EP3358189B9 - Rotor pair for a compressor block of a screw machine - Google Patents

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EP3358189B9
EP3358189B9 EP18163593.9A EP18163593A EP3358189B9 EP 3358189 B9 EP3358189 B9 EP 3358189B9 EP 18163593 A EP18163593 A EP 18163593A EP 3358189 B9 EP3358189 B9 EP 3358189B9
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EP
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rotor
tooth
secondary rotor
axis
point
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Kaeser Kompressoren AG
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Definitions

  • the invention relates to a pair of rotors for a compressor block of a screw machine, the rotor pair consisting of a main rotor rotating about a first axis and a secondary rotor rotating about a second axis according to the features of claim 1 or 9.
  • the invention further relates to a compressor block with a corresponding pair of rotors .
  • Screw machines be it as screw compressors or screw expanders, have been in practical use for several decades. Designed as screw compressors, they have replaced reciprocating compressors as compressors in many areas. With the principle of the interlocking pair of screws, not only gases can be compressed using a certain amount of work. The application as a vacuum pump also opens up the use of screw machines to achieve a vacuum. Finally, by passing pressurized gases through, work can also be generated the other way around, so that mechanical energy can also be obtained from pressurized gases using the principle of the screw machine.
  • Screw machines generally have two shafts arranged parallel to one another, on which a main rotor sits on the one hand and a secondary rotor on the other.
  • the main rotor and secondary rotor mesh with each other with corresponding helical teeth.
  • a compression space (working chambers) is formed by the tooth gap volumes.
  • the working chamber is initially closed and then continuously reduced in volume, so that the medium is compressed.
  • the working chamber is opened to a pressure window and the medium is pushed out into the pressure window.
  • typical pressure ratios can be between 1.1 and 20, whereby the pressure ratio is the ratio of the final compression pressure to the intake pressure.
  • the compaction can take place in one or more stages.
  • Achievable final pressures can be in the range 1.1 bar to 20 bar, for example.
  • pressure information in “bar” is referred to at this point or subsequently in the present application, such pressure information refers to absolute pressures.
  • screw machines can be used as a compressor in various areas of technology.
  • a particularly preferred area of application is the compression of gases, such as air or inert gases (helium, nitrogen,).
  • gases such as air or inert gases (helium, nitrogen,).
  • inert gases helium, nitrogen,
  • fluid-injected compression in particular oil-injected compression
  • screw machines are sometimes also referred to as screw blowers.
  • the face cut of the rotors especially the face cut of the secondary rotor, has a significant influence on energy efficiency.
  • the face cut of the secondary rotor must correspond to the face cut of the main rotor.
  • the profile of the rotor in a plane perpendicular to the axis of the rotor is referred to as the end section.
  • Different types of end cut generation such as rotor or rack-based end cut generation methods, are now known from the prior art. If you have decided on a specific process, the first step is to create an initial draft front section. This is conventionally further optimized in several subsequent (revision) steps according to various criteria.
  • a short profile gap length should be combined with a small (pressure side) blow hole.
  • the two variables fundamentally behave in opposite directions. This means that the smaller the blow hole is modeled, the longer the profile gap length inevitably becomes. Conversely, the shorter the profile gap length, the larger the blow hole becomes. Helpertz, for example, explains this in his Dissertation "Method for the stochastic optimization of screw rotor profiles", Dortmund, 2003 on page 162 .
  • Very flat profiles therefore have poor utilization of the construction volume, i.e. they lead to large compressor blocks with comparatively high material costs and comparatively high manufacturing costs.
  • blow hole area can be kept small by making the head curves of the profiles small in the end cut. Specifically, this can be caused by a strong curvature in the head area of the leading tooth flank of the secondary rotor and in the head area of the trailing tooth flank of the main rotor. However, the stronger this curvature is, the more likely you are to reach production limits, as this leads, for example, to high levels of wear on profile milling cutters and profile grinding wheels during the production of the main rotor and secondary rotor.
  • chamber gusset volume Another cause of internal leaks that reduce efficiency is the so-called chamber gusset volume, which can arise when the last working chamber (i.e. the working chamber in which the highest pressure prevails) is pushed out into the pressure window. Once the rotors reach a certain angle of rotation, the working chamber no longer has a connection to the pressure window. A so-called chamber gusset volume remains between the two rotors and the pressure-side housing end wall.
  • This chamber gusset volume is disadvantageous because the enclosed compressed medium can no longer be pushed out into the pressure window The further rotation of the rotors is further compressed, which leads to unnecessarily high power consumption (for over-compression), an unnecessarily high additional heat input, noise development and a reduction in the service life, especially of the roller bearings of the rotors.
  • the specific performance is impaired because the portion enclosed in the chamber gusset volume returns to the suction side after overcompression and is therefore not available to the compressed air user.
  • oil-injected compressors there is also incompressible oil in the chamber gusset and is squeezed.
  • the material and manufacturing costs of screw compressor blocks are particularly influenced by the manufacturability and the degree of utilization of the construction volume.
  • the object of the present invention is to provide a pair of rotors for a compressor block of a screw machine, which is characterized by high smooth running and particular energy efficiency with high operational reliability and reasonable manufacturing costs.
  • the rotor geometry is essentially characterized by the shape of the front section as well as by the rotor length and the wrap angle, cf. " Method for the stochastic optimization of screw rotor profiles", thesis by Markus Helpertz, Dortmund, 2003, p. 11/12 .
  • the secondary rotor and main rotor have a predetermined, often different number of teeth of the same design per rotor.
  • the outermost circle drawn around the axes C1 or C2 over the vertices of the teeth is referred to as the tip circle.
  • a root circle is defined in the front section by the points on the outer surface of the rotors closest to the axis.
  • the ribs are called the teeth of the rotor.
  • the grooves (or recesses) are referred to as tooth gaps.
  • the surface of the tooth at and above the root circle defines the tooth profile.
  • the contour of the ribs defines the course of the tooth profile.
  • Base points F1 and F2 as well as a vertex F5 are defined for the tooth profile.
  • the apex F5 or H5 is defined by the radially outermost point of the tooth profile. If the tooth profile has several points with the same maximum radial distance from the center defined by the axis C1 or C2, i.e. if the tooth profile follows a circular arc on the tip circle at its radially outer end, the vertex F5 lies exactly in the middle of this circular arc.
  • a tooth gap is defined between two adjacent vertices F5.
  • the points closest radially to the axis C1 or C2 between a tooth under consideration and the adjacent tooth define base points F1 and F2.
  • the tooth profile follows the base circle in sections at its lowest point
  • the corresponding base point F1 or F2 then lies on half of this circular arc lying on the base circle .
  • the meshing of the main rotor and secondary rotor defines a pitch circle for both the secondary rotor and the main rotor.
