EP0995879A1 - Zwillings-Förderschraubenrotoren - Google Patents

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EP0995879A1
EP0995879A1 EP98811063A EP98811063A EP0995879A1 EP 0995879 A1 EP0995879 A1 EP 0995879A1 EP 98811063 A EP98811063 A EP 98811063A EP 98811063 A EP98811063 A EP 98811063A EP 0995879 A1 EP0995879 A1 EP 0995879A1
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screw
slope
arc
rotors
flank
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Ulrich Becher
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Ateliers Busch SA
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Ateliers Busch SA
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01CROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C1/00Rotary-piston machines or engines
    • F01C1/08Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing
    • F01C1/12Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type
    • F01C1/14Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons
    • F01C1/16Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons with helical teeth, e.g. chevron-shaped, screw type
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01CROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C1/00Rotary-piston machines or engines
    • F01C1/08Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing
    • F01C1/082Details specially related to intermeshing engagement type machines or engines
    • F01C1/084Toothed wheels

Definitions

  • the invention relates to twin screw rotors for installation in displacement machines for compressible media, especially pumps, which Rotors with single pitch and varying pitch are designed for this purpose are, in axially parallel, opposing external engagement with wrap angles of at least 720 ° and an axial chamber sequence in one housing without forming blow hole connections, whereby the end profile from a core arc, a cycloid-shaped hollow flank, an outer arc and another edge.
  • the patent DE 87685 shows a capsule mechanism as a helical gear designated machine in which the screw rotors with variable pitch are trained.
  • the machine is both a motor and a pump usable.
  • the rotors are optionally conical.
  • Both of the aforementioned machines have the disadvantage that they require tapered cylinders, which makes the rotors in and out only on one side can be expanded. This increases the effort in assembly and Disassembly of the machines, which is particularly important for maintenance and cleaning work is very disadvantageous.
  • Patent application EP 0697523 relates to a screw displacement machine, where the intermeshing rotors are unequal, screw profiles referred to as "male” and “female”, so-called S.R.M. profiles with a continuous change in slope.
  • the forehead profile is varied such that the tooth tip angle or the length of the outer arc a monotonously growing function depending of the wrap angle.
  • Such profiles have the disadvantage that a good isolation of the axial sequence of work cells due to the remaining Blow hole is not possible.
  • the vacuum losses caused by the blow hole result in losses in efficiency, so with such Machine not a good inner one, at least at low and medium speeds Compression is possible.
  • the published patent application DE 19530662 discloses a screw suction pump with intermeshing screw elements, in which the slope of the screw members continuously from their inlet end to their outlet end decreases to cause compression of the gas to be discharged.
  • the shape of the teeth of the screw rotor is epitrochoidal and / or Archimedean curve. This machine has the disadvantage that the achievable internal compression rate with the geometrical relationships shown is moderate. In addition, the missing variation of the forehead profile fixes this anyway not good compression ratio and leads because of the reduction in depth of the gap between the outer screw diameter and the housing Screw end towards an increased leak rate.
  • the published patent application DE 4445958 describes a screw compressor with counter-rotating, intermeshing screw elements.
  • the thread spirals of the screw elements are axial End continuously smaller toward the second axial end distant therefrom.
  • a rectangular or trapezoidal profile is proposed for the profile.
  • a disadvantage of such Profile geometries consist in the fact that they only work sufficiently lossless, if the depth of the passage is small in relation to the diameter, as in the above Publication is running. Such a machine thus has a big one Construction volume and a large weight.
  • There is another disadvantage of such Profile geometries that require extremely high slope changes are, if a satisfactory internal compression rate is to be achieved. How in the DE 19530662 mentioned, the missing forehead profile variation also fixes here this shortcoming and this leads to an increased leak rate due to reduction the depth of the gap between the outer screw diameter and the housing towards the screw end.
  • the invention lies Task based on proposing twin screw rotors that the above Disadvantages mentioned do not have.
  • the slope is not monotonous and as a dependent variable on the wrap angle
  • the slope in a first partial area from suction-side screw end increases and after about one loop reaches a maximum value that the slope in a to the first sub-area subsequent second sub-area decreases and about one loop reached a minimum value before the pressure-side screw end and that the Incline in a third partial area adjoining the second partial area is essentially constant.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a pair of screw rotors 1 and 2 which are in axially parallel external engagement with one another.
  • FIGS. 2 and 3 show each of the rotors 1 and 2 according to FIG. It can be clearly seen in these figures that the outer jacket and the core are cylindrical and thus the pitch is constant over the screw length.
  • the masses ⁇ w 1 and ⁇ w 3 show that the pitch of the screw varies along the axis, but that the height h of the helical outer cylindrical rotor surface remains constant, causing leakage losses between the rotor and the inner wall of the housing towards the pressure side, as in the case of some of the machines mentioned in the prior art occur in an undesirable manner can be avoided.
  • reference numeral 7 denotes the reference spiral, which will be discussed in more detail later, and 8 is the second delimiting spiral of the outer, cylindrical rotor surface.
  • a rotor is shown in a section perpendicular to the rotor axis.
  • the resulting end profile has a core arc 3 with a constant radius Rb over the entire screw length, which - clockwise - merges into a cycloid-shaped hollow flank 4 after a sector angle ⁇ .
  • the geometry of the hollow flank 4 is unchanged over the entire screw length.
  • the hollow flank 4 is adjoined at point B by an external arc 5 with a radius Ra that is constant over the entire screw length and which, after a sector angle ⁇ at point C, merges into a further flank 6. This ends with a tangential transition into the core arc 3.
  • the variation of the front profile contour along the screw axis is based on a change in the sector angle ⁇ and on a change in the geometry of the further flank 6.
  • the variation of the sector angle ⁇ along the screw axis is preferably spatially at least approximately equidistant course of a reference spiral (7 in FIG. 3) formed by the outermost points of the hollow flank B ⁇ and the second delimitation spiral (points C) (8 in FIG. 3) of the outer cylindrical rotor surface.
  • FIG. 5 shows in a diagram the development w of the reference spiral mentioned in connection with FIG. 4 as a function of the wrap angle ⁇ .
  • a straight line g and corresponding sections P 0 , 2P 0 etc. of the development of a spiral with a constant slope are also shown.
  • the course of the slope can be seen more clearly if one takes the first derivative shown in FIG development w considered.
  • w 'increases and reaches ⁇ 2 ⁇ the maximum value where A is the amplitude moderator.
  • FIG. 7 shows the chamber cross section F as a function of the wrap angle ⁇ , the curve F o shown with a solid line showing the chamber cross section without profile variation and the dashed curve F m showing the chamber cross section with profile variation.
  • FIG. 8a shows the cross section of a housing intended to accommodate twin screw rotors according to the invention
  • FIG. 8b shows a section through the rotors corresponding to the representation of FIG. 4, and the chamber cross section F o is shown hatched in FIG. 8c.
  • FIGS. 9a to 9p show the development of the working chamber cross section in end sections shown depending on the wrap angle. The latter is given in degrees in the figures.

