DE3230720C2 - Rotor für eine Schraubenrotormaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Nutenrotor für eine Schraubenrotormaschine mit Nuten, die je eine vorliegende Flanke mit einem im Bereich des Teilkreises ausgebildeten, sich zum Kopfkreis erstreckenden konvexen Abschnitt und einem als konkaven Kreisbogen ausgebildeten, sich etwa bis zur Flankenmitte erstreckenden, achsnahen Abschnitt aufweisen.

Nach dem Stand der Technik ist für Maschinen der besprochenen Art eine Fülle von Rotorprofilen bekannt, die zu Verbesserungen der Leistung der Maschine führten. Beispiele hierfür sind in US-PS 3 423 017 und US-PS 4 028 026 beschrieben.

Des weiteren werden in der DE-OS 29 11 415 und in der DE-OS 25 08 435 Rotationskolbenmaschinen und deren Rotorpaare beschrieben. Die hierbei beschriebenen Rotorprofile sind so gestaltet, daß die Nutenrotoren Nuten mit einer voreilenden im wesentlichen konkaven Flanke und einem konvexen Abschnitt aufweisen, wobei der achsnahe Abschnitt der voreilenden Flanke als Kreisbogen ausgebildet ist und sich etwa bis zur Flankenmitte erstreckt. Der konvexe Abschnitt liegt im Bereich des Teilkreises und erstreckt sich bis zum Kopfkreis. Hierbei ist im Fall der DE-OS 29 11 415 der konvexe Abschnitt im Bereich des Teilkreises ein Kreisbogen, und im Fall der DE-OS 25 08 435 ist der konvexe Abschnitt im Bereich des Teilkreises eine allgemeine Hüllkurve. In beiden Fällen schließt sich an den als Kreisbogen ausgebildeten achsnahen Abschnitt der voreilenden Flanke jeweils ein gerader Abschnitt an, der außen in den konvexen Abschnitt übergeht. Bei den hier beschriebenen Schraubenrotormaschinen ergibt sich infolge der Ausbildung der Rotoren in deren Eingriffsbereich lediglich ein linienförmiger Kontakt und damit eine nur beschränkte Abdichtung zwischen den beiden Rotoren mit der Folge einer begrenzten Förderleistung.

Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Nutenrotor derart auszubilden, daß die Schraubenrotormaschine eine verbesserte Wirksamkeit aufweist, insbesondere eine höhere Förderleistung bei verminderter Leckage.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Patentanspruch 1. Hierbei ist erfindungsgemäß anschließend an den Kreisbogen ein bis zum Teilkreis verlaufender Evolventenabschnitt vorgesehen, der am Teilkreis in einen Ellipsenabschnitt übergeht. Hierdurch werden folgende Vorteile erreicht: Zum einen ergibt sich am Teilkreis ein Druckwinkel einer erheblichen Größe von beispielsweise 40 Grad, während die bekannten Profile am Teilkreis einen Druckwinkel in der Nähe von 0 Grad hatten. Dies beruhte darauf, daß der für die Herstellung des Rotorprofils verwendete Fräser die Tendenz hatte, längs der Metalloberfläche zu gleiten, da das Rotorprofil mit einer radialen Linie ausgerichtet war, die sich von der Rotorachse durch den Schnittpunkt des Profils am Teilkreis erstreckte. Bei der vorliegenden Erfindung gräbt sich dagegen das Fräswerkzeug unter einem beträchtlichen Winkel in das Metall des Werkstücks zur Bildung eines wesentlichen Druckwinkels ein, wodurch der Rotor leichter und genauer hergestellt werden kann. Darüber hinaus gestattet die Verwendung eines Evolventenabschnitts am aufnehmenden Rotor größere Fertigungstoleranzen. Die Mittelachsen der beiden zusammenwirkenden Rotoren können hierbei geringfügig von ihrer Soll-Lage abweichen, ohne daß dadurch die Leistung der Rotoren wesentlich vermindert wird. Der Evolventenabschnitt bietet nämlich eine breitere Abdichtungsfläche zwischen dem Rotorpaar an der voreilenden Flanke des Nutenrotors als bei den vorbekannten Profilen. Infolge dieser breiten Abdichtungsfläche kann der Achsabstand der Rotoren geringfügig variieren, ohne daß Nachteile bezüglich der Rotorleistung auftreten. Insgesamt ergibt sich durch die neue erfindungsgemäße Profilgestaltung eine verbesserte Wirksamkeit der Schraubenrotormaschine mit höherer Leistungsfähigkeit und geringerer Leckage.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 das Profil eines Abschnitts eines angetriebenen Nutenrotors, das erfindungsgemäß ausgebildet ist,