  • the respective pitch circles In screw machines as well as gears or friction wheels, there are always two circles in the face section of the gearing that roll against each other during movement. These circles, on which the main rotor and secondary rotor roll together in this case, are referred to as the respective pitch circles.
  • the pitch circle diameters of the main rotor and secondary rotor can be determined using the center distance and the number of teeth ratio.
  • peripheral speeds of the main rotor and secondary rotor on the pitch circles are identical.
  • tooth gap areas are defined between the teeth and the respective tip circle KK, namely tooth gap area A6 between the profile of the secondary rotor NR between two adjacent vertices F5 and the tip circle KK 1 or an area A7 as a tooth gap area between the profile of the main rotor (HR) between two neighboring vertices H5 and the head circle KKz.
  • the tooth profile of the secondary rotor (but also of the main rotor) has a leading tooth flank in the direction of rotation and a trailing tooth flank in the direction of rotation.
  • the leading tooth flank is referred to below as F V and the trailing tooth flank as F N.
  • the trailing tooth flank F N forms a point in its section between the tip circle and the root circle in which the curvature of the course of the tooth profile changes. This point is referred to below as F8 and divides the trailing tooth flank F N into a convexly curved portion between F8 and the tip circle and a concavely curved portion between the root circle and F8. Small-scale profile changes, such as those caused by sealing strips or other local profile changes, are not taken into account when considering the change in curvature described above.
  • a wrap angle ⁇ is defined. This wrap angle is the angle by which the end section is rotated from the suction-side to the pressure-side rotor end face, see also the more detailed explanations in connection with Figure 8 .
  • the main rotor has a rotor length L HR , which is defined as the distance from a main rotor rotor end face on the suction side to a main rotor rotor end face on the pressure side.
  • the distance between the parallel first axis C1 of the secondary rotor and the second axis C2 of the main rotor is referred to below as the axis distance a.
  • the length of the main rotor L HR corresponds to the length of the secondary rotor L NR , with the length of the secondary rotor also being understood as the distance between a suction-side secondary rotor rotor end face and a pressure-side secondary rotor rotor end face.
  • a rotor length ratio L HR /a is defined, i.e. a ratio of the rotor length of the main rotor to the center distance.
  • the ratio L HR /a is therefore a measure of the axial dimensioning of the rotor profile.
  • the line of action or the profile gap is created by the interaction of the main rotor and secondary rotor.
  • the line of action is as follows: The tooth flanks of the main rotor and secondary rotor touch each other with backlash-free gearing depending on the rotation angle position of the rotors certain points. These points are called engagement points.
  • the geometric location of all engagement points is called the engagement line and can be calculated in two dimensions using the front section of the rotors, cf. Figure 7j .
  • the line of engagement When viewed from the front section, the line of engagement is divided into two sections by the connecting line between the two center points C1 and C2, namely a (comparatively short) suction-side section and a (comparatively long) pressure-side section.
  • the contact line can also be expanded three-dimensionally and corresponds to the contact line of the main rotor and secondary rotor.
  • the axial projection of the three-dimensional line of action onto the frontal cutting plane results in the following Figure 7j illustrated two-dimensional line of action.
  • the term “interference line” is used in the literature for both two-dimensional and three-dimensional considerations.
  • the term “intervention line” is to be understood as the two-dimensional intervention line, i.e. the projection onto the forehead cut.
  • the profile engagement gap is defined as follows: In the real compressor block of a screw machine, there is play between both rotors at the installation center distance of the main rotor and secondary rotor.
  • the gap between the main rotor and the secondary rotor is called the profile engagement gap and is the geometric location of all points at which the two paired rotors touch each other or are at the shortest distance from each other.
  • the profile engagement gap Through the profile engagement gap, the compressing and expanding working chambers are connected to chambers that are still in contact with the suction side. The entire maximum pressure ratio is therefore present at the profile engagement gap.
  • Working fluid that has already been compressed is transported back to the suction side through the profile engagement gap, thereby reducing the efficiency of the compression. Since the profile engagement gap would be the line of engagement in the case of backlash-free gearing, the profile engagement gap is also referred to as a “quasi-engagement line”.
  • Blow holes between working chambers are created by rounding the teeth of the profile.
  • the working chambers are connected via blowholes with leading and connected to subsequent working chambers, so that (in contrast to the profile engagement gap) only the pressure difference from one working chamber to the next working chamber is present at a blow hole.
  • tooth pairings are common in screw machines, for example a rotor pair in which the main rotor 3 and the secondary rotor have 4 teeth or a rotor pairing in which the main rotor has 4 teeth and the secondary rotor 5 teeth or furthermore a rotor pair geometry in which the main rotor has 5 teeth and the secondary rotor has 6 teeth.
  • rotor pairs or screw machines with different tooth ratios may be used.
  • rotor pair arrangements with a tooth ratio of 4/5 main rotor with 4 teeth, secondary rotor with 5 teeth
  • the number of teeth or the number of teeth specifies different types of rotor pairings and, as a result, different types of screw machines, in particular screw compressors.
  • the relative profile depth of the secondary rotor is a measure of how deep the profiles are cut. For example, as the profile depth increases, the volume utilization increases, but at the expense of the bending rigidity of the secondary rotor.
  • the specified values for the rotor length ratio L HR /a and the wrap angle ⁇ HR represent advantageous or expedient values for the specified number of teeth ratio in order to determine an advantageous rotor pairing in the axial dimension.
  • the aim is to combine a small blow hole with a short length of profile engagement gap.
  • the two parameters behave in opposite directions, ie the smaller the blow hole is modeled, the longer the length of the profile engagement gap inevitably becomes. Conversely, the shorter the length of the profile engagement gap, the larger the blow hole becomes.
  • a particularly favorable combination of the two parameters is achieved in the stressed areas. At the same time, a sufficiently high bending rigidity of the secondary rotor is ensured.
  • a further preferred embodiment provides that in a face section view between the tooth of the secondary rotor (NR) under consideration and the respectively adjacent tooth of the secondary rotor, base points F1 and F2 are defined on the base circle and a vertex F5 at the radially outermost point of the tooth, whereby F1, F2 and F5 a triangle D Z is defined and wherein in a radially outer region the tooth with its leading tooth flank F V formed between F5 and F2 has a surface A1 and with its trailing tooth flank F N formed between F1 and F5 with a surface A2 the triangle D protrudes Z and where 8 ⁇ A2/A1 ⁇ 60 is maintained.
  • the partial tooth surface A1 on the leading tooth flank F V of the secondary rotor has a significant influence on the blowhole surface.
  • the partial tooth surface A2 on the trailing tooth flank F N of the secondary rotor has a significant influence on the length of the profile engagement gap, the chamber extension and the secondary rotor torque.
  • There is an advantageous range for the tooth part area ratio A2/A1 which enables a good compromise between the length of the profile engagement gap on the one hand and the blow hole on the other.
