rippe R durch den kurzen Flankenabschnitt a-b des Nutsteges NS des Nutenrotors NR erzeugt

Der Abwälzvorgang zwischen Nut- und Rippenflanken, wie in den Fig.5a und 5f dargestellt zeigt (vgL F i g. 5a bis 5b), daß der Konturverlauf des Kopfteils KT des Nutsteges NS des Nutrotors eine einwandfreie Abdichtung zwischen Nut- und Rippenflanken gewährleistet, wenn sich der Kopfteil durch den achsnahen Obergangsbereich zwischen den Rippen R des Rippen-

rotors RR bewegt ferner daß die Spaltflächen sehr klein sind und die das Profil bildenden Flankenabschnitte in der unmittelbaren Umgebung der Spalte strömungsgünstig verlaufen. Fig.8c zeigt dabei besonders deutlich.

daß ein im achsnäehsten Punkt d der Kontur der Nut beginnender Abschnitt d-c der voreilenden Nutflanke mindestens über ein Drittel, vorzugsweise über die Hälfte der Länge dieser Flanke berührend an dem Flankenabschnitt o-ni der Flanke der Rippe R des Rippenrotors RR anliegt, wenn der achsfernste Punkt ο der Kontur dieser Rippe R den achsnäehsten Punkt d der Kontur der Nut Nberührt.

Aus F i g. 6 geht hervor, daß der Abstand der jeweils achsfernsten Punkte ο der Rippe R des Rippenrotors RR und anschließend a des Nutsteges NS des Nutenrotors NR beim aufeinanderfolgenden Vorbeilauf der Verschneidungskante VK der beiden einander durchdringenden Zylinder ZN und ZR des Maschinengehäuses MG einer Drehversetzung von weniger als 9° entspricht.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   ΐ. Parallele- und außenachsige Rotationskolbenmaschine mit Kämmeingriff zwischen einem schraubverzahnten Rippenrotor und einem schraubverzahnten Nutenrotor, deren Rippen bzw. Stege im wesentlichen außerhalb bzw. innerhalb des jeweiligen Teilkreises liegen, wobei der Konturverlauf der bei Verdichterbetrieb nacheilenden und bei Motorbetrieb voreilenden Nutflanke vom achsnächsten Punkt bis zu dem im Bereich des Wälzkreises liegenden Obergang in den Kopfteil des von beiden Nutflanken gebildeten Nutsteges durch die achsferne Spitze der entsprechenden Rippe des Rippenrotors erzeugt wird, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: