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Drehkolbenmaschine Die Erfindung bezieht sich auf Drehkolbenmaschinen
mit Schraubenrädern, die während ihrer Umdrehung das Volumen der zwischen ihren
Rippen und Nuten und dem Gehäuse gebildeten Arbeitskammern verändern, so daß in
diesen ein gasförmiges Arbeitsmittel verdichtet oder entspannt werden kann.
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Maschinen dieser Art werden gewöhnlich ohne Schmierung mit dem praktisch
kleinstmöglichen Spielraum zwischen den ineinandergreifenden Läufern und zwischen
diesen und dem Gehäuse betrieben, so daß das Entweichen des Mittels durch Undichtigkeiten
aus den Arbeitskammern auf ein Minimum herabgesetzt ist. Um dies zu erreichen und
damit einen verhältnismäßig hohen volumetrisehen Wirkungsgrad zu erzielen, werden
die Läufer gewöhnlich mit hohen Drehzahlen betrieben. Um ferner das gewünschte Vergrößerungs-
oder Verkleinerungsverhältnis der Arbeitskammern zwisehen Einlaß und Auslaß bei
Läufern von gleichmäßigem Durchmesser und Steigungswinkel zu gewährleisten, müssen
die Läufernuten einen Steigungswinkel von beträchtlicher Größe haben. Dies bedingt
wiederum eine Drehkolbenmaschine, bei welcher ein eingreifender Läufer mit schraubenförmigen
Rippen von konvexem Querschnitt, die wenigstens zum größeren Teil außerhalb des
Teilkreises des Läufers liegen, drehbar in einer Gehäusebohrung angeordnet ist und
im Eingriff mit einem zweiten Läufer steht, der schraubenförmige Nuten von konkavem
Querschnitt hat, die wenigstens zum größeren Teil innerhalb des Teilkreises des
Läufers liegen, und der drehbar in einer zweiten Gehäusebohrung angeordnet ist,
welche die erstgenannte Bohrung überschneidet.
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Bei den bisher bekannten Ausführungen sind die Rippen und die Nuten
der Schraubenräder so ausgebildet, daß der Scheitel der Rippen des eingegriffenen
Schraubenrades
und der Nutengrund des eingreifenden Schraubenrades konvex ausgebildet sind, so
daß eine rollende Berührung zwischen diesen Oberflächen entsteht. Demgegenüber wird
gemäß der Erfindung das zwischen den Rippen des eingreifenden Läufers in seinem
kleineren, innerhalb desTeilkreises liegendenTeil gebildete Nutenprofil symmetrisch
konkav ausgebildet.
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Dadurch wird die Füllung der Maschine bedeutend verbessert, so daß
die Maschine ein erheblich kleineres Leistungsgewicht aufweist als bekannte Maschinen.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
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Es zeigt Fig. i einen Querschnitt durch eine Drehkolbenmaschine, Fig.2
einen Teilausschnitt aus diesem Querschnitt in vergrößerter Darstellung, Fig. 3
eine Einzelheit aus Fig. 2 in noch größerer Darstellung, Fig.4 und 5 eine Aufsicht
auf die Läufer und ihre Dichtungslinien, Fig. 6 und 7 besondere Ausbildungen von
Rippenprofilen in vergrößertem Maßstab.
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In dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. i bis 5 enthält ein gemeinsames
Gehäuse io einen eingreifenden Läufer 2o mit vier schraubenförmig gewundenen Rippen
und Nuten und einen eingegriffenen Läufer 22 mit sechs schraubenförmig verlaufenden
Rippen und Nuten. Das über den Teilkreis des eingreifenden Läufers hinausragende
Profil ist nach außen begrenzt durch einen Kreisbogen a, der von den Punkten b und
c begrenzt ist und dessen Radius R seinen Mittelpunkt P auf dem Teilkreis des Läufers
hat. Die inneren Flankenteile f und g, die sich zwischen den Punkten b und d einerseits
sowie c und e andererseits erstrecken, sind Abwälzkurven, die durch Abwälzung eines
Punktes geformt werden, der sich als Schnittpunkt der Nut des eingegriffenen Läufers
mit seinem Teilkreis darstellt.
