-
Die vorliegende Erfindung betrifft
Drehverdrängermaschinen mit wendelförmigen oder
schraubenförmigen Rotoren, die normalerweise als
Fluidverdichter, wie zum Beispiel Luftverdichter,
verwendet werden, und Rotoren zur Verwendung in solchen
Maschinen. Die Erfindung betrifft Trockenlauf-
Schraubenverdichter, bei denen kein Schmieröl durch die
Arbeitszonen der Maschine fließt und die Rotoren durch
Steuerräder, die sich außerhalb der Arbeitskammern der
Rotoren befinden und gestatten, daß sich die Rotoren
drehen, ohne miteinander in Kontakt zu kommen,
gesteuert werden. Dies steht im Gegensatz zu Naßlauf-
Schraubenverdichtern, bei denen einer der Rotoren (in
der Regel der Steckrotor) den anderen Rotor in Eingriff
nimmt und antreibt und wobei zur Erleichterung dieses
Antriebsvorgangs in diesem Fall Schmieröl durch die
Rotoren der Maschine geleitet wird - ein solcher
Naßlauf-Schraubenverdichter wird in der US-PS 4 673 344
beschrieben. Das Rotorprofil einer solchen Maschine muß
deshalb geeignete Antriebsflächen bereitstellen.
-
Die obengenannte Trockenlauf-Rotationsmaschine
enthält ein Gehäuse mit mindestens einem Paar sich
schneidender Bohrungen darin. An einander
gegenüberliegenden Enden der Gehäusebohrungen sind
Einlaß- und Auslaßöffnungen vorgesehen. Ein Rotor
zur Drehung in jeder der Bohrungen angebracht.
-
Einer dieser Rotoren ist ein Steckrotor, der
einen oder mehrere schraubenförmige Flügel und
dazwischenliegende Nuten enthält, die im wesentlichen
außerhalb des Teilkreises davon liegen, wobei die
Flanken der Flügel ein allgemein konvexes Profil
aufweisen.
-
Der andere Rotor ist ein Aufnahmerotor und so
ausgebildet, daß er einen oder mehrere schraubenförmige
Flügel und dazwischenliegende Nuten enthält, die im
wesentlichen innerhalb des Teilkreises davon liegen,
wobei die Flanken der Nuten ein allgemein konkaves
Profil aufweisen.
-
Die Flügel am Steckrotor wirken mit den Nuten
am Aufnahmerotor und den Wänden des Gehäuses zur
Definierung von Kammern für das Fluid zusammen. Diese
Kammern können als V-förmig betrachtet werden.
-
Fluid tritt durch die Einlaßöffnung in die
Gehäusebohrungen ein und füllt die Hohlräume, die
erzeugt werden, wenn die Rotoren den Eingriff auf der
Niederdruckseite der Rotoren verlassen. Normalerweise
füllt das Fluid die erzeugten Kammern weiter, bis die
Kammern ein maximales Volumen erreichen. Dann wird die
Verbindung der Füllkammer mit der Einlaßöffnung
unterbrochen, und das Gas wird in der Kammer
komprimiert. Die Kammergrenzen bestehen aus den
vorderen und den hinteren Flanken der Steck- und
Aufnahmeflügel und der Bohrungen, in denen sich die
Rotoren drehen.
-
Bei einem Trockenlauf-Schraubenverdichter
dürfen sich die Rotoren nicht berühren und stehen
deshalb mit einem kleinen Zwischenraum zwischen den in
Eingriff stehenden Flanken der Rotoren und zwischen den
Rotorspitzen und dem Gehäuse miteinander in Eingriff.
Diese Zwischenräume verursachen Leckwege, durch die die
gerade komprimierten Gase von einer Kammer zur anderen
entweichen können.
-
Ein Leckweg ist die Dichtungslinie zwischen
benachbarten Steck- und Aufnahmerotorflanken, wenn die
Rotoren in Eingriff stehen. Das Produkt aus der Länge
dieser Linie und dem erforderlichen Zwischenraum bildet
einen Leckweg, wie im US-Patent 2 622 787 beschrieben.
