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Drehkolbenmaschine mit Schraubenrädern Die vorliegende Erfindung betrifft
Rotationsmasdhinen vom Zahnradtyp mit zwischen den Zahnrädern und einem diese umgebenden
Gehäuse befindlichen Zwischenräumen, durch die das Arbeitsmedium bei der Rotation
der Zahnräder geleitet wird. Die Rotationsmaschine kann dabei als Kompressor für
die Komprimierung eines gasförmigen \lediums oder als Motor zur Arbeitserzeugung
ausgebildet sein. Rotationsmaschinen dieser Art sind beispielsweise beschrieben
im amerikanischen Patent 2 174 522. Die Zahnräder und in erster Linie diejenigen
mit konkaven Zahnnuten sind gemäß diesem Patent mit unterschnittenen und in ihrer
Längsrichtung schraubenförmig gedrehten Zähnen oder Gewindegängen ausgebildet. Die
Gewindeganglänge ist so im Verhältnis zur Gewindegangsteigung bemessen, daß der
Gang nicht einen ganzen Umfang einnimmt, und die Kompression des :yrheitsmediums
(bei Kompressoren) findet im Gangzwischenraum statt, der nach dem Ablauf zu von
der Stirnwand des Gehäuses abgeschlossen wird. Die Tiefe der Gangnuten soll mit
Rücksicht auf die Kapazität der Rotationsmaschine möglichst groß sein. Mit Rücksicht
auf die dynamischen und volumetrischen Verluste in der 'Maschine hat man hei gewisser
Gangtiefe nicht die Möglichkeit, die Zahnräder nur mit Hinsicht auf ihre Festigkeit
zu dimensionieren. Der Außendurchmesser der Zahnräder wird daher in der Praxis abhängig
von der Gangzahl. Dies führt einerseits mit sich, daß die Schraubenräder mit konkaven
Gangnuten bei geringer Anzahl, z. B. bei drei Gängen, zu sclllwach
werden,
um den radial auf sie vom Arbeitsmedium wirkenden Druck bei der Arbeit der Maschine
aushalten zu können. Man kann daher aus Festigkeitsgründen genötigt sein, die Ganganzahl
zu vergrößern, obwohl dies bei den bekannten Ausführungen des in Rede stehenden
Typs auf die Eigenschaften der Maschine in anderen Hinsichten ungünstig einwirkt.
Die Erfindung geht von dieser an und für sich weniger vorteilhaften Ausführung aus,
um eine Rotationsmaschine zu schaffen, bei der in Rede stehender Nachteil beseitigt
ist und die größere Kapazität bei gleichzeitiger Herabsetzung der Verluste besitzt.
Dies wird im wesentlichen dadurch erreicht, daß die Zähne in ihrer Längsrichtung
schraubenförmig gewunden sind, vorzugsweise mit einem Umfangwinkel von weniger als
36o°', daß die Zahnräder so angeordnet sind, daß sie eine Volumenänderung der zwischen
ihnen befindlichen Zwischenräume herbeiführen, während diese bei der Arbeit der
Maschine sowohl vom Einlaß wie Ablauf des Arbeitsmediums getrennt sind, und daß
zu jedem Seitenzahnrad ein besonderer Einlaß und ein besonderer Ablauf in dem die
Zahnräder umgebenden Gehäuse gehört. Gemäß der Erfindung werden die Abmessungen
der Rotationsmaschine für gewisse Kapazitäten geringer als bei den bekannten Ausführungen,
und hierzu trägt auch der Umstand bei, daß man die Zahnräder mit größerer Geschwindigkeit
antreiben kann. Dadurch, daß das mittlere Zahnrad zwei oder mehr Gewindezwischenräume
besitzt, die gleichzeitig arbeiten, werden die Transportwege des Arbeitsmediums
und: die dynamischen Verluste wie auch die Verluste durch Leckage geringer. Es ist
vorteilhaft, das Zwischenzahnrad mit doppelt so vielen oder noch mehr Zähnen als
die Seitenzahnräder auszubilden. Das Zwischenzafhnrad hat vorzugsweise konkave Zähne
oder Gänge, von denen mindestens sechs vorhanden sind. Die Erfindung führt auch
den Vorteil herbei, d;aß man in ein und derselben Maschine z. B. ein Arbeitsmedium
auf zwei oder mehr verschiedene Drücke komprimieren kann. Die Erfindüng soll im
folgenden an Hand, der in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele näher beschrieben
werden, wobei auch weitere Erfindungsmerkmale angegeben werden sollen. In Fig. i
ist ein horizontaler Längsschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgeführten Schrauben,radkompressor
im Schnitt nach der Linie 1-I von Fig. 2 gezeigt; Fig. 2 ist ein Querschnitt nach
der Linie II-II von Fi.g. i ; Fig. 3 ist ein Querschnitt nach der Linie 111-11I
von Fig. i ; in Fig. 4 ist ein zum Kompressorgehäuse gehörender Enddeckel gezeigt,
in Projektion gemäß der Linie IV-IV von Fig. i gesehen; Fig.5 zeigt den Kompressor
in einer Außenansicht von oben; Fig.6 ist ein schematischer Querschnitt der Schraubenräder
des Kompressors; Fig. 7 zeigt sc'hli,eßlich eine andere Ausführungsform eines Schraubenradkompressors
gemäß der Erfindung von oben gesehen, wobei gewisse Teile weggeschnitten sind.