Fig. 2 das Profil eines Abschnitts eines mit dem Nutenrotor zusammenwirkenden, antreibenden Rippenrotors,

Fig. 3 das Gesamtprofil der Rotoren der Fig. 1 und 2 im zusammenwirkenden Eingriff miteinander und

Fig. 4 ein Diagramm von Schraubenkompressor- Leistungskurven.

Wie in der Fig. 1 gezeigt ist, weist der angetriebene Nutenrotor 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sechs schraubenförmige Rippen 12 auf (von denen nur zwei voll gezeigt sind), sowie ein ähnliches Element dazwischenliegender, schraubenförmiger Nuten 14 (die nicht alle voll gezeigt sind). In bezug zu seinem mit ihm zusammenwirkenden Rippenrotor (Fig. 2) weist der Nutenrotor 10 einen Teilkreis 16 und eine Drehachse 18 auf. Die Achse 18 liegt in einer gemeinsamen Ebene 20 mit der Achse 46 des Rippenrotors 38.

Erfindungsgemäß ist das Profil des Nutenrotors 10 wie nachstehend angegeben definiert. Der Abschnitt B-C des Nutenrotors 10 ist ein Kreisbogen 22, dessen Mittelpunkt auf dem Teilkreis 16 liegt. Der Kreisbogen 22 beginnt unter der Ebene 20 und erstreckt sich etwas mehr als die Hälfte an der angetriebenen, voreilenden Flanke 24 des Rotors hinauf. Der Abschnitt C-D des Nutenrotors 10 ist ein Evolventenabschnitt 26, der sich tangential bei C an den Kreisbogen 22 anschließt. Der Evolventenabschnitt 26 endet am Schnittpunkt mit dem Teilungskreis 16 des Nutenrotors. Der Abschnitt D-E des Nutenrotors 10 ist ein elliptischer Abschnitt 28, der derart gewählt ist, daß er sich am Punkt D tangential an den Evolventenabschnitt 26 anschließt, sowie bei E tangential an den Außendurchmesserkreis 30. Der Abschnitt E-E₁ des Nutenrotors ist ein Abschnitt eines Kreisbogens 32. Der Abschnitt B-A des Nutenrotors ist eine Epitrochoide 34, die durch einen Punkt H auf dem Rippenrotor (Fig. 2) erzeugt ist. Der Punkt A liegt auf dem Teilungskreis 16 des Nutenrotors. Der Abschnitt A-E₁ des Nutenrotors ist ein Kreisbogen 36, dessen Mittelpunkt auf dem Teilungskreis 16 des Nutenrotors liegt, der tangential zum Abschnitt 32 liegt und durch den Punkt A verläuft.

Wie in der Fig. 2 gezeigt ist, weist der antreibende Rippenrotor 38 fünf schraubenförmige Flügel 40 auf (von denen nur einer vollständig gezeigt ist) und eine entsprechende Anzahl von dazwischenliegenden schraubenförmigen Nuten 42 (von denen nur zwei dargestellt sind). In bezug zu seinem mit ihm zusammenwirkenden Nutenrotor 10 (Fig. 1) weist er einen Teilkreis 44 und eine Rotationsachse 46 auf. Wie erwähnt, liegen die Achsen 18 und 46 in der gemeinsamen Ebene 20, wenn sich die Rotoren 10 und 38 in einem zusammenwirkenden, kämmenden Eingriff befinden.