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Abstract

In bekannten Ausführungen von Verdrängermaschinen für kompressible Medien arbeiten eingängige Zwillingsschraubenrotoren mit kontinuierlich abnehmender Steigung zur Erzielung einer inneren Kompression. In einigen Fällen wird diese Wirkung durch Variation der Stimprofile verstärkt oder ersetzt. Die Forderung nach kompakten Pumpen mit möglichst kurzen Rotoren sowie die häufige, prozessbedingte Forderung einer schnellen Demontage des Gehäuses zu Reinigungszwecken setzen dort jedoch Grenzen für die Umschlingungswinkel bzw. für die Variation der Stirnprofile, welches wiederum zu extremen Steigungsverhältnissen oder zu ungenügenden Kompressionsraten führt. Vorliegende Erfindung löst diese Probleme durch Einsatz von Schraubenrotoren (2) mit optimiertem, nicht monotonem Steigungsverlauf Δw1, Δw3) und wahlweiser Stirnprofilvariation bei konstanten Durchmessern. Bei gleichem Raumbedarf wird das Saugvermögen verbessert und es werden bei nur vier Umschlingungen mühelos Verdichtungsraten von 3,0 und mehr erzielt. Mit solchen Zwillingsschraubenrotoren bestücke Verdrängermaschinen bieten optimale Verhältnisse bezüglich Energiebedarf, Temperatur, Bauraum, Service mit Einsatzmöglichkeiten in Chemie und Halbleitertechnik. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft Zwillingsschraubenrotoren zum Einbau in Verdrängermaschinen für kompressible Medien, insbesondere Pumpen, welche Rotoren eingängig mit variierender Steigung ausgeführt und dazu bestimmt sind, in achsparallelem, gegenläufigem Ausseneingriff mit Umschlingungswinkeln von mindestens 720° zu stehen und in einem Gehäuse eine axiale Kammersequenz ohne Blaslochverbindungen zu bilden, wobei das Stirnprofil aus einem Kernkreisbogen, einer zykloidenförmigen Hohlflanke, einem Aussenkreisbogen und einer weiteren Flanke besteht.
Die Patentschrift DE 87685 zeigt eine als Schraubenräderkapselwerk bezeichnete Maschine, bei der die Schraubenrotoren mit veränderlicher Steigung ausgebildet sind. Die Maschine ist sowohl als Motor als auch als Pumpe verwendbar. Um - beim Betrieb als Motor - die Zunahme des Volumens der Arbeitskammern in Richtung des sich entspannenden Mediums zusätzlich zu steigern, sind die Rotoren wahlweise konisch ausgebildet.
In der Patentschrift DE 609405 ist eine Luftkältemaschine mit Verdichter und Entspanner beschrieben, die beide Schraubenpaare mit veränderlicher Steigung und Gangtiefe aufweisen. Die Hüllflächen der Rotoren sind konisch ausgebildet.
Beide der vorher genannten Maschinen haben den Nachteil, dass sie konische Zylinder erfordern, wodurch die Rotoren nur auf einer Seite ein-und ausgebaut werden können. Dies erhöht den Aufwand bei der Montage- und Demontage der Maschinen, was insbesondere bei Unterhalts- und Reinigungsarbeiten sehr nachteilig ist.
Die Patentanmeldung EP 0697523 betrifft eine Schrauben-Verdrängermaschine, bei der die miteinander im Eingriff stehenden Rotoren ungleiche, als "männlich" und "weiblich" bezeichnete Schraubenprofile, sogenannte S.R.M.-Profile mit kontinuierlicher Änderung der Steigung haben. Das Stirnprofil ist dabei derart variiert, dass der Zahnkopfwinkel beziehungsweise die Länge des Aussenkreisbogens eine monoton wachsende Funktion in Abhängigkeit vom Umschlingungswinkel ist. Solche Profile haben den Nachteil, dass eine gute Abschottung der axialen Sequenz von Arbeitszellen wegen des verbleibenden Blasloches nicht möglich ist. Die durch das Blasloch verursachten Vakuumverluste haben Wirkungsgradverluste zur Folge, so dass mit einer solchen Maschine zumindest bei kleinen und mittleren Drehzahlen keine gute innere Verdichtung möglich ist.
Die Offenlegungsschrift DE 19530662 offenbart eine Schraubensaugpumpe mit aussen kämmenden Schraubenelementen, bei der die Steigung der Schraubenelemente kontinuierlich von ihrem Einlassende zu ihrem Auslassende abnimmt, um die Kompression des abzugebenden Gases zu veranlassen. Die Form der Zähne des Schraubenrotors weist eine epitrochoidale und/oder archimedische Kurve auf. Diese Maschine hat den Nachteil, dass die erreichbare innere Verdichtungsrate bei den gezeigten geometrischen Verhältnissen mässig ist. Zudem fixiert die fehlende Stirnprofil-Variation das ohnehin nicht gute Verdichtungsverhältnis und führt wegen der Verringerung der Tiefe des Spaltes zwischen Schraubenaussendurchmesser und Gehäuse zum Schraubenende hin zu einer erhöhten Leckrate.