-
Ein weiterer wichtiger Leckweg befindet sich
zwischen den Rotorspitzen und der Gehäusebohrung,
insbesondere bei dem sich langsamer drehenden Rotor,
wobei dann Leckströmung während einer relativ langen
Zeit auftreten kann. Die Breite der Rotorspitzen ist
ein wichtiger Faktor, da dadurch die Länge des Weges,
durch den das Gas vor Lecken in eine benachbarte Kammer
strömen muß, definiert wird. Ein langer Weg sorgt für
ein effektives Mittel zur Verringerung von Leckage.
-
Ein dritter Hauptleckweg ist der Kanal zwischen
den Steck- und Aufnahmerotoren und dem Spitzpunkt der
sich schneidenden Rotorbohrungen, der manchmal als
Blasloch oder Leckdreieck bezeichnet wird. Dieses
Blasloch tritt an beiden Spitzpunkten auf, wo die
Rotoren in Eingriff stehen.
-
Zu den bekannten Rotorprofilen gehört eines,
bei dem die Flanken jedes Rotors im wesentlichen aus
einem Kreisbogen gebildet sind. Ein solches Profil, das
in dem US-Patent 2 622 787 beschrieben wird, ergibt
eine kurze Dichtungslinie, führt aber zu einem großen
Blasloch. Ein anderes weithin verwendetes Profil ist
das asymmetrische Profil, das auch in dem US-Patent
2 622 787 beschrieben wird. Bei diesem Profil wird eine
Flanke jeder Aufnahmerotornute als Kreisbogen oder
Abschnitt einer Ellipse definiert. Die verbleibende
Aufnahmeflanke wird durch Punkte nahe der Außenseite
der in Eingriff stehenden Steckflanke erzeugt. Beide
Stecknutenflanken werden durch Punkte am Aufnahmerotor
erzeugt. Die Vorteile, die diesem asymmetrischen Profil
zugeschrieben werden, bestehen darin, daß es die Größe
des Blaslochs an einem Spitzpunkt verringert und daß
die gebildeten Kammern bei einem gegebenen
Rotordurchmesser ein großes Volumen aufweisen. Dieses
Profil weist ein großes Blasloch an dem anderen
Spitzpunkt auf; dies ist aber ohne Bedeutung, wenn die
Maschine als einfacher Verdichter oder einfache
Expansionsmaschine verwendet wird, bei dem bzw. der
Verdichtung oder Expansion nur auf einer Seite
auftritt. Bei Verwendung in ölgeschmierten Verdichtern
muß ein Rotor den anderen durch Kontakt zwischen den
Flügelflächen antreiben. Dazu muß der Aufnahmerotor
normalerweise einen bedeutenden Zahnkopf aufweisen, das
heißt, der Außendurchmesser des Aufnahmerotors ist
bedeutend größer als der Teilkreis, und die Flanken
beider Rotoren müssen glatte Kurven zur Übertragung der
Antriebskraft aufweisen. Der Zahnkopf des
Aufnahmerotors ist normalerweise konvex gekrümmt und
wird gewöhnlich durch einen Radius, der die Flanke mit
der Spitze verbindet, gebildet, wie im US-Patent
2 622 787 und GB-Patent 2 112 460 gezeigt. Dieser
Radius vergrößert die Größe des Blaslochs und führt zu
einer Rotorspitze mit geringer Breite, die somit einen
kurzen Leckweg aufweist. Das Vorsehen von
Antriebsflanken erfordert normalerweise auch, daß der
Steckrotor an der Spitze abgerundet ist und in der
Regel einen die Flanken mit der Spitze verbindenden
Radius aufweist, wodurch das Blasloch weiter vergrößert
wird. Der Verdichter nach GB-A-2 112 460 weist wie der
nach US-A-2 622 787 mit Flügeln versehene, in Eingriff
stehende Steck- und Aufnahmerotoren auf, und in diesem
Fall weist der Steckflügel ein asymmetrisches
Querprofil mit Flanken, die verschiedene
Krümmungsmittelpunkte haben, auf, während die Flanken
des Aufnahmeflügels auch ein asymmetrisches Querprofil
mit verschiedenen Krümmungsmittelpunkten definieren.