Das Profil des Rippenrotors 38 ist wie nachstehend erläutert definiert. Der Abschnitt H-I des Rippenrotors 38 ist ein Kreisbogen 48, dessen Zentrum auf dem Teilkreis 44 des Rippenrotors liegt. Der Kreisbogen 48 ist identisch mit dem Kreisbogen 22 (B-C) auf dem Nutenrotor 10. Der Abschnitt I-J ist ein erzeugter Abschnitt 50, der durch den Evolventenabschnitt 26 (D-C) des Nutenrotors 10 erzeugt wird. Der Abschnitt J-K ist ein erzeugter Abschnitt 52, der durch den elliptischen Abschnitt 28 (D-E) des Nutenrotors 10 erzeugt ist. Der Abschnitt K-K₁ ist ein Kreisbogen 54. Der Abschnitt G-H ist eine Epizykloide 56, die durch den Punkt A auf dem Nutenrotor 10 erzeugt ist. Der Abschnitt G-K₁ ist ein Kreisbogen 58, dessen Mittelpunkt auf dem Teilkreis 44 liegt. Wie in der Fig. 3 gezeigt ist, stehen die Rotoren 10 und 38 in kämmendem Eingriff und der Evolventenabschnitt 26 des Nutenrotors 10 bildet eine im wesentlichen abdichtende Zwischenfläche mit dem erzeugten Abschnitt 50 (I-J) des Rippenrotors 38. Der dazwischen gebildete Druckwinkel beträgt ungefähr 40 Bogengrad. Wenn der elliptische Abschnitt 28 (D-E) des Nutenrotors 10 auf dem erzeugten Abschnitt 52 (J-K) des Rippenrotors geschlossen ist (wie in gestrichelten Linien in der Fig. 3 gezeigt), dann bleibt der Druckwinkel dazwischen im wesentlichen unverändert.

Die Lage, d. h. der Beginn, die Ausmaße und die Enden des Evolventenabschnitts 26 und des elliptischen Abschnitts 28 sind für die Definition der genannten Druckwinkel kritisch. Zur vollständigen Offenbarung soll nun der Anfangspunkt des Evolventenabschnitts 26 erläutert werden. Der Nutenrotor 10 weist einen durch den Kreis 30 begrenzten Gesamtdurchmesser auf, wobei die Nuten 14 radial innerste Punkte aufweisen, die einen minimalen Nutendurchmesser 60 definieren. Der Evolventenabschnitt 26 erstreckt sich entlang der vorauseilenden Flanke ausgehend von dem Anfangspunkt C nach außen, wobei der Punkt C an einem Durchmesser gelegen ist, der im wesentlichen in der Mitte zwischen dem Gesamtdurchmesser 30 und dem minimalen Nutendurchmesser 60 liegt.

Der Evolventenabschnitt 26 endet am Teilkreis (bei D) und geht glatt angrenzend in den elliptischen Abschnitt 28 über. Dieser letztgenannte Abschnitt geht ebenfalls glatt anstoßend in den äußersten Kreisabschnitt 32 über.

Bei diesen 5/6-Rotorgestaltungen (d. h., ein Rippenrotor mit fünf Flügeln und ein Nutenrotor mit sechs Nuten) besteht ferner eine kennzeichnende Geometrie, die eine Funktion einer minimal zulässigen Rippenbreite, der Längen des elliptischen Abschnittes 28 und des Evolventenabschnitts 26 und der Zwischenfläche des erzeugten Abschnitts 34 und des Kreisabschnittes 22 ist. Die letztgenannte Zwischenfläche tritt am Punkt B auf und das voreilende Ende des elliptischen Abschnitts 28 ergibt sich am Punkt E (auf dem äußersten Durchmesser 30). Eine zwischen dem Zwischenpunkt B und dem genannten Ende E gezogene gerade Linie 62 muß nun im wesentlichen den Startpunkt C des Evolventenabschnitts 26 durchqueren.