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In der Ausführungsform gemäß Fig. i bis 6 bezeichnet io ein mittleres
Schraubenrad mit unterschnittenen konkaven Gängen 12, mit dem im vorliegenden Fall
zwei Seitenschraubenräder 14, 16 mit konvexen Gängen 18 im Eingriff stehen. Die
Zahl der seitlichen Schraubenräder kann jedoch größer als zwei sein. Das mittlere
Schraubenrad io hat vorzugsweise mindestens sechs, im vorliegenden Fall sieben durch
Gangnuten 20 getrennte Gänge. Die Seitenschraubenräder 14, 16 haben bei der gezeigten.
Ausführungsform drei Gänge 18, doch kann die Zahl auch größer sein. Die Zahl der
Gänge des Schraubenrades io ist zweckmäßig doppelt so groß oder noch größer als
die der Schraubenräder 14, 16. Die Form der Gänge 12, 18 bzw. der Nuten 2o ist in
obengenanntem Patent näher beschrieben worden, auf «-elches zu deren näherer Beschreibung
hingewiesen wird. Die Flanken der untereinander gleich ausgeführten Gänge i8 haben
somit vorzugsweise teils die Form von Kreisbögen und teils von Epizykloiden, die
von der mit den entsprechenden Flanken zusammenwirkenden Außenkante der Gangnut
2o des mittleren Schraubenrades io bestimmt und erzeugt werden. In entsprechender
Weise sind die Gangnuten 2o geformt, so daß eine bestmögliche Dichtung zwischen
den Schraubenrä.dern erhalten wird. Die Schraubenräder io, 14, 16 haben vorzugsweise
zylindrische Form, und deren Gänge verlaufen in schrägem Winkel, wie inisbesondere
aus Fig. i hervorgeht und weiter unten näher erklärt werden wird.
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Die Schraubenräder sind mit einem kleinen Dichtungsspalt in einem
Gehäuse 22 eingeschlossen. Sie sind an den Enden mit Zapfen 24 versehen bzw. verbunden,
die in Löcher 49 (Fig. 3 und :4) des Gehäuses bzw. dessen Deckel 26 eingeschoben
sind und, von Lagern 28 getragen werden. In Fig. i hat .das mittlere Schraubenrad
io einen aus dem Gehäuse 'herausragenden Teil 30, über den das Antriebsmoment von
einem Antriebsorgan, z. B. einem Motor, über Zahnräder 31, 33 auf die Seiten schraubenräder
14, 16 übertragen wird. Es kann jedoch auch das eine oder andere der Seitensahraubenräder
statt dessen antreibend sein., indem es mit .aus dem Gehäuse herausragenden Zapfen
ausgebildet, wird, wie dies bei 32 in Fig. i mit strichpunktierten Linien angedeutet
ist. Welche Antriebsweise angewandt werden soll, hängt von der Geschwindigkeit des
Antriebsmotors ab, da die Seitenschräubenräder schneller umlaufen als das mittlere
Schraubenrad.
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Das mittlere Schraubenrad io und das Seitenschraubenfad 14 einerseits
und-das Schraubenrad io und das Seitenschrauhenrad 18 andererseits besitzen je einen
Einlaß und Ablauf, deren Arnschlußstutz"en an das Gehäuse 22 mit 34, 36 bzw. mit
38, 4o .bezeichnet sind. Die beiden Einlässe 34, 38 sind an der gleichen Endwand
des Kompressorgehäuses, jedoch an entgegengesetzten Seiten desselben gelegen. Das
gleiche gilt für die Abläufe 36, 40, die an der anderen Stirnwand des Kompressorgehäuses
liegen.