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Die innerhalb des Teilkreises liegenden Profilteile des eingreifenden
Läufers sind Bogenstücke a' vom Radius R', dessen Mittelpunkt P' auf dem Teilkreis
des eingreifenden Läufers liegt.
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Das Profil des innerhalb seines Teilkreises gelegenen Teils der Nut
des eingegriffenen Läufers wird gebildet durch einen Bogen a",' der sich über die
Strecke von b" bis c" erstreckt, die beide auf dem Teilkreis des Läufers liegen.
Die außerhalb desselben liegenden Teile sind gebildet durch einen Bogen ä " mit
dem Radius R", dessen Mittelpunkt P" auf dem Teilkreis des eingegriffenen Läufers
liegt.
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Wenn man das Läuferspiel vernachlässigt, dann haben die Bogenabschnitte
a und ä' den gleichen Radius. Das jeweils erwünschte Spiel kann also durch Radiusdifferenzen
herbeigeführt werden. Ebenso :haben die Bogenahschnitte ä und d", wenn das Spiel
vernachlässigt wird, den gleichenRadius. Da aber im allgemeinen ein Läuferspiel
notwendig ist, bestehen hinsichtlich dieser Profilabschnitte Radiusdifferenzen.
Für den Fall der Spiellfrei'heit müß,te das theoretisch exakte Profil des außerhalb
eines eingreifenden Läufers liegenden Rippenteils dieselbe Form haben wie das innerhalb
des Teilkreises liegende Profil des eingreifenden Läufers, wobei der über den Teilkreis
reichende Teil des eingegriffenen Läuferprofils durch Abwälzung gebildet werden
müßte. So sind in Fig.3 zur Erzielung eines theoretisch exakten Profils mit ununterbrochener
Dichtungslinie ohne Läuferspiel die Teile f' und g', die sich zwischen den
Punkten c" und c' bzw. b" und b' erstrecken, durch Abwälzung erzeugte Kurven, und
zwar erzeugt durch Abwälzung des Schnittpunktes der Profilkurve des eingreifenden
Läufers mit dessen Teilkreis. Der Bogen a` jedoch, der den größeren Teil des außerhalb
des Teilkreises hegenden Profilbereiches ausmacht und der sich zwischen den Punkten
b' und c' erstreckt, ist kreisbogenförmig. Aus der Fig. 3 ergibt sich aber, daß
die Abweichung der Kurventeile f' und g' vom Kreisbogen so geringfügig ist, daß
praktisch, besonders im Hinblick auf das notwendige Läuferspiel, diese Abweichung
vernachlässigt und der außerhalb des Profilteils liegende Profilbereich durch einen
Kreisbogen begrenzt sein kann. Nur dann, wenn die Profile sich wesentlich größer
darstellen, als das aus den Zeichnungen erkennbar ist, wird man dazu übergehen,
die dann auch wesentlich größeren Flächen f' und g' als Abwälzkurven auszubilden.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind ferner Dichtungskanten vorgesehen,
z. B. in Gestalt von Dichtungsstreifen 54, die in radialer Richtung aus der Scheitelfläche
des eingreifenden Läufers herausragen. Das Profil des eingegriffenen Läufers weist
am Umfang Dichtungsstreifen 56 und 58 auf, die sich in Richtung des Teilkreises
erstrecken, und ist mit einer mittleren Dichtungskante 6o versehen, die sich in
radialer Richtung nach außen erstreckt.
