DE3140108A1 - Drehkolbenverichter - Google Patents
DrehkolbenverichterInfo
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- F04C18/082—Details specially related to intermeshing engagement type pumps
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Description
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m ρ » ψ * ·* · ■ 4
Technika Beteiligungsgesellschaft mbH 7.10.1981
Bielefeld
Drehkolbenverdichter
Die Erfindung betrifft einen parallel- und außenachsigen Drehkorbenverdichter mit mindestens einem schräg
verzahnten Hauptrotor und jeweils einem damit kämmenden Nebenrotor.
3HQ108
Ein derartiger Drehkolbenverdichter ist z.3. aus der DE-OS 25o5 113 "bekannt geworden. Die Offenlegungsschrift
"befaßt sich insbesondere mit der Ausbildung der Zahnflanken des Nebenrotors, um das bei Drehkolbenverdichtern
vorhandene Blasloch der Verdichterverzahnung , das dadurch
entsteht, daß die Berührungslinie , längs derer die Zahnflanken jeweils eines Zahnes von Haupt- und Nebenrotor
eines in Eingriff stehenden Zahnpaares aneinander liegen, nicht bis zur Gehäusekante , die als Schnitt der beiden
Gehäusebohrungen entsteht, reicht (siehe auch Rinder,
Springer-Verlag Wien, New York 1979, S. 72 ff), möglichst
klein zu halten.
In ähnlicher Weise befasst sich auch die US-PS 2 622 787 mit der Verminderung der aufgrund des Blasloches
entstehenden Leck.age.
Diese und andere bekannte Drehkolbenverdichter besitzen symmetrische oder asymmetrische Zahnprofile, die
aus unterschiedlich bemessen Kurvensegmeten zusammengesetzt
und mathematisch häufig nicht einheitlich definierbar sind. Im allgemeinen sind die Zähne tief eingeschnitten,
siehe auch Rinder, Schraubenverdichter, Seite 28, Abb. 11, in dem die Konstruktion und der Aufbau eines asymmetrischen
Rotorprofiles näher beschrieben ist.
Die Rotoren von Schraubenverdichtern müssen -um die Leckagen möglichst klein zu halten- mit größter Präzis ion
hergestellt werden, wozu aufwendige und teure Werkzeuge und Werkmaschinen erforderlich sind. Aufgrund der komplizierten
Gestaltung der einzelnen Profile sind eigene Fräser erforderlich, wobei die Herstellung eines Rotors
meist mehrere Arbeitsgänge (Vorfräsen mit sogenannten Schruppfräsern und danach Finishing mit Schlicht- oder
Feinfräsern) . So kostet ein Fräsersatz für ein Rotorpaar jejnach Durchmesser zwischen DM Po.ooo,- bis So.ooo,- .
1 erfordert _3-
3Η0Ί08
Hinzu kommt der Aufwand für die notwendigen Endkontrollen.
Im Handel erhältlich sind Drehkolbenverdichter mit unterschiedlichon
Fördervolumen, um den jeweiligen gewünschten Bedarf zu befriedigen. Dementsprechend bieten die Hersteller Verdichterreihen
an, bei denen der Abstand zwischen den Stufen wegen der teuren Herstellung relativ groß gewählt wird, damit nicht zu viele teure
Werkzeuge hergestellt und auf Lager gehalten werden müssen. Dies hat zur Folge, daß die einzelnen Drehkolbenverdichtertypen
einer Reihe nicht unmittelbar in ihrem optimalen Bereich oder in der Nähe des optimalen Bereiches, sondern über einen größeren
Bereich hinweg betrieben werden. In der Fig. 1 ist die spezifische. Leistungsaufnahme in (kW/m /min) über dem Fördervolumen
(m"/min) aufgetragen. Dabei könnte auf der Abzisse auch die Umfangsgeschwindigkeit
eines Rotors oder dessen Drehzahl aufgetragen sein; an der qualitativen Aussage würde sich hierbei nichts ändern.