Die Kompression des nachfolgenden Mediums erfolgt in den von den Schraubenrädern
gebildeten Zw-lsdlienräumen, die radial nach außen durch das Gehäuse 22 und nach
dem Ende zu durch dessen ebene Stirnwände begrenzt werden. Um günstige Einströmverhältnisse
zu erhalten, geht der Einlaßstutzen 34 in eine Ausnehmung 42 des Deckels 26 über,
deren Umriß an der Innenwand des Deckels der des Zwischenraumes zwischen den Sdliraul)enrädern
io und 14 in dem Augenblick entspricht, in dem .die Einströmung des gasförmigen
Mediums abgeschlossen wird. Der Einlaßstutzen 38 geht in eine Ausnefmung .44 von
gleicher Form im Deckel 26 über. Die Einströmung des Gases kann vorzugsweise auch
radial erfolgen, wie aus Fig. 5 hervorg;lit, in der ein Teil der Schraubenräder
io, 16 unmittelbar unter dem Rohrstutzen 38 sichtbar sind. Auc'li an der Ablaufseite
des Kompressors besitzt die Stirnwand,des Gehäuses Aus.nehmungen 46, 48, deren Umrisse
denen der Gangzwischenräume entsprechen, die von den entsprechenden Schraubennuten
in den Schrauben:radpaaren io, 14 und io, 16 gebildet werden, so daß einehinsichtlich
der Strömung günstige Verbindung mit dem Ablaufstutzen erhalten wird, wenn die Kompression
gegen die Stirnwand den gewünschten Wert erreicht hat. Das komprimierte Gas geht
auch radial durch Öffnungen 5o bzw. 52 ab, deren Lmriß zumindest annähernd der Dichtungslinie
zwischen den Gängen eines Schraubenradpaares entspricht.
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Bei der Arbeit des Kompressors entstehen zwischen den Gängen und dem
Gehäuse einschließlich dessen Stirnwandungen voneinander getrennte geschlossene
Räume, in denen die Kompression des Gases stattfindet. Das z. B. durch den Einlaß
38 kommende gasförmige Medium wird somit zwischen den ineinander eingreifendenGängen
der Schraubenräder io und 16 nach dem Ablauf 40 geführt. Ein Teil dieses Mediums
wird jedoch durch Zwischenräume geführt, die von dem mittleren. Schraubenrad io
und .dem Seitenschrau'benrad 14 sowie dem zwischen den Kanten 54 und 56 gelegenen
zylindrischen Teil des Gehäuses begrenzt werden. Dieser Teil des Arbeitsmediums
gebt durch den Ablauf 36 ab. In gleicher Weise teilt sieh die durch den Einlaß 34
eintretende Gasmenge in zwei Ströme, von denen der eine durch den Ablauf 36 und
der andere durch den Ablauf 4o abgeht. Die beiden Einlässe 34, 38 und die beiden
Abläufe 36, 4o können miteinander verbunden werden, so daß der Kompressor eine gemeinsame
Einlaß- bzw. Ablaufleitung erhält.
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Der Kompressor kann gemäß der Erfindung angewandt werden, wenn Kompression
auf zwei verschiedene Enddrücke gewünscht wird. Es ist dann zweckmäßig, obwohl nicht
notwendig, die Ausnehmun.gen 46, 5o und 48, 52 verschieden groß auszuführen, so
claß die im Kompressor eingeschlossenen Gasmengen ihn erst verlassen, nachdem sie
auf verschiedene Drücke komprimiert worden sind.
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Von wesentlicher Bedeutung ist, daß der Umfangswinkel der Gänge des
mittleren Schraubenrades io richtig bemessen zum Umschließungswinkel zwischen den
Kanten 54, 56 des Gehäuses ist. In Fig.6 ist mit vollen Linien eine Gangnut 20 eingezeichnet,
die an dem Erde des Schraubenrades to gelegen ist, das dem Beschauer am nächsten
liegt und bei der Rotation des Schraubenrades in eine solche Lage gekommen ist,
daß ihre Rückkante ebendie Kante 56 des Gehäuses erreicht hat. Damit ein offener
Weg zwischen dem Einlaß auf der einen und dem Ablauf auf der anderen Seite des Sdhraubenrades
io nicht bestehen soll, darf die Steigung,der Gangnut 2o nicht größer sein als daß
deren Endkante an der Rückseite des Schraubenrades nicht zum Punkt 54 gelangt, was
einem Umfangswinkel a1 gemäß Fig. 6 für den Gang entspricht. In Wirklichkeit kann
man jedoch mit einer Überdeckung um einen gewissen Winkel a2 arbeiten, so daß die
Rückkante des Ganges sich an der mit toi bezeichneten Stelle in Fig. 6 befindet.