Neben den verbesserten Druckwinkeln (wie vorstehend erwähnt) definieren die Rotorprofile Abdichtpunkte 64, 66 und 68 (Fig. 3), welche zusammenwirkend eine Tasche 70 komprimierten Gases bilden. Der Abdichtpunkt 64 ist im wesentlichen eine Oberflächenabdichtung von beträchtlicher Wirksamkeit. Er wird zwischen dem Evolventenabschnitt 26 des Nutenrotors 10 und dem erzeugten Abschnitt 50 des Rippenrotors erzielt. Die Abdichtpunkte 66 und 68 sind im wesentlichen Punktkontakt-Abdichtungen und haben daher nur begrenzte Wirksamkeit. Der Abdichtpunkt 66 ist durch die Grenzfläche des Punktes H auf dem Rippenrotor 38 mit der erzeugten Oberfläche 34 auf dem Nutenrotor 10 gebildet; der Abdichtpunkt 68 ist durch die Zwischenfläche bzw. Berührungsfläche des Punktes A auf dem Nutenrotor 10 mit der erzeugten Oberfläche 56 auf dem Rippenrotor definiert. Auf diese Weise arbeiten die Rotorprofile derart zusammen, daß sie die Tasche 70 mit einer derartigen Gestalt und Auswirkung begrenzen, daß auf den Nutenrotor 10 ein positives Drehmoment ausgeübt wird und daß die weniger wirksamen Abdichtpunkte 66 und 68 verbessert werden. Nachfolgend werden diese Eigenschaften näher erläutert.

Wie in der Fig. 3 gezeigt ist, führen die Rotoren entsprechend den auf ihnen gezeigten Pfeilen Drehungen aus, wobei sich der Nutenrotor 10 im Uhrzeigersinn bewegt und der damit zusammenwirkende Rippenrotor 38 entgegen dem Uhrzeigersinn. Die Tasche 70 ist als ein versetzter Halbmond definiert, um den größten Teil des Gasdrucks entlang eines wesentlichen Stücks der voreilenden Flanke der Rippe des Nutenrotors auszuüben, wobei diese im Uhrzeigersinn oder in Richtung positiven Drehmoments gedrückt wird. Übrigens übt der Taschengasdruck auch einen gleichen Druck auf die voreilende Flanke des Flügels des Rippenrotors aus. Die weniger sicheren Abdichtungen der Punkte 66 und 68 werden daher letztlich in engeren Eingriff miteinander bewegt oder vorgespannt, wodurch ihre kritische Abdichtung verbessert wird.

Das vorliegende Fachgebiet wird natürlich sehr intensiv bearbeitet, so daß Verbesserungen nur in sehr kleinen Schritten zu erwarten sind. Auch die Feinheiten der Profilverbesserungen, der Druckwinkel und der Geometrien können daher zunächst als von geringer innovativer Bedeutung erachtet werden. Solche Verfeinerungen sind jedoch wertvoll und stellen einen Fortschritt des Standes der Technik dar, wenn sie erwähnenswerte Verbesserungen der Maschinenleistung und Energieeinsparungen zur Folge haben. Die hierin beschriebenen neuartigen Profile sind derartige erwähnenswerte Verbesserungen. Die Fig. 4 zeigt Leistungskurven von relativ vergleichbaren Schraubenkompressoren, nämlich derzeit handelsüblichen Kompressoren, die mit den Indizes "G" und "K" bezeichnet sind. Die Kurve "I" wurden mit einem Prototyp der ersten Generation des allgemein durch die Erfindung definierten Schraubenkompressors ermittelt, während die Kurve "II" mit einem späteren Prototyp der zweiten Generation des Schraubenkompressors erzielt wurde, der ganz genau entsprechend der erfindungsgemäßen Lehre ausgebildet ist. Es ist vor allem anzumerken, daß der geringere Leistungseinsatz und der verhältnismäßig flache Verlauf der Kurve bei dem Kompressor der Kurve "II" den Fortschritt auf dem Fachgebiet klar herausstellen. Diese Verbesserungen ergeben sich durch die erfindungsgemäße Lehre hinsichtlich der neuen Profilverfeinerungen, der verbesserten Druckwinkel und der speziellen Profilgeometrien.