  • the rotor pair has a secondary rotor, in which base points F1 and F2 and a vertex F5 are defined at the radially outermost point of the tooth in a face section view between the tooth of the secondary rotor (NR) under consideration and the respectively adjacent tooth of the secondary rotor, wherein a triangle D Z is defined by F1, F2 and F5 and the leading tooth flank F V formed between F5 and F2 projects in a radially outer region of the tooth with a surface A1 beyond the triangle D Z and in a radially inner region opposite the Triangle D Z with an area A3 recedes and where 7.0 ⁇ A3/A1 ⁇ 35 is maintained.
  • base points F1 and F2 and a vertex F5 are defined at the radially outermost point of the tooth in a face section view between the tooth of the secondary rotor (NR) under consideration and the respectively adjacent tooth of the secondary rotor, wherein a triangle D Z is defined by F1, F2 and F5 and the leading tooth flank F V formed between F5
  • base points F1 and F2 and a vertex F5 are defined at the radially outermost point of the tooth in a face section view between the tooth of the secondary rotor (NR) under consideration and the adjacent tooth of the secondary rotor (NR). are, where F1, F2 and F5 form a triangle D Z is defined and wherein the leading tooth flank F V formed between F5 and F2 projects in a radially outer region of the tooth with a surface A1 beyond the triangle D Z , the tooth itself having a circular arc B running through the between F1 and F2 Axis C1 has a limited cross-sectional area A0 and where 0.5% ⁇ A1/A0 ⁇ 4.5% is maintained.
  • Figures 7d as well as 7e.
  • the offset angle is preferably always positive, i.e. the offset is always in the direction of the direction of rotation and not in the opposite direction.
  • the tooth of the secondary rotor is therefore curved towards the direction of rotation of the secondary rotor.
  • the offset should remain within the range specified as advantageous in order to enable a favorable compromise between the blow hole area, the shape of the line of engagement, the length and shape of the profile engagement gap, the secondary rotor torque, the bending stiffness of the rotors and the chamber extension into the pressure window.
  • Figure 7f See additional information Figure 7f referred.
  • the trailing tooth flank F N of a tooth of the secondary rotor (NR) formed between F1 and F5 has a convex length component of at least 45% to at most 95%.
  • the secondary rotor is preferably designed in such a way that, in an end-section view, the radial beam R drawn from the axis C1 of the secondary rotor (NR) through F5 divides the tooth profile into an area portion A5 assigned to the leading tooth flank F V and an area portion A4 assigned to the trailing tooth flank F N and where 5 ⁇ A 4 / A 5 ⁇ 14 is complied with. It should be noted again at this point that the tooth profile is limited radially inward towards the axis C1 by the root circle FK 1 .
  • the radial beam R divides the tooth profile in such a way that two disjoint surface portions with a total surface portion A5, which are assigned to the leading tooth flank F V , arise, cf. Figure 7g . If the vertex F5 were offset towards the leading tooth flank in such a way that the radial ray R not only touches the leading tooth flank F V but also intersects it at two points, then two disjoint surface portions assigned to the leading tooth flank are defined with a total surface portion A5.
  • the area portion A4 assigned to the trailing tooth flank F N is then limited on the one hand by the radial beam R and in sections, namely between the two intersection points of the leading tooth flank F V with the radial beam R, and on the other hand also by the leading tooth flank F V.
  • a further preferred embodiment has a pair of rotors, which is characterized in that the main rotor HR is designed with a wrap angle ⁇ HR , for which the following applies: 290° ⁇ ⁇ HR ⁇ 360°, preferably 320° ⁇ ⁇ HR ⁇ 360°.
  • the pressure window area can be made larger with the same built-in volume ratio. In addition, this also shortens the axial extent of the one to be pushed out Working chamber, the so-called profile pocket depth. This reduces the exhaust throttle losses, especially at higher speeds, and thus enables better specific performance.
  • a wrap angle that is too large has a negative impact on the construction volume and leads to larger rotors.
  • ⁇ I denotes a profile gap length factor, whereby the length of the profile engagement gap of a tooth gap is set in relation to the profile depth PT 1 . This allows you to set a dimension for the length of the profile engagement gap, regardless of the size of the screw machine.
  • the smaller the numerical value of the characteristic number ⁇ I the shorter the profile gap of a tooth pitch is with the same profile depth and thus the lower the leakage volume flow back to the suction side. From the factor ⁇ I ⁇ ⁇ BI , the goal is to combine a small pressure-side blow hole with a short profile gap. However, as already mentioned, the two key figures behave in opposite directions.
  • main rotor (HR) and secondary rotor (NR) are designed and coordinated with one another in such a way that dry compression with a pressure ratio ⁇ of up to 3, in particular with a pressure ratio ⁇ of greater than 1 and up to 3 , can be achieved, whereby the pressure ratio refers to the ratio of final compression pressure to intake pressure.
  • a further preferred embodiment provides a pair of rotors such that the main rotor (HR) is designed to be operable with respect to a tip circle KK 2 with a peripheral speed in a range of 20 to 100 m/s.
  • a further embodiment has a pair of rotors, which is characterized in that for a diameter ratio defined by the ratio of the tip circle radii of the main rotor (HR) and secondary rotor (NR).
  • D v Dk 2
  • the aim is to combine a small blow hole with a short length of profile engagement gap.
  • the two parameters behave in opposite directions, i.e. the smaller the blowhole is modeled, the longer the length inevitably becomes of the profile engagement gap. Conversely, the shorter the length of the profile engagement gap, the larger the blow hole becomes.
  • a particularly favorable combination of the two parameters is achieved in the stressed areas.
  • a sufficiently high bending rigidity of the secondary rotor is ensured.
  • a further preferred embodiment provides that in a face section view between the tooth of the secondary rotor (NR) under consideration and the respectively adjacent tooth of the secondary rotor (NR), base points F1 and F2 are defined on the base circle and a vertex F5 is defined at the radially outermost point of the tooth, where a triangle D Z is defined by F1, F2 and F5 and wherein in a radially outer region the tooth with its leading tooth flank F V formed between F5 and F2 has a surface A1 and with its trailing tooth flank F N formed between F1 and F5 with a Area A2 protrudes beyond the triangle D Z and where 6 ⁇ A2/A1 ⁇ 15 is maintained.
  • the partial tooth surface A1 on the leading tooth flank F V of the secondary rotor has a significant influence on the blowhole surface.
  • the partial tooth surface A2 on the trailing tooth flank F N of the secondary rotor has a significant influence on the length of the profile engagement gap, the chamber extension and the secondary rotor torque.
  • There is an advantageous range for the tooth part area ratio A2/A1 which enables a good compromise between the length of the profile engagement gap on the one hand and the blow hole on the other.