Eine derartige L.`berlagerung, die also bewirkt, daß bei der Rotation der Schraubenräder
die Gangzwischenräume während eines gewissen Augenblickes gleichzeitig mit dem Einlaß
und Ablauf kommunizieren, kann ohne Nachteil angewandt werden, weil das Kompressionsverhältnis
sowie die Ü,berströmfläche am Einlaß bei Beginn gering sind und die durch den Gangzwischenraum
vom Ablauf nach dem Einlaß gehende Druckwelle den Einlaß nicht erreicht, bevor dieser
geschlossen wird.
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Bei einer Gangtiefe h = 0,25 X Außendurchmesser der Seitensdhraubenräder
und mit drei Gängen in diesen Schraubenrädern sowie mit sechs Gängen im mittleren
Schraubenrad erhält die Gangnut des letzteren einen Umfangswinkel x1 = 48' oder
ungefähr diesen Wert und einen Umfangswinkel a1 -i- a2 mit Überlagerung gemäß dem
obigen = 58' oder etwa diesen Wert. Bei erhöhter Gangzahl am mittleren Schraubenrad
nehmen diese Winkel an Größe zu. So können die Umfangswinkel x1 bzw. a1 + a2 bei
acht Gängen am mittleren Sehraubenrad etwa 66' bzw. 75' betragen.
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Aus obigem geht hervor, daß die Verwindung der Gänge zwischen den
Stirnebenen weniger als 36o' beträgt, und hieraus folgt, daß die Schraubenräder
bei der Arbeit des Kompressors radial gerichteten Kräften ausgesetzt werden, die
gemäß der Erfindung auf eine aus Bau- und Betriebsgesiehtspun'kt günstige Weise
beherrscht werden. Gemäß der Erfindung kann die Rotationsmaschine gemäß der Gleichung
G = n - g -I- n - x gebaut werden, wobei G die Zähnezahl des Zwischenzahnrades
31, g die Zähnezahl der Seitenzahnräder 33,n die Anzalhl der Seitenzahnräder und
x eine ganze Zahl von gewisser Größenordnung größer oder kleiner als Null oder auch
gleich Null ist. Man hat somit sehr große Möglichkeiten, die Rotationsmaschine den
von Fall zu Fall geltenden Bedingungen anzupassen.
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Die Ausführungsform gemäß Fig.7 unterscheidiet sieh von der vorhergehenden
im wesentlichen nur dadurch, daß die Schraubenräder zwei Enden besitzen, d. h. jedes
Schraubenrad ist aus zwei Schraubenrädern gemäß den vorhergehenden Figuren zusammengesetzt
mit nach entgegengesetzter Richtung gewundenen Gängen, die einander in der Mitte
bei der Linie 6o treffen. Der
Kompressor erhält hierdurch zwei Abläufe
oder zwei Einlässe an jeder Stirnseite. Im vorliegenden Fall hat der Kompressor
zwei Einlässe 62, die an der einen (oberen) Seite des Kompressors gelegen sind,
und zwei Einlässe 64, die an der entgegengesetzten (unteren) Seite des Kompressors
gelegen sind. Die Abläufe sind nach der Mitte des Kompressors verlegt, so daß dem
Einlaß 62 ein Ablauf 66 an der Unterseite des Kompressors und dem Einlaß 64 ein
Ablauf 68 an dessen Oberseite entspricht. Auch bei dieser Ausführungsform teilt
sich das durch einen Einlaß eingesaugte Gas in zwei Ströme, so daß es nach beiden
Abläufen geführt wird. Die Einlässe und Abläufe haben ebenso wie in den vorhergehenden
Fällen eine Form, die den Gangnuten entspricht, wenn diese geschlossen bzw. geöffnet
werden. In Ir i g. 7 sind die Ablaufstutzen für die auf der Oberseite sichtbaren
Einlässe 62 und den Ablauf 68 weggeschnitten. Durch diese Öffnungen sind daher (las
mittlere Sclir;tul)ciirad 70 und die @eiteiiscliraul@ci@rä@ler
72. 74 sichtbar. Säintliclte `cliratibenrädei liabrn in) übrigen die
gleiche Fonn, die oben beschrieben worden ist, mit Ausnahme, daß jedes aus zwei
Schraubenradelementen mit gegeneinander verlaufenden Gängen aufgebaut ist. Der Kompressor
gemäß dieser Ausführungsform hat, wie aus der Figur hervorgeht, zwei Enddeckel
76,
Die Erfindung ist natürlich nicht auf die gezeigten Ausführungsformen
beschränkt, sondern kann in verschiedener Hinsicht im Rahmen der folgenden Patentansprüche
abgeändert werden. Ein gemäß der Erfindung ausgeführter Motor kann im Prinzip entsprechend
dem im obigen Ausführungsbeispiel angegebenen ausgeführt sein.