-
Normalerweise herrscht, wenn die Maschine nur
als Verdichter betrieben wird, kein Differenzdruck
zwischen benachbarten Kammern auf der Einlaßseite
(Niederdruckseite) der Rotoren; die Bohrungen können in
der Tat von den Rotorspitzen in schalenförmigen
Ausnehmungen zurückversetzt sein und eine
Strömungsverbindung zwischen benachbarten Flügeln
gestatten, wodurch sich eine bessere Flügelfüllung auf
der Einlaßseite ergibt. Die Blaslochgröße auf der
Auslaßseite (Hochdruckseite) wird zur Erleichterung
einer effizienten Verdichtung des Fluids auf ein
Minimum beschränkt. Wenn die Maschine nur als
Expansionsmaschine betrieben wird, ist die Strömungs-
und Drehrichtung der Rotoren umgekehrt. Die
Blaslochgröße auf der Einlaßseite (Hochdruckseite) wird
zur Erleichterung einer effizienten Expansion des
Fluids auf ein Minimum beschränkt. Das Erfordernis der
Abdichtung auf der Auslaßseite ist weniger kritisch,
und das Profil ist nicht zur Erleichterung einer
effizienten Abdichtung in diesem Bereich ausgeführt.
-
Bei einer Maschine, die gleichzeitig als
Expansionsmaschine und Verdichter betrieben wird,
findet die Expansion auf einer Seite der Maschine und
die Verdichtung auf der anderen Seite statt. Sowohl das
Einlaßseitenblasloch als auch das Auslaßseitenblasloch
sollten deshalb auf ein Minimum beschränkt werden, um
Leckage zwischen benachbarten Flügeln zu vermindern.
Eine solche Anwendung, bei der die Schraubenmaschine
gleichzeitig als Expansionsmaschine und Verdichter
verwendet werden würde, wäre die Regelung des
Massenluftstroms, der einem Verbrennungsmotor zugeführt
wird, als Ersatz für die Drosselklappe. Die Luft wird
innerhalb der Expansionsmaschine/des Verdichters
expandiert, dann wieder verdichtet und dem Motor
zugeführt.
-
Dem im GB-Patent 1 145 893 vorgeschlagenen
Rotorprofil wird zugeschrieben, das Blasloch auf beiden
Seiten des Rotoreingriffs zu verkleinern. Es weist
Flügel auf, die zu einer radial von der
Rotormittellinie verlaufenden Linie symmetrisch sind.
Der Steckrotorflügel weist nach der Beschreibung einen
gekrümmten Außenteil auf, der über die Flanke in die
Spitze übergeht, wobei der Rest der Steckrotorflanke
durch Punkte auf dem Aufnahmerotor erzeugt wird. Der
gekrümmte Teil erzeugt den Großteil der
Aufnahmerotorflanke mit Ausnahme eines Teils in der
Nähe der Spitze, der konvexer Beschaffenheit ist und
normalerweise als ein Segment eines über die Flanke in
die Spitze übergehenden Bogens hergestellt ist. Da der
Großteil der Rotorflanken erzeugt wird, ist das
Blasloch im Vergleich zu anderen bekannten Profilen,
wie zum Beispiel dem oben beschriebenen Kreisprofil,
verkleinert. Da die Flügel symmetrisch sind, ist das
Blasloch des weiteren auf beiden Seiten gleich. Das
Vorsehen konvexer, gekrümmter Teile an den Steck- und
Aufnahmerotoren zwischen den erzeugten Flanken und dem
Rotorspitzenkreis bedeutet jedoch, daß die Rotoren an
den Spitzpunkten nicht perfekt in Eingriff stehen und
immer noch ein Blasloch gebildet wird, wie in Fig. 9
des Patents gezeigt. GB-A-1 145 893 liefert den
Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1.
-
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
in der Herstellung eines Profils, das das Leckage-
Blasloch auf der Einlaßseite und am Auslaß gleichzeitig
beseitigt. Eine weitere Aufgabe besteht in der
Verminderung der Leckage zwischen den Rotorspitzen und
der Bohrung durch Maximierung der Länge des Leckwegs
quer über die Spitzen.
-
Diese Aufgabe wird durch Vorsehen einer
Drehverdrängermaschine mit den in Anspruch 1
aufgeführten Merkmalen gelöst.