Zusätzlich zu den bereits vorstehend erwähnten, weist der Nutenrotor 10 insbesondere weitere spezielle Geometriemerkmale auf, die eine Leistungsfähigkeit herbeiführen. Beispielsweise umfaßt der von einem Mittelpunkt an dem voreilenden Punkt B der erzeugten Oberfläche 34 gezogene Kreisbogen 72, der den nacheilenden Punkt A (der erzeugten Oberfläche 34) unterteilt, einen Radius, der im wesentlichen genau gleich dem Zweifachen des Radius eines Kreisbogens 74 ist, der von einem Mittelpunkt am Anfangspunkt C des Evolventenabschnitts 26 gezogen ist, welcher den Anfangspunkt D des elliptischen Abschnitts 28 unterteilt. Der elliptische Abschnitt 28 schließt einen radialen Bogen 76 ein, der nicht kleiner als das Zweifache des radialen Bogens 78 ist, der vom Kreisbogen 36 eingeschlossen wird. Die Breite des Profils der Rippe bzw. der Rippen 12 an der radial äußersten Oberfläche (E-E₁) ist kleiner als ein Drittel der Breite quer über das Profil an der Stelle des Anfangspunktes C des Evolventenabschnitts 26.

Claims (5)

1. Nutenrotor (10) für eine Schraubenrotormaschine mit Nuten (14), die je eine voreilende Flanke (24) mit einem im Bereich des Teilkreises (16) ausgebildeten, sich bis zum Kopfkreis (30) erstreckenden konkaven Abschnitt (26, 28, 32, 36) und einem als konkaven Kreisbogen (22) ausgebildeten, sich etwa bis zur Flankenmitte erstreckenden achsnahen Abschnitt aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend an den Kreisbogen (22) ein bis zum Teilkreis (16) verlaufender Evolventenabschnitt (26) vorgesehen ist und daß der zwischen dem Teilkreis (16) und dem Kopfkreis (30) verlaufende Abschnitt (28) elliptisch ausgebildet ist.

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die voreilende Flanke (24) am Kopfkreis (30) in einen Kreisbogen (32) übergeht und am Übergang einen Flankenabschluß (E) definiert, daß der achsnahe Kreisbogen (22) sich in eine nacheilende Flanke hinein bis zu einem Endpunkt (B) erstreckt, und daß eine von dem Flankenabschluß (E) zu dem Endpunkt (B) gezogene gerade Linie (62) durch den in der Flankenmitte liegenden Anfangspunkt (C) des Evolventenabschnitts (26) hindurchläuft.

3. Rotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der am Kopfkreis (30) angeordnete Kreisbogen (32) in einem Punkt (E′) in einen weiteren Kreisbogen (36) übergeht, der andererseits in die nacheilende Flanke einer weiteren Nut (14) übergeht, und daß der Ellipsenabschnitt (28) sich von einem Punkt (D) auf dem Teilkreis (16) bis zu dem Flankenabschluß (E) über einen Winkel (76) um die Rotorachse (18) erstreckt, der nicht kleiner als das Zweifache desjenigen Winkels (78) ist, über den sich der weitere Kreisbogen (36) erstreckt.

4. Rotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die nacheilende Flanke einen erzeugten Abschnitt (34) aufweist, der sich von dem Endpunkt (B) des Kreisbogens (22) bis zu einem auf dem Teilkreis (16) liegenden Punkt (A) erstreckt und daß ein Kreisbogen, der einen Mittelpunkt an dem Punkt (B) des erzeugten Abschnitts (34) hat und der den auf dem Teilkreis (16) liegenden Punkt (A) des erzeugten Abschnitts (34) schneidet, einen Radius (72) aufweist, der im wesentlichen gleich dem Zweifachen des Radius (74) eines Kreisbogens ist, der seinen Mittelpunkt an dem Anfangspunkt (C) des Evolventenabschnitts (26) hat und der den auf dem Teilkreis (16) liegenden Punkt (d) des Ellipsenabschnitts (28) schneidet.

5. Rotor nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die voreilende Flanke (24) und die nacheilende Flanke der nächsten vorwärtsgelegenen Nut (14) zwischen sich eine Rippe (12) begrenzen, die am Kopfkreis (30) zwischen dem Flankenabschluß (E) und dem Punkt (E′) eine Breite aufweist, die geringer ist als ein Drittel ihrer Breite an der Stelle des Anfangspunktes (C) des Evolventenabschnitts (26).