Der optimale Betriebspunkt liegt -wie aus der Fig. 1 ersichtlich istbeim
spezifischen Kraftbedarfsminimum , also beim Punkt A der eingezeichneten Kurve. Die derzeit auf dem Markt befindlichen Drehkolbenverdichter
laufen im Bereich BAC , also nicht ausschließlich
im oder nahe am optimalen Bereich, der etwa bei B' AC' liegen
würde, um den Fördervolumenstrom einer Type möglichst lückenlos an den der nächstgrößeren Type anschließen zu lassen. Die Ausweitung
des Fördermengenbereiches je einer Type muß durch Drehzahländerung mittels Übersetzungsgetriebes (Riemen- oder Zahnradgetrieben
oder mittels Drehzahlregelung des Antriebsmotores ) erzielt werden. Wollte man die Drehkolbenverdichter im Bereich B'
AC' betreiben, müßte die Fördervolumenstufung verringert werden. Hierdurch müßte aber -wie oben angedeutet- wiederum eine größere
Anzahl von Drehkolbenverdichtertypen und damit wieder eine größere Anzahl von teuren Werkzeugen erforderlich werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Drehkolbenverdichter der
eingangs, genannten Art zu schaffen, der in der Herstellung einfach
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ist und bei dem relativ preiswerte Werkzeuge zur Herstellung der Profile erforderlich sind. Ferner soll die Maßkontrolle exakt, preiswert
und einfach vorgenommen werden können.
-5-
3U0108
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Zahnflanken des Hauptrotors Schichtenkreis schraubflächen sind,
die durch die Verschraubung eines Kreises, dessen Ebene senkrecht zur Schraubachse steht, erzeugt ist.
Eine weitere vortei lhafte Ausgestaltung der Erfindung kann dahin gehen, daß die Zahnflanken des Nebenrotors zur Gänze von
der Relativbahn eines auf einer Kopflinie liegenden Punktes (Hauptrotorkopfpunkt)
während des Abrollens von Hauptrotor und Nebenrotor erzeugt und bestimmt sind.
I*1 vorteilhafter Weise besitzt der Hauptrotor mindestens drei
Zähne.
Bei dem gewählten erfindungsgemäßen Profil sind die Zahnflanken
des Hauptrotors nicht aus Kurven Segmenten zusammengesetzt, sondern wegen der erzeugenden Kreise durch eine stetige
gleichmäßige analytisch definierbare Kurvenform von Kopfpunkt zu Kopfpunkt gebildet, in diesem Falle Kreisbögen. Die Zahnflanken
sind hierbei Schichtenkreis schraubflächen, deren Erzeugende Kreise
sind (vergl. hierzu Wunderlich, darstellende Geometrie, Band 2 der
Reihe B. I. , Hochschultaschenbücher, Band 133, 1967, Seiten 188 ff,
Die Flanken der Zähne werden durch einen Wälzfräsvorgang mit einem Profilfräser hergestellt. Ein derartiger Profilfräser ist ein
solcher mit einer geschwungenen Mantellinie, die entsprechend der Stirn schnittform ausgebildet sein kann.
3 U0108
Aufgrund der Wahl des Profiles des Hauptrotors werden die Zahnflanken des Nebenrotors durch eine Radkurve gebildet, die mit
einem Profilfräser mit kreisbogenähnlicher Form hergestellt werden
kann.
Die Vorteile der erfindungs gern äßen Ausgestaltung bestehen somit
insbesondere darin, daß die Herstellung sowohl des Hauptrotors als
auch des Nebenrotors vereinfacht und damit insgesamt verbilligt wird. Auch die Maßkontrolle bei der Endkontrolle wird vereinfacht, weil
die Kurven der Profile des Haupt- und Nebenrotors viel einfacher zu beschreiben sind als die der bekannten Profile. Es v/ird ferner auch
die Zerspanungsarbeit geringer.