Die Offenlegungsschrift DE 4445958 beschreibt einen Schraubenverdichter mit gegenläufig rotierenden, aussenkämmenden Schraubenelementen. Die Gewindewendeln der Schraubenelemente werden vom einen axialen Ende zum davon entfernten zweiten axialen Ende hin kontinuierlich kleiner. Als Profil wird ein Rechteck- oder Trapezprofil vorgeschlagen. Ein Nachteil solcher Profilgeometrien besteht darin, dass sie nur genügend verlustfrei arbeiten, wenn die Gangtiefe in Relation zum Durchmesser gering ist, wie dies in der genannten Publikation ausgeführt ist. Eine solche Maschine weist somit ein grosses Bauvolumen und ein grosses Gewicht auf. Es ist ein weiterer Nachteil solcher Profilgeometrien, dass extrem hohe Steigungsänderungen erforderlich sind, wenn eine befriedigende innere Verdichtungsrate erreicht werden soll. Wie bei der erwähnten DE 19530662 fixiert auch hier die fehlende Stirnprofilvariation dieses Manko und dieses führt zu einer erhöhten Leckrate wegen Verringerung der Tiefe des Spaltes zwischen Schraubenaussendurchmesser und Gehäuse zum Schraubenende hin.
Weitere Publikationen, wie beispielsweise SE 85331, DE 2434782 und DE 2434784 betreffen innenachsige Schraubenmaschinen mit nicht konstanter Steigung der Schrauben oder variierenden Stirnprofilen. Diese Maschinen weisen alle den Nachteil auf, dass der Bauaufwand hoch ist und dass in jedem Fall auch saugseitig dynamische Dichtungen benötigt werden.
Ferner gibt es einige Publikationen, beispielsweise DE 2934065, DE2944714, DE 3332707 und AU 261792, welche zweiwellige Verdichter mit schraubenähnlichen Rotoren beschreiben. Dort sind die Rotoren und in einigen Fällen auch das Gehäuse aus axial hintereinander angeordneten Profilscheiben unterschiedlicher Dicke und/oder Kontur zusammengesetzt und bewirken solchermassen innere Verdichtung. Alle Maschinen mit schraubenähnlichen Rotoren haben den Nachteil, dass ihr Wirkungsgrad gegenüber demjenigen von Maschinen mit schraubenförmigen Rotoren vermindert ist, weil durch den gestuften Aufbau Schadräume und Wirbelzonen entstehen. Ferner sind bei schraubenähnlichen Rotoren Probleme bezüglich Formkonstanz zu erwarten, da sie sich im Betrieb erwärmen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Zwillingsschraubenrotoren vorzuschlagen, welche die oben erwähnten Nachteile nicht aufweisen.
Diese Aufgaben werden gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass die Steigung nicht monoton verläuft und als abhängige Variable vom Umschlingungswinkel definiert ist, dass die Steigung in einem ersten Teilbereich vom saugseitigen Schraubenende her zunimmt und nach ca. einer Umschlingung einen Maximalwert erreicht, dass die Steigung in einem an den ersten Teilbereich anschliessenden zweiten Teilbereich abnimmt und ca. eine Umschlingung vor dem druckseitigen Schraubenende einen Minimalwert erreicht und dass die Steigung in einem an den zweiten Teilbereich anschliessenden dritten Teilbereich im wesentlichen konstant ist.
Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen umschrieben.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsarten näher beschrieben. Es zeigt
Figur 1
ein Paar miteinander in Eingriff stehende Schraubenrotoren,
Figur 2
den rechtsgängigen Rotor,
Figur 3
den linksgängigen Rotor,
Figur 4
einen Stirnschnitt eines Schraubenrotors mit variierendem Profil,
Figur 5
die Abwicklung der Referenzspirale eines erfindungsgemässen Rotors,
Figur 6
den Steigungsverlauf der Abwicklung gemäss Figur 4,
Figur 7
den Verlauf des Arbeitskammerquerschnitts bei einer Maschine ohne und mit Profilvariation,
Figur 8a bis 8c
Gehäuse-, Rotor-, und Arbeitskammerquerschnitt eines mit erfindungsgemässen Rotoren ausgestatteten Verdichters und
Figur 9a bis 9p
Stirnschnitte durch ein Rotorenpaar, welche die Entwicklung des Arbeitskammerquerschnitts gemäss Figur 7 veranschaulichen.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Paars miteinander in achsparallelem Ausseneingriff stehender Schraubenrotoren 1 und 2. Die Figuren 2 und 3 zeigen jeden der Rotoren 1 und 2 gemäss Figur 1 separat. Es ist in diesen Figuren deutlich zu erkennen, dass der Aussenmantel und der Kern zylindrisch sind und somit die Gangtiefe über die Schraubenlänge konstant ist. In Figur 3 zeigen die Masse Δw1 und Δw3, dass die Steigung der Schraube entlang der Achse variiert, dass dabei aber die Höhe h der schraubenförmigen äusseren zylindrischen Rotorfläche konstant bleibt, wodurch Leckageverluste zwischen Rotor und Gehäuseinnenwand gegen die Druckseite hin, wie sie bei einigen der eingangs erwähnten Maschinen nach dem Stand der Technik in unerwünschter Weise auftreten, vermieden werden. Mit der Bezugszahl 7 ist in dieser Figur die Referenzspirale bezeichnet, auf die später noch näher eingegangen wird und 8 ist die zweite Begrenzungsspirale der äusseren, zylindrischen Rotorfläche.
In Figur 4 ist ein Rotor in einem Schnitt rechtwinklig zur Rotorachse dargestellt. Das so entstehende Stirnprofil weist einen Kernkreisbogen 3 mit einem über die ganze Schraubenlänge konstanten Radius Rb auf, der - im Uhrzeigersinn - nach einem Sektorwinkel γ in eine zykloidenförmige Hohlflanke 4 übergeht. Die Geometrie der Hohlflanke 4 ist über die ganze Schraubenlänge unverändert. An die Hohlflanke 4 schliesst im Punkt B mit einem spitzen Winkel ein Aussenkreisbogen 5 mit einem über die ganze Schraubenlänge konstanten Radius Ra an, welcher nach einem Sektorwinkel γ im Punkt C in eine weitere Flanke 6 übergeht. Diese mündet schliesslich mit tangentialem Übergang in den Kernkreisbogen 3. Die Variation der Stirnprofilkontur entlang der Schraubenachse basiert auf einer Änderung der Sektorwinkel γ sowie auf einer Änderung der Geometrie der weiteren Flanke 6. Die Variation der Sektorwinkel γ entlang der Schraubenachse ist vorzugsweise durch einen räumlich mindestens annähernd äquidistanten Verlauf einer durch die äussersten Punkte der Hohlflanke Bα gebildeten Referenzspirale (7 in Figur 3) und der zweiten Begrenzungsspirale (Punkte C) (8 in Figur 3) der äusseren, zylindrischen Rotorfläche bestimmt.
