DE4330085A1 - Rotationskolben für Verdrängerpumpen nach dem Roots-Prinzip für inkompressible Medien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft den Rotationskolben nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Verdrängerpumpen nach dem Rootsprinzip ist der Fördervolumenstrom normalerweise eine Funktion des Drehwinkels, d. h. der Fördervolumenstrom ist nicht konstant. Diese Volumenstromschwankung bedeutet bei der Förderung inkompressibler Medien, daß das Fördergut in dem angeschlossenen Leitungs­ system jeweils beschleunigt oder verzögert werden muß. Die zur Beschleunigung des Fördergutes notwendigen Kräfte führen zu entsprechenden Druck­ schwankungen im Leitungssystem, die wiederum zu erhöhten Maschinen- und Anlagenbelastungen führen und durch Schwingungsanregung einen erheblichen Anteil der Geräuschemission einer solchen Anlage verursachen. Da die Druckschwankungen je nach Pumpe und Anlage ohne weiteres die Größenordnung von ± 1 bar erreichen können, führen sie insbeson­ dere auf der Saugseite zu Kavitationsproblemen, so daß die Saugfähigkeit erheblich eingeschränkt sein kann.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Rotationskolben der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem ein vollständiger Ausgleich von Förderstromschwankungen möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich der erfindungsgemäße Rotationskolben durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aus. In den Ansprüchen 2 und 3 sind vorteilhafte Ausgestal­ tungen der Erfindung angegeben.

Der erfindungsgemäße Rotationskolben verringert die Förderstromschwankung dadurch, daß er im Gegen­ satz zu den bekannten Rotationskolben nicht geradeverzahnt sondern schrägverzahnt aufgebaut ist. Er besteht damit aus einer unendlich großen Anzahl infinitesimal langer Teilrotationskolben, die um einen infinitesimal kleinen Winkel gegen­ einander versetzt sind. Dadurch resultiert der Gesamtförderstrom aus der theoretischen Überlage­ rung einer unendlich großen Anzahl gegeneinander phasenversetzter Teilförderströme. Je nachdem, wie weit der Endquerschnitt des Rotors gegenüber dem Anfangsquerschnitt verdreht ist, kann die Pulsation des Gesamtförderstroms reduziert und im Idealfall ganz verhindert werden. Dieser Ideal­ fall tritt dann ein, wenn der Anfangsquerschnitt gegenüber dem Endquerschnitt genau um das ganz­ zahlige Vielfache einer Zahnteilung verdreht ist. Bei symmetrischen Zahnprofilen tritt dieser Ideal­ fall außerdem auch dann ein, wenn die Verdrehung des Anfangsquerschnitts gegenüber dem Endquer­ schnitt das ganzzahlige Vielfache einer halben Zahnteilung beträgt.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß ein erfin­ dungsgemäßer vollständiger Ausgleich von Förder­ stromschwankungen, wie er in Fig. 2 durch die Kurve 15 dargestellt ist, dann erreicht wird, wenn die Sprungüberdeckung bei symmetrischen Zahn­ profilen ein ganzzahliges Vielfaches von 0,5 und bei unsymmetrischen Zahnprofilen ein ganzzahliges Vielfaches von 1 ist. Ein teilweiser Ausgleich kann erreicht werden, wenn die Sprungüberdeckung von diesen Werten in einem gewissen Bereich abweicht.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, die zwei Ausführungsbeispiele des Gegenstands der Erfindung schematisch veran­ schaulicht.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt für eine Ver­ drängerpumpe nach dem Roots-Prin­ zip,

Fig. 2 ein Diagramm mit einer Auftragung des Volumenstroms gegen den Dreh­ winkel für eine einzelne sowie eine Parallelschaltung von Ver­ drängerpumpen nach dem Roots-Prinzip,

Fig. 3a einen Rotationskolben mit der Zähnezahl 4 in herkömmlicher Ausführung,

Fig. 3b ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotationskolbens mit der Zähnezahl 4 und der Sprungüberdeckung 1,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel von zwei erfindungsgemäßen Rotationskolben mit der Zähnezahl 3 und der Sprungüberdeckung 0,5 im Eingriff.

Wie zunächst aus Fig. 1 ersichtlich, haben Ver­ drängerpumpen nach dem Rootsprinzip prinzipiell eine achtförmige Eingriffslinie 7, deren Scheitel­ punkte S1, S2 die Schnittpunkte der Verbindungs­ linie der Achsmittelpunkte mit den Grundkreisen der Rotoren 2 sind, und deren Knotenpunkt in dem Berührungspunkt W der Wälzkreise 6 liegt. Daher sind die Extremwerte dieser Volumenstromschwankung nur vom Fußkreis- 4 und Kopfkreisdurchmesser 3 der Rotoren 2 abhängig. Lediglich der Verlauf des Förderstroms 10 zwischen diesen Extremwerten kann durch die Wahl der Verzahnungsgeometrie beeinflußt werden, wobei der Einfluß auf den aus der Förderstromschwankung resultierenden Druckver­ lauf gering ist. Die Eingriffslinie einer Pumpe ohne Förderstromschwankung dürfte nur Punkte enthalten, die auf einem Kreis 8 liegen, dessen Mittelpunkt der Berührungspunkt W der Wälzkreise 6 ist und dessen Durchmesser durch die Zahnhöhe der Rotoren bestimmt wird.