  • the pair of rotors has a secondary rotor, in which base points F1 and F2 are defined in a face section view between the tooth of the secondary rotor (NR) under consideration and the adjacent tooth of the secondary rotor (NR) and a vertex F5 is defined at the radially outermost point of the tooth are, where a triangle D Z is defined by F1, F2 and F5 and where the leading tooth flank F V formed between F5 and F2 projects in a radially outer region of the tooth with a surface A1 beyond the triangle D Z and in a radially inner region recedes from the triangle D Z with an area A3 and where 9.0 ⁇ A3/A1 ⁇ 18 is maintained.
  • base points F1 and F2 and a vertex F5 are defined at the radially outermost point of the tooth in a face section view between the tooth of the secondary rotor (NR) under consideration and the adjacent tooth of the secondary rotor (NR).
  • a triangle D Z is defined by F1, F2 and F5 and where the leading tooth flank F V formed between F5 and F2 projects in a radially outer region of the tooth with a surface A1 beyond the triangle D Z , the tooth itself having a has a cross-sectional area A0 limited by the circular arc B running between F1 and F2 around the center defined by the axis C1 and where 1.5% ⁇ A1/A0 ⁇ 3.5% is maintained.
  • the offset angle is preferably always positive, i.e. the offset is always in the direction of the direction of rotation and not in the opposite direction.
  • the tooth of the secondary rotor is therefore curved towards the direction of rotation of the secondary rotor.
  • the offset should stay within the range specified as advantageous in order to enable a favorable compromise between the blow hole area, the shape of the line of engagement, the length and shape of the profile engagement gap, the secondary rotor torque, the bending stiffness of the rotors and the chamber extension into the pressure window.
  • Figure 7f See additional information Figure 7f referred.
  • the trailing tooth flank F N of a tooth of the secondary rotor (NR) formed between F1 and F5 has a convex length component of at least 55% to at most 95%.
  • the secondary rotor is preferably designed in such a way that, in an end-section view, the radial beam R drawn from the axis C1 of the secondary rotor (NR) through F5 divides the tooth profile into an area portion A5 assigned to the leading tooth flank F V and an area portion A4 assigned to the trailing tooth flank F N and where 4 ⁇ A 4 / A 5 ⁇ 9 is complied with. It should be noted again at this point that the tooth profile is limited radially inward towards the axis C1 by the root circle FK 1 .
  • the radial beam R divides the tooth profile in such a way that two disjoint surface portions with a total surface portion A5, which are assigned to the leading tooth flank F V , arise, cf. Figure 7g . If the vertex F5 were offset towards the leading tooth flank in such a way that the radial ray R not only touches the leading tooth flank F V but also intersects it at two points, then two disjoint surface portions assigned to the leading tooth flank are defined with a total surface portion A5.
  • the area portion A4 assigned to the trailing tooth flank F N is then limited in sections by the radial beam R, namely between the two intersection points of the leading tooth flank F V with the radial beam R, and also by the leading tooth flank F V.
  • a further preferred embodiment has a pair of rotors, which is characterized in that the main rotor HR is designed with a wrap angle ⁇ HR , for which the following applies: 320° ⁇ ⁇ HR ⁇ 360°, preferably 330° ⁇ ⁇ HR ⁇ 360°.
  • the pressure window area can be made larger with the same built-in volume ratio. In addition, this also shortens the axial extent of the working chamber to be pushed out, the so-called profile pocket depth. This reduces the exhaust throttle losses, especially at higher speeds, and thus enables better specific performance.
  • a wrap angle that is too large has a negative impact on the construction volume and leads to larger rotors.
  • ⁇ I denotes a profile gap length factor, whereby the length of the profile engagement gap of a tooth gap is set in relation to the profile depth PT 1 . This allows you to set a dimension for the length of the profile engagement gap, regardless of the size of the screw machine. The smaller the numerical value of the characteristic figure ⁇ I , the shorter the profile gap is for the same profile depth and therefore the lower the leakage volume flow back to the suction side.
  • the factor ⁇ I ⁇ ⁇ BI gives the goal of a small pressure-side blowhole with a short profile gap. However, as already mentioned, the two key figures behave in opposite directions.
  • main rotor (HR) and secondary rotor (NR) are designed and coordinated with one another in such a way that dry compression with a pressure ratio of up to 5, in particular with a pressure ratio ⁇ of greater than 1 and up to 5, or alternatively, a fluid-injected compression can be achieved with a pressure ratio of up to 16, in particular with a pressure ratio greater than 1 and up to 16, the pressure ratio denoting the ratio of the final compression pressure to the intake pressure.
  • a further preferred embodiment provides a pair of rotors such that in the case of dry compression the main rotor has a peripheral speed in a range of 20 to 100 m/s in relation to a tip circle KK 2 and in the case of fluid-injected compression the main rotor has a peripheral speed in is designed to be operable in a range of 5 to 50 m/s.
  • a further embodiment has a pair of rotors, which is characterized in that for a diameter ratio defined by the ratio of the tip circle radii of the main rotor (HR) and secondary rotor (NR).
  • D v Dk 2
  • the teeth of the secondary rotor taper outwards, that is, all circular arcs extending perpendicularly from the trailing tooth flank F N to a radial beam emanating from the center defined by the axis C1 and drawn through the point F5 leading tooth flank F V starting from F1 to F2 in the sequence radially outwards (or in sections at least stay the same).
  • the teeth of the secondary rotor are designed in such a way that there are no constrictions, i.e. the width of a tooth of the secondary rotor does not increase at any point, but rather decreases radially outwards or remains the same at most. This is considered useful in order to achieve a small pressure-side blow hole while still maintaining a short profile engagement gap length.
  • the face cut design of the secondary rotor (NR) is carried out in such a way that the effective direction of the torque, which results from a reference pressure on the partial surface of the secondary rotor delimiting a working chamber, is directed opposite to the direction of rotation of the secondary rotor.
  • Rotor chatter is understood to mean a leading and lagging of the secondary rotor about its axis of rotation superimposed on the uniform rotational movement, which is accompanied by a rapidly changing impact of the trailing secondary rotor flanks on the leading main rotor flanks and then of the leading secondary rotor flanks on the trailing main rotor flanks, etc.
  • This problem occurs in particular when the moment from the gas forces together with other moments (eg from bearing friction) on the secondary rotor is undefined (eg close to zero), which is effectively avoided by the advantageous front cut design.
  • main rotor (HR) and secondary rotor (NR) are designed and coordinated with one another to convey air or inert gases, such as helium or nitrogen.
  • the profile of a tooth of the secondary rotor is asymmetrically designed with respect to the radial beam R drawn from the center point, which is defined by the axis C1, through the apex F5.
  • the leading tooth flank and trailing tooth flank of each tooth are designed to be asymmetrical to one another.
  • This asymmetrical design is already known per se for screw compressors. However, it contributes significantly to efficient compaction.