Infolge der geringeren Werkzeugkosten und der einfachen Geometrie ist darüber hinaus eine große Typenvielfalt möglich, so daß
eine Drehkolbenverdichterreihe mit im Vergleich zu bekannten
Verdichterreihen deutlich vefeinerter Abstufung angeboten v/erden kann.
Dabei ist eine Optimierung des Wirkungsgrades des einzelnen Drehkolbenverdichters
der Reihe möglich, in dem optimale Umfangsgeschwindigkeiten bei Wegfall von Getrieben (Zahnrädern und
Ritzeln oder Bänder, angepaßt an die elektrische Normdrehzahl des beispielsweise als Elektromotor ausgebildeten Antriebes),
gewählt werden können. Der einzelne Drehkolbenverdichter kann dabei im Direktantrieb im Bereich B* A C (Fig. 1) betrieben werden,
sodaß dadurch der optimale Arbeitsbereich ausgenutzt werden kann.
Durch die Vereinfachung des Profiles ist auch die Geometrie des gefertigten Rotors wesentlich einfacher zu messen, wodurch -wie oben
erwähnt- die Endkontrolle
verbilligt werden kann. Wie oben erwähnt, kann der einzelne Drehkolbenverdichter einer solchen Reihe direkt ohne
Zwischenfugung eines Zwischengetriebes angetrieben v/erden, sodaß schon hierdurch eine Wirkungsgradverbesserung
erzielt v/erden kann.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung besteht auch im folgenden: bei bekannten Rotoren ·
ist die Zahntiefe, d.h. die Nuttiefe zwischen zwei benachbarter. Kopflinien groß. Dies hat zur Folge, daß das
Verhältnis Kerndurchmesser zur Außendurchmesser ebenfalls groß ist. Bei bekannten Rotoren beträgt dieser V/ert
zwischen o,4 bis o,5. Pei dem erfindungsgemäßen Rotor jedoch , der durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles
des Anspruches 1 definiert ist, liegt das Verhältnis Kerndurchmesser zu Außendurchmesser etwa bei o,95.
Damit sind die zu erwartenden Durchbiegungen bei dem erfindungsgemäßen Hauptrotor im Vergleich zu den bekannten
Hauptrotoren praktisch O. Dadurch können die Toleranzen sehr klein gehalten werden und ferner ist der einzelne
Hauptrotor sehr robust. Aufgrund dieser Toleranzen kann der Wirkungsgrad zusätzlich noch verbessert werden.
Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsheispiel
der Erfindung dargestellt ist, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen
der Erfindung näher erläutert und "beschrieben werden.
Es zeigt:
Fig. 1 ein Diagramm, hei dem der spezifische En
ergiebedarf in kW/m /min. über der
•7
Fördermengem /min. aufgetragen ist,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen erfindungs-
geraäßen Drehkolbenverdichter,
Fig. 3 , eine Schnittansicht gemäß Linie HT-III
der Fig. 1,
Fig. 4 bis 7 je eine Darstellung der Zuordnung von
Haupt- und If ebenrot or in unterschiedlichen
Stellungen zueinander.
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Es sei zunächst bezuggenommen auf die Fig. 2.Der Drehkolbenverdichter, der im allgemeinen mit 1o bezeichnet
ist, besitzt in einem Gehäuse 12 einen Verdichtungsraum 14, in dem ein Hauptrotor 16 und ein damit
kämmender Nebenrotor 18 angeordnet sind. Der Hauptrotor
16 besitzt an einem Ende einen in zwei Bereichen 2o und ?? mit unterschiedlichen Durchmessern unterteilten
Fortsatz 24, von definder eine Pereich 2o mit größerem
Durchmesser der Lagerung mittels Wälzlagern 26 und der andere Bereich 2? mit kleinerem Durchmesser zum Anschluß
eines nicht weiter dargestellten Antriebes dient. Das Lager 26 befindet sich in einer lagersrusnehmung 23
in einer Lagerscheibe 3o, die mit dem Gehäuse 12 zusammen mit einem Abschlußdeckel 32 über eine Schraubverbindung
34 festverbunden ist. Zur Abdichtung des Lagers 26 nach außen ist ein Dichtring 36 vorgesehen.