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Gemäß der Erfindung kann in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
die äußere Scheitelfläche der Rippe des eingreifenden Läufers etwas abgeflacht werden,
.indem man, den, Kreisbogen a nicht um den Punkt P, sondern mit dem Radius R1 um
die Mittelachse des Läufers beschreibt. Eine ähnliche Abflachung kann man auch,
wie Fig.3 zeigt, in der Zone der Dichtungsrippe 6o an der Außenkante des eingegriffenen
Läuferprofils vorsehen. Diese Abweichungen vom exakten Kreisbogenprofil sind jedoch
verhältnismäßig gering.
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In den Fig. 4 und 5 sind die in dem Läuferpaar auftretendenDichtungslinien
dargestellt. Betrachtet man zunächst den in tig.4 gezeigten eingreifenden Läufer,
so verläuft die Dichtungslinie auf dem außerhalb des Teilkreises liegenden Profilmantel
zunächst auf dem Abschnitt o-p und folgt der Verbindungslinie zwischen der Bogenoberfläche
ä und dem durch Abwälzung erzeugten Profilteil f, oder in anderen Worten, einer
Zylinderfläche, die durch den Teilkreis des eingreifenden Läufers bestimmt ist.
Sie folgt weiter der Linie p-q auf der Abwälzfläche f der Rippenflanke, dann
dem Teil q-r, der
rechtwinklig zur Drehachse des Läufers steht und
dem Bogenprofil a folgt. Die Linie r-s verläuft auf der Abwälzfläche g, und die
Teile s-t folgen der Schnittlinie zwischen der Bogenflüche ä und der Abwälzfläche
g. Die Diehtun@gslinie innerhalb, des Teilkreises auf der Krei.gbogenfläche ä wird
dargestellt durch die Linie p-o. Diese Teile der Dichtungslinie verlaufen ebenso
wie die Strecken q-r senkrecht zur Läuferdrehachse.
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In Fig.5 verläuft die Dichtungslinie im eingegriffenen Läufer im Teil
o-p schräg zur Abw äl.zfläche g' in der Nähe des Teilkreises. Der Streckenteil p-q
folgt der Schnittlinie zwischen dem bogenförmig gekrümmten Profilteil und dem Teilkreis,
wobei die Dichtungskante 56 gemäß Fig. 2 genau in dieser Schnittlinie liegt und
gegen die Abwälzkurve f abdichtet. Der Streckenteil q-r verläuft senkrecht
zur Läuferdrehachse und folgt dem Bogenprofilteil a". Der Streckenteil r-s folgt
einer Schnittlinie zwischen der Bogenfläche ä' und einer Zylinderfläche, die durch
den Teilkreis des Läufers bestimmt ist, wobei die Dichtungskante 58 entlang dieser
Schnittlinie verläuft und gegen die Abwälzfläche g des eingreifenden Läufers abdichtet.
Die Strecke s-t folgt schräg der Abwälzfläche f" und die Strecken t-o wiederum im
rechten Winkel zur Läuferdrehachse. Diese letzteren folgen dem Bogen d ` und wirken
mit dem Bogen ä des eingreifendenLäufers zusammen. Da die selben Bezeichnungen o-p,
p-q usw.. für die verschiedenen Teile der Dichtungslinien sowohl in Fig. 4 als auch
in Fig. 5 gewählt wurden, ist es leicht, den Dichtungslinienverlauf im Profil zu
verfolgen.
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Wie sich aus den Zeichnungen ergibt, ist die Dichtungslinie bei Anwendung
des neuen Profils verhältnismäßig kurz im Vergleich zu, solchen Konstruktionen,
in denen sowohl die Rippen als auch die Nuten durchweg als Abwälzkurven ausgebildet
sind. Die Anordnung von über den Teilkreis hinausragenden Profilteilen am eingegriffenen
Läufer und innerhalb des Teilkreises sich erstreckender Vertiefungen in den Nuten
des eingreifenden Läufers beeinträchtigt nicht die Tatsache, daß die Scheitellinien
der Rippen des eingreifenden. Läufers dicht an den Nutenwänden innerhalb des Teilkreises
des eingegriffenen Läufers arbeiten.