  • a further preferred embodiment provides that in a front section view a point C on the connecting route C1C2 _ is defined between the first axis C1 and the second axis C2, where the pitch circles WK 1 of the secondary rotor (NR) and WK 2 of the main rotor (HR) touch, that K5 is the intersection of the root circle FK 1 of the secondary rotor (NR) with the connecting section C1C2 _ defined, where r 1 measures the distance between K5 and C, and that K4 denotes the point of the suction-side part of the line of action that is furthest from the connecting section C1C2 _ is spaced between C1 and C2, where r 2 measures the distance between K4 and C and where: 0.9 ⁇ r 1 r 2 ⁇ 0.875 ⁇ e.g 1 e.g 2 + 0.22 with z 1 : number of teeth on the secondary rotor (NR) and z 2 : number of teeth on the main rotor (HR).
  • the flexural rigidity of the rotors is sufficiently high so that the rotors do not bend significantly during operation and therefore the gaps (between the rotors or between the rotors and the compressor housing) can be made relatively narrow without the risk of that the rotors come into contact with each other or in the compressor housing under unfavorable operating conditions (high temperatures and/or high pressures). Narrow gaps offer the advantage of low backflow and thus contribute to energy efficiency. At the same time, operational safety is guaranteed despite the small gap dimensions.
  • a high level of flexural rigidity of the rotors is also advantageous in rotor production in order to meet the high demands on shape tolerances.
  • the ratio of L HR /a is such that the center distance a is not excessively large in relation to the rotor length L HR .
  • This is advantageous because, as a result, the rotor diameters and, more specifically, the end faces of the rotors are not excessively large. On the one hand, this allows the gap lengths to be kept small; thereby reducing the backflow into previous working chambers and thereby improving energy efficiency.
  • the axial forces resulting from the pressurized pressure-side end faces of the rotors can also be advantageously kept small by means of small-sized end faces; these axial forces act on the rotors and in particular on during operation the rotor bearing. By minimizing these axial forces, the load on the (rolling) bearings can be minimized or the bearings can be made smaller.
  • the above-described design of the tooth profile of the secondary rotor is particularly relevant for a tooth number ratio of 3/4 or 4/5. With such a tooth number ratio, the blowhole area can be reduced by complying with the condition stated above. With a tooth number ratio of 5/6, however, the aforementioned point of contact or intersection points with the leading tooth flank F V does not appear desirable, since the teeth of the secondary rotor may then become too thin and, as a result, too flexible.
  • a compressor block comprising a compressor housing and a pair of rotors as described above is claimed as according to the invention, the rotor pair comprising a main rotor HR and a secondary rotor NR, each of which is rotatably mounted in the compressor housing.
  • the compressor block is designed in such a way that the end cut design is carried out in such a way that the working chamber formed between the tooth profiles of the main rotor (HR) and secondary rotor (NR) can be pushed out essentially completely into the pressure window.
  • the face cut design of the two rotors advantageously ensures that no chamber gusset volume is formed between the two rotors when the working chamber is pushed out into the pressure window.
  • the compression can be carried out particularly efficiently because there is no backflow of already compressed medium onto the suction side, and therefore no additional heat input occurs.
  • the entire compressed volume can be used by downstream compressed air consumers.
  • overcompression results in advantages for energy efficiency, for the smooth running of the compressor block and for the service life of the rotor bearings. With oil-injected compressors, squeezing of the oil is prevented, thus improving the smooth running of the compressor, reducing the load on the rotor bearings and reducing the stress on the oil.
  • a shaft end of the main rotor is led out of the compressor housing and designed for connection to a drive, with preferably both shaft ends of the secondary rotor being completely accommodated within the compressor housing.
  • Radial jet R 10 Radial beam R 10 has 2 intersection points with the leading tooth flank F V - characteristic
  • Example 1 Example 2
  • Example 3 Illustrative example 4 Area ratio A4/A5 [-] 7.5 10.1 5.5 - Wrap angle ⁇ HR 334.7° 330.3 330.3 ⁇ BI [%] 0.159 0.086 0.106 0.18 ⁇ BI ⁇ ⁇ l [%] 0.94 0.53 0.631 1,058
  • Profile end section design q regarding chamber extension The working chamber can essentially be completely pushed out into the pressure window.
  • Profile end section design with regard to secondary rotor torque The effective direction of the NR torque resulting from the gas forces is directed opposite to the direction of rotation of the secondary rotor.
  • the isentropic block efficiency in comparison to the prior art is for the second exemplary embodiment at the 3/4 tooth number ratio in Figure 5 illustrated. Two curves with the same pressure ratio are shown there. The specific pressure ratio shown is 2.0 (ratio of outlet pressure to inlet pressure). The isentropic block efficiency could be significantly improved compared to the values achievable with the state of the art.
  • the specified delivery quantity corresponds to the delivery volume flow of the compressor block based on the intake condition.
  • the leading tooth flank F V and the trailing tooth flank F N are marked on a secondary rotor tooth.
  • a tooth gap 23 is marked as a representative of all tooth gaps in the secondary rotor.
  • the profile course of the leading tooth flank F V and the trailing tooth flank F N shown corresponds to that based on Figure 4 for a tooth number ratio of 5/6 explained embodiment.
  • Figure 7b shows the tooth gap surfaces A6 and A7 in a front section view as well as a side view of a blow hole.
  • the profile curves shown to explain the tooth gap surfaces A6 and A7 correspond to that for a tooth number ratio of 3/4 based on Figure 1 illustrated embodiment.
  • the coordinate system is spanned by the u-axis parallel to the rotor end faces along the pressure-side intersection edge 11.
  • the pressure-side blow hole lies in the coordinate system described and, specifically, in a plane perpendicular to the rotor end faces between the pressure-side intersection edge 11 and an engagement line point K2 of the pressure-side part of the engagement line.
  • the engagement line 10 is divided into two sections by the connecting line between the two center points C1 and C2: the suction-side part of the engagement line is shown below, the pressure-side part above the connecting line.
  • K2 denotes the point of the pressure-side part of the line of action 10 which is furthest away from the straight line through C1 and C2.
  • a pressure-side intersection edge 11 The intersection of the tip circles of the two rotors creates a pressure-side intersection edge 11 and a suction-side intersection edge 12.
  • Fig. 7b the pressure-side intersection edge 11 is shown as a point in an end-section view. The same applies to the representation of the suction-side intersection edge 12.
  • the u-axis is parallel to the rotor end faces and, when viewed from the end face, corresponds to the vector from the line of action point K2 to the pressure-side intersection edge 11.
  • Figure 7c shows a face sectional view of a tooth of the secondary rotor with the concentric circular arcs B 25 , B 50 , B 75 running within the rotor tooth around the center point C1 with the associated radii r 25 , r 50 , r 75 and the associated arc lengths b 25 , b 50 , b75 .