Am gegenüberliegenden Ende besitzt der Hauptrotor 16 einen weiteren Lagerzapfen 38, der in einem Wälzlager
4o und in einem Kugellager 42 in einer ersten Lageröffnung 44 des Gehäuses 12 gelagert ist. Die Halterung
der lager Ao und 42 erfolgt innen über eine auf dem
Lagerzapfen ^8 aufgeschraubte Mutter 46 und außen über
eine Druckfeder 48, die sich an einem z-weiten Abschlußdeckel 5o, der mit dem Gehäuse über Schraubenbolzen 52
festverbunden ist, unter Zwischenfügung einer Fixierhülse
53 abstützt.
In ähnlicher V/eise besitzt der Nebenrotor 18 stirnseitig
je einen Lagerzapfen 54 und 56, von denenMer Lagerzapfen 54 in einem Wälzlager 5β in der Lagerscheibe
3o und der Lagerzapfen 56 in einem Wälzlager 6o und einem Kugellager 62 in einer zv/eiten 1 agerfiffnung 64 im Gehäuse
12 aufgelagert ist. Die Halterung bzw. axiale Fixierung der Lager 6o und 62 erfolgt am Innendurchmesser bezw. am
Innenring der lager mittels einer auf den 3agerzapfen
3H0108 /11.
aufgeschraubten Mutter und außen am Lageraußenring über eine
Druckfeder 68 unter Zwischenfügung einer Fixierhülse 70.
Mit der Bezugsziffer 72 ist die dargestellte Kehllinie des Hauptrotors und mit der Bezugsziffer 74 die strichliert dargestellte
Linie des Nebenrotors bezeichnet. Die Bezugsziffer 7 und 78 bezeichnen die Kopflinien des Haupt- bzw. Nebenrotors.
In der Fig. 3 ist ein Querschnitt gemäß der Linie IH-III der
Fig. 1 dargestellt. Der Hauptrotor 16 besitzt insgesamt vier Zähne, deren Kopfpunkte in dem Schnitt gemäß Fig. 3 durch die
Bezugsziffern 80, 82, 84 und 86 dargestellt sind. Die Zähne des Hauptrotors sind durch eine Verschraubung eines Kreises
mit dem Radius der Projektion der Kehlschraublinie auf eine Ebene senkrecht zur Schraubachse gebildet; dabei ist der "Schraubausschlag"
entsprechend dem Radius der Kopflinie gewählt.
Die Herstellung des Hauptrotors erfolgt mittels eines Wälzfräsvorganges
mit einem profilierten Fräser.
Der Nebenrotor 18 besitzt neun Zähne (die nicht im einzelnen
beziffert sind), wobei, wie aus den Fig. 4 bis 7 ersichtlich ist, die Zahnflanken zwischen den Zähnen durch die Relativbahn der Kopfpunktc
80 bis 84 des Hauptrotors 16 bestimmt ist. Genau genommen sind die Nebenrotorzahnflanken bei spitzen Nebenrotorzähnen keine
Kreise, sondern verschlungene Epitrochoiden, die allerdings näherungsweise bei der Herstellung durch ihre Krümmungskreise,
also durch Kreisbögen ersetzt werden können.
-iX" 42.
Die Fig. 4 zeigt eine erste Stellung von Haupt- und Nebenrotor zueinander, in der der Kopfpunkt 32 des -gezeichneten
Querschnittes , d.h. die KopfOunktmxttellinie exakt auf der Verbindungslinie V-V der Mittelachsen
der Rotoren liegt. Der Kopfpunkt 82 fluchtet dabei auch mit dem Kehlpunkt 82', der ebenfalls auf der Verbindungslinie
zwischen den Mittelpunkten der beiden Rotoren liegt. Die Kopfpunktmittellinie und die Kehlpunktmittellinie
fallen dabei zusammen,. Die Kopfpunkte
des Nebenrotors 88 und 9o liegen genau auf der Zahnflanke des Zahnes auf, der den Kopfpunkt 82 besitzt.