Figur 5 zeigt in einem Diagramm die Abwicklung w der im Zusammenhang mit Figur 4 erwähnten Referenzspirale in Abhängigkeit vom Umschlingungswinkel α. Zum Vergleich sind noch eine Gerade g und entsprechende Abschnitte P0, 2P0 etc. der Abwicklung einer Spirale mit konstanter Steigung eingezeichnet. Der Verlauf der Steigung ist deutlicher erkennbar, wenn man die in Figur 6 dargestellte erste Ableitung
Figure 00050001
der Abwicklung w betrachtet. Dieser Wert w' ist die dynamische Steigung der oben erwähnten Referenzspirale. Man sieht in dieser Figur, dass die Steigung bei α=0 mit dem Wert
Figure 00050002
beginnt, wobei L0 eine der mittleren Steigungshöhe entsprechende Konstante ist. In einem ersten Teilbereich T1 nimmt w' zu und erreicht bei α=2π den Maximalwert
Figure 00060001
wobei A der Amplitudenmoderator ist. Im zweiten Teilbereich T2, der sich von 2π bis 6π erstreckt, nimmt die Steigung ab und erreicht bei α=6π den Minimalwert
Figure 00060002
den sie im dritten Teilbereich T3 bis zum Ende der Schraube beibehält.
Figur 7 zeigt den Kammerquerschnitt F in Funktion des Umschlingungswinkels α, wobei die mit einer durchgezogenen Linie dargestellte Kurve Fo den Kammerquerschnitt ohne Profilvariation und die gestrichelt gezeichnete Kurve Fm den Kammerquerschnitt mit Profilvariation zeigt.
In Figur 8a ist der Querschnitt eines zur Aufnahme erfindungsgemässer Zwillingsschraubenrotoren bestimmten Gehäuses dargestellt, Figur 8b zeigt einen der Darstellung von Figur 4 entsprechenden Schnitt durch die Rotoren und in Figur 8c ist der Kammerquerschnitt Fo schraffiert dargestellt.
In den Figuren 9a bis 9p ist in Stirnschnitten die Entwicklung des Arbeitskammerquerschnitts in Abhängigkeit vom Umschlingungswinkel dargestellt. Letzterer ist in den Figuren in Winkelgraden angegeben.

Claims (3)

  1. Zwillingsschraubenrotoren zum Einbau in Verdrängermaschinen für kompressible Medien, welche Rotoren eingängig mit variierender Steigung ausgeführt und dazu bestimmt sind, in achsparallelem, gegenläufigem Ausseneingriff mit Umschlingungswinkeln von mindestens 720° zu stehen und in einem Gehäuse eine axiale Kammersequenz ohne Blaslochverbindungen zu bilden, wobei das Stirnprofil aus einem Kernkreisbogen (3), einer zykloidenförmigen Hohlflanke (4), einem Aussenkreisbogen (5) und einer weiteren Flanke (6) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung nicht monoton verläuft und als abhängige Variable vom Umschlingungswinkel definiert ist, dass die Steigung in einem ersten Teilbereich (T1) vom saugseitigen Schraubenende her zunimmt und nach ca. einer Umschlingung einen Maximalwert erreicht, dass die Steigung in einem an den ersten Teilbereich anschliessenden zweiten Teilbereich (T2) abnimmt und ca. eine Umschlingung vor dem druckseitigen Schraubenende einen Minimalwert erreicht und dass die Steigung in einem an den zweiten Teilbereich anschliessenden dritten Teilbereich (T3) im wesentlichen konstant ist.
  2. Zwillingsschraubenrotoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnprofilkonturen entlang der Schraubenachse variieren, indem sich die Sektorwinkel (γ) von Kernkreisbogen (3) und Aussenkreisbogen (5) verändern und indem sich die Geometrie der weiteren Flanke (6) verändert, wobei der Kernkreisradius (Rb), der Aussenkreisradius (Ra) und die Geometrie der Hohlflanke konstant sind und wobei die äussersten Punkte der Hohlflanke die Referenz-Spirale (7) zur Definition des Steigungsverlaufs bilden.
  3. Zwillingsschraubenrotoren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation der Sektorwinkel (γ) von Kernkreisbogen (3) und Aussenkreisbogen (5) entlang der Schraubenachse bestimmt ist durch einen räumlich mindestens annähernd äquidistanten Verlauf der Referenzspirale (7) und der zweiten Begrenzungsspirale (8) der äusseren, zylindrischen Rotorfläche.
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