  • the circular arcs B 25 , B 50 , B 75 are each limited by the leading tooth flank F V and the trailing tooth flank F N.
  • the based on Figure 7c The profile course of the leading tooth flank F V and the trailing tooth flank F N shown corresponds to that based on Figure 4 for a tooth number ratio of 5/6 explained embodiment.
  • Figure 7d shows base points F1 and F2 on the base circle and at the radially outermost point of the tooth in a face section view between the tooth of the secondary rotor under consideration and the adjacent tooth of the secondary rotor Vertex F5. Furthermore, the triangle D Z defined by the points F1, F2 and F5 is shown.
  • Tooth partial surface A1 corresponds to the surface with which the tooth under consideration with its leading tooth flank F V formed between F5 and F2 protrudes beyond the triangle D Z in a radially outer region.
  • Tooth partial surface A2 corresponds to the surface with which the tooth under consideration with its trailing tooth flank F N formed between F5 and F1 protrudes beyond the triangle D Z in a radially outer region.
  • Area A3 corresponds to the area with which the tooth under consideration with its leading tooth flank formed between F5 and F2 recedes from the triangle D Z.
  • tooth pitch angle ⁇ corresponding to 360°/number of teeth of the secondary rotor.
  • the profile course of the leading tooth flank F V and the trailing tooth flank F N shown corresponds to that based on Figure 4 for a tooth number ratio of 5/6 explained embodiment.
  • Figure 7e shows, in an end-section view, the cross-sectional area A0 of a tooth of the secondary rotor, which is limited by the circular arc B running between F1 and F2 around the center point C1.
  • the based on Figure 7e The profile course of the leading tooth flank F V and the trailing tooth flank F N shown corresponds to that based on Figure 4 for a tooth number ratio of 5/6 explained embodiment.
  • Figure 7f shows the offset angle ⁇ in a front section view. This is defined by the offset from point F11 to point F12 viewed in the direction of rotation of the secondary rotor.
  • F11 is a point on half the circular arc B between F1 and F2 around the center point C1 and therefore corresponds to the intersection of the bisector of the tooth pitch angle ⁇ with the circular arc B.
  • Figure 7g shows, in a face section view, the turning point F8 on the trailing tooth flank F N of the secondary rotor, in which the curvature of the course of the tooth profile between the tip and root circles changes.
  • the trailing tooth flank F N of the secondary rotor is divided by the point F8 into a substantially convexly curved portion between F8 and the apex F5 and a substantially concavely curved portion between F8 and the base point F1.
  • Figure 7h shows, in an end-section view, two intersection points of the radial beam R 10 from C1 to F10 with the leading tooth flank F V of the secondary rotor, where the point F10 denotes the point of the leading tooth flank F V which lies on the tip circle KK 1 with rk 1 and is furthest from F5 is spaced.
  • the tooth flank follows a circular arc ARC 1 with radius rk 1 around the center of the secondary rotor defined by the axis C1 over a defined section on the radial outside.
  • the profile curves of the leading tooth flank F V and the trailing tooth flank F N explained correspond to the exemplary embodiment described for a tooth number ratio of 3/4 Figure 1 .
  • Figure 7i shows the tooth profile divided by the radial beam R drawn from C1 to F5 in a face section view.
  • the tooth profile is divided into an area portion A4 assigned to the trailing tooth flank F N and an area portion A5 assigned to the leading tooth flank F V.
  • the based on Figure 7i The profile curves of the leading tooth flank F V and the trailing tooth flank F N explained correspond to the exemplary embodiment described for a tooth number ratio of 5/6 Figure 4 .
  • Figure 7j shows, in a front sectional view, the line of action 10 between the main and secondary rotors as well as the two concentric circles around point C with the radii r 1 and r 2 to describe the characteristic features of the course of the suction-side part of the line of action.
  • the line of action 10 is divided into two sections by the connecting section between the first axis C1 and the second axis C2: the suction-side part of the line of action is below, the pressure-side part is above the connecting section C1C2 _ shown.
  • Point C is the contact point of the pitch circle WK 1 of the secondary rotor with the pitch circle WK 2 of the main rotor.
  • K4 designates the point of the suction-side part of the line of action that is furthest away from the connecting section between C1 and C2.
  • Radius r 1 is the distance between K5 and C
  • radius r 2 is the distance between K4 and C.
  • Figure 7k shows a pressure-side blow hole surface A BI of a working chamber in a sectional view perpendicular to the rotor end faces.
  • the boundary of the blow hole area A BI arises from the intersection line 27 of the imaginary flat surface described above with the leading secondary rotor flank F V , the intersection line 26 of the plane with the trailing HR flank and a straight section [K1 K3] of the pressure-side intersection edge 11.
  • Figure 9 shows a schematic sectional view of a compressor block 19 comprising a housing 15 and two rotors mounted in pairs, namely a main rotor HR and a secondary rotor NR.
  • the main rotor HR and secondary rotor NR are each rotatably mounted in the housing 15 via suitable bearings 16.
  • a drive power can be applied to a shaft 17 of the main rotor HR, for example with a motor (not shown) via a clutch 18.
  • the compressor block shown is an oil-injected screw compressor in which the torque is transmitted between the main rotor HR and secondary rotor NR directly via the rotor flanks.
  • contact with the rotor flanks can be avoided by means of a synchronization gear (not shown).
  • an intake port for sucking in the medium to be compressed and an outlet for the compressed medium are also not shown.
  • FIG 10 An interlocking main rotor HR and secondary rotor NR are shown in a perspective view.
  • Figure 11 shows the spatial line of action 10 of exactly one tooth gap 23.
  • the profile gap length I sp is the length of the spatial line of action of exactly one tooth gap 23. This therefore corresponds to the profile gap length of exactly one tooth pitch.
  • the total torque from the gas forces on the secondary rotor is composed of the sum of the torque effects of the gas pressures in all working chambers on the partial surfaces of the secondary rotor delimiting the respective working chambers.
  • Fig. 12a Such a partial surface (22) of the secondary rotor delimiting a working chamber is shown hatched as an example.
  • Figure 12b shows the division of the in Figure 12a shown a partial surface (22) delimiting the working chamber into an area (28) shown in dotted lines and an area (29) shown cross-hatched. Only the cross-hatched area (29) contributes to the torque.
  • the partial surface (22) results from the specific face cut design and the pitch of the secondary rotor.
  • the pitch of the secondary rotor refers to the pitch of the helical teeth of the secondary rotor.
  • the three-dimensional engagement line (10), also shown and delimiting the partial surface, is also determined by the front section design of the secondary rotor and the pitch.
  • Partial surface (22) is also limited by cutting line (27). Details on cutting line (27) have already been discussed as part of the Figures 7b and 7k shown and described. The same applies to the line of action point K2.