Ein Beispiel für solch eine Eingriffslinie ist das sogenannte Trommel- oder Kreiskolbenprofil, bei dem die Eingriffslinie nur aus den zwei Punkten S1, S2 besteht. In der Theorie erzeugt dieses Profil keine Volumenstromschwankung, jedoch ergibt sich in der Praxis eine Volumenstrom­ schwankung durch wechselnde Abdichtungsverhält­ nisse. Außerdem findet bei diesem Profil eine Rückförderung statt, die einerseits im Hinblick auf eine mögliche Fremdkörperbelastung des Mediums Probleme macht und außerdem zu Kavitationsproblemen im Rückförderraum führt.

Rotationskolbenprofile ohne Rückförderung, wie sie für Verdrängerpumpen nach dem Rootsprinzip normalerweise eingesetzt werden, da nur mit ihnen eine Förderung inhomogener bzw. fremdkörperbe­ lasteter Medien möglich ist, haben eine Eingriffs­ linie, die immer durch den Wälzpunkt W und die Punkte S1, S2 geht, erzeugen damit Förderstrom­ schwankungen, wie sie beispielsweise in Fig. 2 dargestellt und mit 10 bezeichnet sind.

Es ist möglich, die Volumenstromschwankung dadurch zu reduzieren, daß man den Rotor in mehrere Teilstücke zerlegt, die dann jeweils mit einem Winkelversatz zum vorhergehenden Teilstück auf eine Welle montiert werden. Um jedoch insbesondere bei der zweiflügeligen Rotorenbauart die Abdichtung zwischen Saugseite und Druckseite zu gewährleisten, ist es bei dieser Methode notwendig, zwischen den Teilstücken eine Trennwand einzubauen, so daß im Endeffekt mehrere separate Pumpenräume entstehen. Dieses Prinzip entspricht also der Parallelschaltung mehrerer Hubkolben auf einer Kurbelwelle mit entsprechendem Winkelversatz im Bereich der Hubkolbenmaschinen. Entsprechend führt - wie in Fig. 2 veranschaulicht - auch bei der Roots-Maschine die Parallelschaltung mehrerer Pumpenräume durch die Überlagerung der Volumen­ ströme 10, 11 zu einer Reduzierung der Schwankung des resultierenden Volumenstromes 12, jedoch bedeutet diese Unterteilung gleichzeitig eine erhebliche Vergrößerung der Spaltverluste und damit eine wesentliche Verschlechterung des volumetrischen Wirkungsgrades. Durch die Vergröße­ rung der Reibflächen zwischen Rotoren und Gehäuse wird zusätzlich das Leerlaufdrehmoment und der Verschleiß erhöht. Außerdem steigt der Fertigungs­ aufwand durch die Vergrößerung der Teilezahl und den dadurch bedingten höheren Toleranzaufbau.

Um eine vollständige Abdichtung zwischen Saug- und Druckseite zu erreichen, darf die Summe aus dem Winkel einer Zahnteilung und dem Verdrehwinkel zwischen Anfangs- und Endquerschnitt nicht den Winkel überschreiten, auf dem das Gehäuse den Rotationskolben dichtend umschließt (siehe Fig. 1). Bei Rotationskolbenzähnezahlen von 2 und 3 bedeutet dies, daß je nach Gehäusewinkel nur ein Teilaus­ gleich möglich ist, bzw. bei der Zähnezahl 3 für einen Vollausgleich ein symmetrisches Zahnprofil verwendet werden muß.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Rota­ tionskolbens ist, daß er prinzipiell zur gleich­ förmigen Übertragung von Drehbewegungen geeignet ist. Bei geeigneter Wahl von Verzahnungsgeometrie, Rotationskolbenwerkstoff und Sprungüberdeckung ist er daher dazu geeignet, daß in Verdrängerpumpen nach den Roots-Pinzip vorhandene Synchronisations­ getriebe zu entlasten oder vollständig zu ersetzen. Dies bietet sich vor allem für schwach belastete Maschinen wie z. B. Umwälzpumpen oder Volumenzählern an.

Claims (3)

1. Rotationskolben für Verdrängerpumpen nach dem Roots-Prinzip für inkompressible Medien, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationskolben schrägverzahnt ist und die aus dem Schrägungswinkel und der Rotationskolbenbreite resultierende Sprungüberdeckung bei symmetrischen Zahnprofilen vorzugsweise ein ganzzahliges Vielfaches von 0,5 und bei unsymmetrischen Zahnprofilen vorzugsweise ein ganzzahliges Vielfaches von 1 ist.

2. Rotationskolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Zähnezahl, Schrägungswinkel, Kolbenbreite und Gehäuse derart aufeinander abge­ stimmt sind, daß eine Abdichtung zwischen Saugseite und Druckseite jederzeit gewährleistet ist.

3. Rotationskolben nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägver­ zahnung V-förmig ausgebildet ist.