Verdreht man den "Hauptrotor gemäß Pfeilrichtung C, dann bewegt sich die Kopfpunktmittellinle mit dem Kopfpunkt
82 (in der Fig. 5 nach unten) im Uhrzeigersinn, wobei der Kopfpunkt 82 genau auf der Zahnflanke
des Nebenrotors läuft, dergestalt, daß die Zahnflanke des Nebenrotors durch die Bahn- des Kopfpunktes 82 bestimmt
wird. Der Kopfpunkt 9o des Nebenrotors 1d liegt
an der anderen Zahnflanke immer noch an. Die Kehlpunktmittellinie des Nebenrotors ist dabei entsprechend des
DrehzahlVerhältnisses zwischen Haupt- und Nebenrotor
um einen geringeren Betrag entgegen dem Uhrzeigersinn aus der
Verbindungslinie der Mittellpunkte der beiden Rotoren ausgewandert.
In der Fig. 6 befindet sich der Kopfpunkt 82 des Hauptrotors in dem Bereich des Kopfpunktes 88 des
Nebenrotors , wobei der Kopfpunkt 9o)nach wie vor auf
der Zahnflanke des Hauptrotores liegt. In der Fig. 7 erkennt man, daß der Fopfpunkt 82 vom Nebenrotor freigekommen
ist, dabei jedoch bleibt der Kopfpunkt 9c immer noch auf der Zahnflanke liegen. Bei weiterer Verdrehung
gelangt der Kopfpunkt 84 in Eingriff mit dem Nebenrotor, und der Ablauf bzw. die Geometrie ist die
gleiche wie in den Fig, 4 bis 7: die Zahnflanken des Nebenrotors v/erden durch den jeweiligen Kopfpunkt des
3H0108 43,
Hauptrotors gebildet, wobei dann, wenn sich ein Kopfpunkt des
Hauptrotors zwischen zwei Kopfpunkten des Nebenrotors befindet, die beiden genannten Kopfpunkte auf der Zahnflanke bzw.
den Zahnflanken des Hauptrotors aufliegen.
Da bei spitzen Nebenrotorzähnen die Zahnflanken des Nebenrotors durch den Kopfpunkt des Hauptrotors gebildet werden, ist
eine explizite Berechnung der Zahnflanken des Nebenrotors, die als verschlungene Aufradlinie anzusehen ist, durch Berechnung
mit elektronischer Datenverarbeitung möglich.
Es ist noch festzuhalten, daß aufgrund der Profilform von Haupt- und Nebenrotor das Blasloch praktisch Null ist. Dies ist
ein weiterer, besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung und die Profilform ist aus diesem Grunde auch besonders
günstig geeignet für kleine Fördervolumina, wo schon kleinste
Leckagen zu einer deutlichen Verringerung des "Wirkungsgrades führen können.
Leckagen zu einer deutlichen Verringerung des "Wirkungsgrades führen können.
Leerseite
Claims (3)
- 3U0108-Technika Beteiligungsgesellschaft mbH 7.10.1981BielefeldAns.prüche1J Parallel- und außenachsiger Drehkolbenverdichter mit wenigstens einem angetriebenen, sehrägverzahnten Hauptrotor und einem damit kämmenden Nebenrotor, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnflanken des Hauptrotors Schichtenkreisschraubilächen sind, die durch die Verschraubung eines Kreises, dessen Ebene senkrecht zur Schraubachse steht, erzeugt sind,
- 2. Drehkolbenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnflanken des Nebenrotors zur Gänze von der Relativbahn eines auf einer Kopflinie liegenden Punktes (Hauptrotorkopfpunkt) während des Abrollens von Hauptrotor und Nebenrotor erzeugt und bestimmt sind.
- 3. Drehkolbenverdichter nach Anspruch 1 oder Z, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptrotor mindestens drei Zähne aufweist.
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