  • the specific length of a working chamber in the direction of the rotor axis between the secondary rotor end face (20) on the one hand and the boundary caused by the three-dimensional engagement line (10) and cutting line (27) on the other hand, which depends on the angular position of the secondary rotor to the main rotor, does not play a significant role here because - as in the relevant literature - the gas pressures on areas of the rotor surface that correspond to complete tooth gaps in a section plane perpendicular to the axis of the rotor (in Fig. 12b shown dotted), make no contribution to the torque.
  • the pitch of the secondary rotor only affects the amount, but not the effective direction, of the torque.
  • the effective direction of the torque that the gas pressure in the working chamber (or any reference pressure) causes on the partial surface of the secondary rotor delimiting the working chamber is determined by the front section design of the secondary rotor.
  • the advantageous front section design of the secondary rotor (NR) described above therefore leads to an effective direction (25) of the torque from the gas forces for each partial surface (22) of the secondary rotor delimiting a working chamber and thus for the entire secondary rotor, which is opposite to the direction of rotation (24) of the secondary rotor is directed, which effectively prevents rotor chatter.
  • the exemplary embodiments shown demonstrate that with the present invention a significant increase in efficiency could be achieved for a pair of rotors used in screw machines consisting of a main rotor and a secondary rotor with a corresponding profile geometry.
  • profile histories can also be generated using publicly accessible computer programs - as is well known to those skilled in the art in the present field.
  • SV_Win a project at the Vienna University of Technology, is mentioned purely as an example in this context; this software is described in great detail in Grafinger's habilitation thesis mentioned at the beginning.
  • An alternative, publicly accessible computer program is also the DISCO software and in particular the SCORPATH module from City University London (Centre for Positive Displacement Compressor Technology). General information can be found on http://www.city-compressors.co. uk/. Information on installing the software can be found at http://www.staff.city.ac.uk/ ⁇ ra600/DISCO/DISCO/Instalation%20instructions.pdf. A preview of the DISCO software can be found at http://www.staff.city.ac.uk/ ⁇ ra600/DISCO/DISCO%20Preview.htm.
  • ScrewView software is also available in the Dissertation “Directed Evolutionary Algorithms” by Stefan Berlik, Dortmund 2006 (p. 173 f .) mentioned.
  • the ScrewView software is described in more detail in connection with the project “Method for the design of dry-running rotary displacement machines” on the website http://pi.informatik.uni-balden.de/Arbeiter/berlik/excellente/.
  • a tooth with a trailing rotor flank F N and a leading rotor flank F V is specifically generated as follows:
  • the section S1 to S2 results from a circular arc on the secondary rotor NR around the center point C1, generated by the circular arc section T1 to T2 around the center point C2 on the Main rotor HR.
  • the section S2 to S3 results from an envelope curve to a trochoid, generated by the circular arc section T2 to T3 around the center point M4 on the main rotor HR.
  • the section S3 to S4 is defined by a circular arc around the center M1.
  • the section S4 to S5 is defined by a circular arc around the center M2.
  • the section S5 to S6 is defined by a circular arc around the center point C1.
  • the subsequent section S6 to S7 is defined by a circular arc around the center point M3.
  • the section S7 to S1 is predetermined by an envelope to a trochoid, generated by the circular arc section T7 to T1 around the center point M5 on the main rotor HR.
  • the profile of the teeth of the main rotor HR is for the exemplary embodiment according to Figures 1 to 4 also based on the Figures 13 to 16 briefly explained below.
  • the section T1-T2 results from a circular arc on the main rotor HR around the center point C2 on the main rotor HR.
  • the section T2-T3 is defined by the circular arc on the main rotor HR around the center point M4.
  • the section T3-T4 results from an envelope to a trochoid, generated by section S3-S4 on the secondary rotor NR.
  • the section T4-T5 is specified by an envelope to a trochoid, generated by section S4-S5 on the secondary rotor.
  • the section T5-T6 is created by a circular arc around the center point C2, created by the circular arc section S5-S6 around the center point C1 defined on the secondary rotor NR.
  • the section T6-T7 results from an envelope to a trochoid, generated by section S6-S7 on the secondary rotor NR.
  • the section T7-T1 is defined by a circular arc around the center point M5.
  • the profile curves of the secondary rotor NR and main rotor HR are of course coordinated with one another and in this respect the envelope curves of a trochoid correspond to circular arc sections on the counter rotor.
  • a tangential transition from one section to the next is guaranteed.
  • a general procedure for calculating the profile of the counter rotor is, for example, in Dissertation by Helpertz, "Method for the stochastic optimization of screw rotor profiles", Dortmund, 2003, p. 60 ff . described.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rotorpaar für einen Verdichterblock einer Schraubenmaschine, wobei das Rotorpaar aus einem um eine erste Achse rotierenden Hauptrotor und einem um eine zweite Achse rotierenden Nebenrotor besteht nach den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 9. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Verdichterblock mit einem entsprechenden Rotorpaar.The invention relates to a pair of rotors for a compressor block of a screw machine, the rotor pair consisting of a main rotor rotating about a first axis and a secondary rotor rotating about a second axis according to the features of claim 1 or 9. The invention further relates to a compressor block with a corresponding pair of rotors .

Schraubenmaschinen, sei es als Schraubenverdichter oder als Schraubenexpander, sind seit mehreren Jahrzehnten im praktischen Einsatz. Ausgestaltet als Schraubenverdichter haben sie in vielen Bereichen Hubkolbenverdichter als Verdichterverdrängt. Mit dem Prinzip des ineinandergreifenden Schraubenpaars lassen sich nicht nur Gase unter Aufwendung einer bestimmten Arbeitsleistung komprimieren. Die Anwendung als Vakuumpumpe eröffnet auch den Einsatz von Schraubenmaschinen zur Erzielung eines Vakuums. Schließlich kann durch das Hindurchleiten von unter Druck stehenden Gasen anders herum auch eine Arbeitsleistung erzeugt werden, so dass aus unter Druck stehenden Gasen mittels des Prinzips der Schraubenmaschine auch mechanische Energie gewonnen werden kann.Screw machines, be it as screw compressors or screw expanders, have been in practical use for several decades. Designed as screw compressors, they have replaced reciprocating compressors as compressors in many areas. With the principle of the interlocking pair of screws, not only gases can be compressed using a certain amount of work. The application as a vacuum pump also opens up the use of screw machines to achieve a vacuum. Finally, by passing pressurized gases through, work can also be generated the other way around, so that mechanical energy can also be obtained from pressurized gases using the principle of the screw machine.