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Charakteristisch für alle Ausführungsformen ist, daß mit Ausnahme
der rechtwinklig zu den Läuferachsen verlaufenden Teile der Dichtungslinie die Dichtung
in der Dichtungslinie selbst zwischen einer Oberfläche auf der einen Seite und einer
verhältnismäßig dünnen Kante auf der anderen Seite hergestellt werden kann. Die
gleiche Dichtung kann auch zwischen den Läufern und ihren Gehäusebohrungen angewendet
werden.
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Es wird also auf allen axial verlaufenden Komponenten der Dichtungslinie,
die den größeren Teil der Gesamtdichtungslinienlänge ausmachen, die Dichtung nicht
zwischen zwei benachbarten Flächen, sondern immer zwischen einer Fläche und einer
Kante herbeigeführt. Infolgedessen können Verwerfungen infolge ungleichmäßiger Ausdehnung
oder anderer mechanischer Einflüsse eine Berührung zwischen den Läufern längs der
Dichtungslinie hervorrufen. Jedoch bleiben solche Berührungen doch nur auf kleine
Ausmaße beschränkt, weil diese Berührung nicht auf breiteren Flächen, sondern eben
nur in der Flucht der Dichtungsleiste oder Dichtungskante erfolgt, die, wenn sie
beschädigt wird, leicht zu ersetzen ist. Die senkrecht zu den Läuferachsen verlaufenden
Teile der Dichtungslinie, die nur einen geringen Anteil an der Gesamtlänge der Dichtungslinie
haben, können zur Vermeidung nachteiliger Berührung zwischen den Oberflächen mit
verhältnismäßig weitem Spiel ausgeführt werden. Die Anwendung der Dichtungskanten
bzw. Dichtungsleisten erlaubt es, das Spiel zwischen den Oberflächen der beiden
Läufer verhältnismäßig weit zu bemessen, was natürlich die Herstellung erheblich
erleichtert und verbilligt, insofern hierbei größere Toleranzen erlaubt sind. Zugleich
wird aber eine Wirkungsgradverbesserung erzielt, da es möglich ist, das Spiel und
die Dichtungskanten so auszulegen, daß beim Zusammenbau zunächst die Kanten reiben,
dann aber während des Einlaufens der Maschine soweit weggeschliffen werden, daß
nach vollendetem Einlaufen eineAbdichtung erzielt ist, die besser wirkt als die
mit engstem Spiel ausgeführten Flächendichtungen.
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Die Ausführung der Erfindung ist an die gezeigten Ausführungsbeispiele
nicht gebunden. So können z. B. die Dichtungskanten mit den Rippen aus einem Stück
bestehen, indem die Rippen entsprechend gefräst .werden. Man kann aber auch durch
Walz- oder Rollverfahren aus den Rippen vorstehende Leisten oder Kämme herausformen.
So zeigt z. B. Fig. 6 ein Profil, bei welchem die Dichtungsleisten 56, 58, 6o aus
dem Profil herausgerollt worden sind, während im Ausführungsbeispiel nach Fig. 7
die Dichtungsleiste 54 aus dem Vollen gefräst sein kann.
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Zwischen den Stirnflächen der Läufer und ihrer Gehäuse können ebenfalls
Leistendichtungen vorgesehen werden, wobei darauf zu achten ist, daß diese Dichtungen
innerhalb, des Fußkrebses der Profile liegen. Die Steigung der Schraubenprofile
wird gewöhnlich so gewählt, daß die Windung der Rippen vom Einlaß zum Auslaß nicht
weniger alis go° aber weniger al;s 360° beträgt. Das Verhältnis der Rippenanzahl
auf eingreifendem und eingriffenem Läufer kann größer oder kleiner gewählt werden
als in Fig. i. Wird das Verhältnis größer, dann kann die Windung für die Rippen
des eingegriffenen Läufers erheblich kleiner sein als go°; im allgemeinen wird man
es aber bei den oben dargelegten Verhältnissen belassen.