-
Vorzugsweise weist der sich langsamer drehende
Rotor (in der Regel der Aufnahmerotor) an den Flügeln
einen Umfangssteg mit relativ breiter Form auf, die
einen langen Leckweg zwischen den Umfangsstegen und dem
Gehäusemittel bildet.
-
Das Rotorgrundprofil ist eine Kombination aus
Punkt- und Linienerzeugung mit symmetrischer
Beschaffenheit.
-
Im folgenden werden Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die
beigefügten Zeichnungen beschrieben; es zeigt:
-
Fig. 1 eine Draufsicht einer Verdränger-
Schraubenmaschine;
-
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Rotoren der
Maschine, der die Rotorprofile in ihrer Verwendung in
einem Motorlader/einer Expansionsmaschine zeigt; und
-
Fig. 3 das Profil nach Fig. 2 in einem
größeren Maßstab zur Hervorhebung des Rotorprofils, und
-
Fig. 4 eine Einzelheit von Fig. 1.
-
Auf Fig. 1 Bezug nehmend, umfaßt ein
Schraubenverdichter oder eine Schraubenpumpe 1 einen
Steck- und einen Aufnahmerotor 2, 3, die miteinander in
Eingriff stehen und schraubenförmige Flügel 4 bzw. 5
aufweisen, die in einem Gehäuse 6 untergebracht sind.
Jeder der Flügel 4, 5 weist eine vordere (4L bzw. 5L)
und eine hintere Fläche (4T bzw. 5T) auf.
-
Die Wellen der Rotoren 2, 3 werden von Lagern 7
getragen, während ein (nicht gezeigter) Antrieb mit
einer der Wellen 8 verbunden werden kann. Zahnräder 9,
10 dienen dem Einzelantrieb der Rotoren 2, 3 im
Unterschied zu einer Anordnung, bei der einer der
Rotoren über Flügeleingriff direkt von dem anderen
angetrieben wird. Dadurch kann die Maschine 1 in einem
Trockenmodus, das heißt ohne Schmiermittel in den
Rotoren, betrieben werden, da keine Drehmoment-(Kraft)-
Übertragung zwischen den Rotoren erforderlich ist, und
dies ist vorteilhaft für die bestimmten Anwendungen,
die für Verdichter-(Pumpen-)Maschinen gemäß der
vorliegenden Erfindung beabsichtigt sind.
-
Die Fig. 2 und 3 zeigen das für den Lader
eines Verbrennungsmotors bevorzugte Rotorprofil. Das
Profil des Steckflügels 4 weist eine raffinierte,
symmetrische Form auf, das heißt es unterscheidet sich
von einem einfachen halbkreisförmigen (symmetrischen)
Profil, wobei an der Mittelachse M-M Symmetrie besteht
und die Profilkurven verschiedene Krümmungsmittelpunkte
aufweisen.
-
Die Ausführung des Rotorprofils läßt sich wie
folgt kategorisieren:
-
1. Ein Kreisprofil, das bei Luft- und
Gasverdichtern üblich ist, weist den Vorteil auf, daß
keine eingeschlossenen Taschen vorhanden sind, die ein
negatives Drehmoment erzeugen. Infolgedessen kann die
Flügeldicke des Aufnahmeteils vermindert werden,
wodurch sich der volumetrische Wirkungsgrad erhöht. Die
Länge der Dichtungslinie wird auf ein Minimum
beschränkt, wodurch Leckage verringert und der
volumetrische Wirkungsgrad wieder verbessert wird.
-
Einer der Hauptnachteile eines Kreisprofils
besteht jedoch darin, daß das Verdrängungsvolumen im
Vergleich zu einem erzeugten Profil kleiner ist. Ein
weiterer Nachteil besteht darin, daß eine
Blaslochabdichtung bei einem einfachen Kreisprofil
nicht optimiert ist.
-
2. Erzeugte Profile können entweder punkt-
oder linienerzeugt sein. Ein Profilabschnitt oder
-punkt auf entweder dem Steck- oder dem Aufnahmerotor
erzeugt das entsprechende Profil auf dem damit in
Eingriff stehenden Rotor. Die Vorzüge eines
punkterzeugten Profils liegen darin, daß die
Blaslochgröße vermindert werden kann und das Volumen
des Fluids, das verdrängt werden kann, größer ist als
bei einem vergleichbaren Kreisprofil. Jedoch wird die
Dichtungslinienlänge größer sein.
-
Normalerweise ist das erzeugte Profil
asymmetrischer Beschaffenheit, um das Blasloch auf
einer Seite der Maschine zu minimieren und die
Verdrängung gleichzeitig zu maximieren. Dadurch bietet
es den besten Kompromiß bei einer normalen Verdichter-
oder Expansionsmaschinenanwendung.
-
Die Flügelprofile der vorliegenden Maschine 1
werden durch einen gleichzeitig erfolgenden
Erzeugungsprozeß erhalten, das heißt die Profilform
eines Flügels wird durch die durch einen Punkt oder
eine Linie an dem anderen, in Eingriff stehenden Flügel
bei seiner Bewegung umfahrene Linie erzeugt.
-
Bei dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel kann das
Profil wie folgt zusammengefaßt werden:
-
Bei dem Aufnahmerotor 3: der Teil RS wird durch
den Steckspitzenteil erzeugt, SV wird durch Punkt N
erzeugt, und VW ist eine Gerade.
-
Bei dem Steckrotor 2: der Teil NP wird durch
Punkt V an Rotor 3 erzeugt, der Teil PQ wird durch
Linie VW an Rotor 3 erzeugt, während QT durch Punkt W
erzeugt wird.
-
CMP und CFR sind Teilkreise des Steck- bzw.
Aufnahmerotors, während CMO und CFO die entsprechenden
Außenkreise sind.
-
Die Teile VW an den gegenüberliegenden
Flügelflanken des Aufnahmerotors 3 divergieren am
Umfang des Rotors, um die Herstellung des Rotors zu
erleichtern.
-
Im Betrieb der Maschine 1 wird Gas durch
Reaktion gegen die schließenden Flügelflanken bei der
Drehung der Rotoren 2, 3 verdichtet, und das
verdichtete Gas versucht, über etwaig vorhandene
Leckwege zu entweichen. Eine solche Leckstrecke wird
durch Blaslöcher oder Leckdreiecke gebildet, die in dem
in Fig. 1 mit B markierten Bereich auftreten. Fig. 4
zeigt die Einzelheit in einem größeren Maßstab mit
Blickrichtung in Axialrichtung der Maschine. Die
Blaslöcher sind sowohl auf der Hochdruck- als auch der
Niederdruckseite der Maschine vorhanden; wenn jedoch
die Maschine als gewöhnlicher Gasverdichter mit einer
eingestellten Betriebsrichtung betrieben wird, ist
Leckage nur über eine Seite (die Hochdruckseite)
kritisch, und die Größe der Blaslöcher an der anderen
Seite ist nicht wirklich kritisch. Wenn die Maschine
jedoch sowohl als Verdichter (insbesondere als Lader)
und separat in einem Expansionsmodus betrieben wird,
wie zum Beispiel bei einem Verbrennungsmotor gemäß der
Beschreibung des US-Patents 4667646 angeordnet, dann
ist es wünschenswert, daß die Blaslochgröße auf beiden
Seiten auf ein Minimum verkleinert wird. Die oben
beschriebene Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung
ermöglicht, insbesondere dank des Rotorprofils, eine
Verkleinerung der Blaslochgröße auf beiden Seiten im
Vergleich zu Maschinen nach dem Stand der Technik.
-
Ein weiteres Merkmal des Profils besteht darin,
daß der Umfangssteg 12 an mindestens einem der Rotoren
2, 3 relativ breit sein kann und so eine Drosselspalte
zwischen dem Rotor und dem Gehäuse 6 bildet, wodurch
Leckage über diesen Weg vermindert wird; bei dem Profil
nach Fig. 2 ist der Umfangssteg an dem sich langsamer
drehenden (Aufnahme)-Rotor relativ breit. Somit wird
die Leckage zwischen den Rotorspitzen 12 und der
Bohrung des Gehäuses 6 durch die vorliegende Erfindung
vermindert.
-
Zur genauen Einlaßluftstromsteuerung kann die
obige Maschine 1 vorteilhafterweise mit einer
geeigneten Einlaßöffnung mit verstellbarer Fläche
versehen werden.