Schraubenmaschinen weisen allgemein zwei parallel zueinander angeordnete Wellen auf, auf denen einerseits ein Hauptrotor und andererseits ein Nebenrotor sitzen. Hauptrotor und Nebenrotor greifen mit entsprechender schraubenförmiger Verzahnung ineinander. Zwischen den Verzahnungen und einem Verdichtergehäuse, in dem Haupt- und Nebenrotor aufgenommen sind, wird durch die Zahnlückenvolumina ein Verdichtungsraum (Arbeitskammern) gebildet. Ausgehend von einem Ansaugbereich wird mit fortschreitender Drehung von Haupt-und Nebenrotor die Arbeitskammer zunächst geschlossen und dann kontinuierlich im Volumen verringert, so dass eine Verdichtung des Mediums eintritt. Schließlich wird bei fortschreitender Drehung die Arbeitskammer zu einem Druckfenster hin geöffnet und das Medium in das Druckfenster ausgeschoben. Durch diesen Vorgang der inneren Verdichtung unterscheiden sich als Schraubenkompressoren ausgebildete Schraubenmaschinen von Rootsgebläsen, die ohne innere Verdichtung arbeiten.Screw machines generally have two shafts arranged parallel to one another, on which a main rotor sits on the one hand and a secondary rotor on the other. The main rotor and secondary rotor mesh with each other with corresponding helical teeth. Between the teeth and one Compressor housing, in which the main and secondary rotors are accommodated, a compression space (working chambers) is formed by the tooth gap volumes. Starting from a suction area, as the rotation of the main and secondary rotors progresses, the working chamber is initially closed and then continuously reduced in volume, so that the medium is compressed. Finally, as the rotation progresses, the working chamber is opened to a pressure window and the medium is pushed out into the pressure window. This process of internal compression distinguishes screw machines designed as screw compressors from Roots blowers, which work without internal compression.

Je nach gefordertem Druckverhältnis (Verhältnis Ausgangsdruck zu Eingangsdruck) sind für eine effiziente Verdichtung unterschiedliche Zähne-Zahlverhältnisse sinnvoll.Depending on the required pressure ratio (ratio of outlet pressure to inlet pressure), different tooth number ratios make sense for efficient compaction.

Typische Druckverhältnisse können je nach Zähne-Zahlverhältnis zwischen 1,1 und 20 liegen, wobei das Druckverhältnis das Verhältnis von Verdichtungsenddruck zu Ansaugdruck ist. Die Verdichtung kann ein- oder mehrstufig erfolgen. Erzielbare Enddrücke können beispielsweise im Bereich 1,1 bar bis 20 bar liegen. Soweit an dieser Stelle oder nachfolgend in der vorliegenden Anmeldung auf Druckangaben in "bar" Bezug genommen wird, so beziehen sich derartige Druckangaben jeweils auf Absolutdrücke.Depending on the number of teeth, typical pressure ratios can be between 1.1 and 20, whereby the pressure ratio is the ratio of the final compression pressure to the intake pressure. The compaction can take place in one or more stages. Achievable final pressures can be in the range 1.1 bar to 20 bar, for example. As far as pressure information in “bar” is referred to at this point or subsequently in the present application, such pressure information refers to absolute pressures.

Schraubenmaschinen können neben der bereits erwähnten Funktion als Vakuumpumpe oder als Schraubenexpander auf unterschiedlichen Gebieten der Technik als Verdichter eingesetzt werden. Ein besonders bevorzugtes Anwendungsgebiet liegt bei der Verdichtung von Gasen, wie z.B. Luft oder inerten Gasen, (Helium, Stickstoff,...). Es ist aber auch möglich, wenngleich dies im Speziellen baulich andere Anforderungen stellt, eine Schraubenmaschine zur Verdichtung von Kältemitteln, beispielsweise für Klimaanlagen oder Kälteanwendungen, einzusetzen. Bei der Verdichtung von Gasen gerade bei höheren Druckverhältnissen wird meist mit einer fluideingespritzten Verdichtung, insbesondere einer öleingespritzten Verdichtung gearbeitet; es ist aber auch möglich, eine Schraubenmaschinen nach dem Prinzip der trockenen Verdichtung zu betreiben. Im Niederdruckbereich werden Schraubenverdichter gelegentlich auch als Schraubengebläse bezeichnet.In addition to the already mentioned function as a vacuum pump or as a screw expander, screw machines can be used as a compressor in various areas of technology. A particularly preferred area of application is the compression of gases, such as air or inert gases (helium, nitrogen,...). However, it is also possible, although this poses different structural requirements in particular, to use a screw machine to compress refrigerants, for example for air conditioning or refrigeration applications. When compressing gases, especially at higher pressure conditions, fluid-injected compression, in particular oil-injected compression, is usually used; However, it is also possible to operate screw machines based on the principle of dry compression. In the low-pressure range, screw compressors are sometimes also referred to as screw blowers.

Es sind in den vergangenen Jahrzehnten beträchtliche Erfolge hinsichtlich der Herstellbarkeit, der Zuverlässigkeit, der Laufruhe sowie der Effizienz von Schraubenmaschinen erzielt worden. Verbesserungen bzw. Optimierungen beziehen sich dabei häufig auf Optimierungen des Wirkungsgrades in Abhängigkeit von Zähnezahl, Umschlingungswinkel und Längen-/Durchmesserverhältnis der Rotoren. Die Hinzunahme der Stirnschnitte in den Optimierungsprozess findet man erst in jüngster Zeit.In recent decades, considerable success has been achieved in terms of the manufacturability, reliability, smooth running and efficiency of screw machines. Improvements or optimizations often refer to optimizing the efficiency depending on the number of teeth, wrap angle and length/diameter ratio of the rotors. The addition of face cuts to the optimization process has only recently become apparent.

Versuche haben gezeigt, dass der Stirnschnitt der Rotoren, insbesondere der Stirnschnitt des Nebenrotors, einen wesentlichen Einfluss auf die Energieeffizienz hat. Zur Einhaltung der Verzahnungsgesetze muss der Stirnschnitt des Nebenrotors seine Entsprechung im Stirnschnitt des Hauptrotors finden. Als Stirnschnitt wird hierbei das Profil des Rotors in einer zur Achse des Rotors senkrechten Ebene bezeichnet. Aus dem Stand der Technik sind mittlerweile unterschiedliche Arten der Stirnschnitterzeugung wie beispielsweise rotor- oder zahnstangenbasierte Stirnschnitt-Erzeugungsverfahren bekannt. Hat man sich für ein bestimmtes Verfahren entschieden, so wird in einem ersten Schritt ein erster Entwurfsstirnschnitt erzeugt. Dieser wird herkömmlicherweise in mehreren folgenden (Überarbeitungs-)Schritten nach verschiedenen Kriterien weiter optimiert.Tests have shown that the face cut of the rotors, especially the face cut of the secondary rotor, has a significant influence on energy efficiency. In order to comply with the gearing laws, the face cut of the secondary rotor must correspond to the face cut of the main rotor. The profile of the rotor in a plane perpendicular to the axis of the rotor is referred to as the end section. Different types of end cut generation, such as rotor or rack-based end cut generation methods, are now known from the prior art. If you have decided on a specific process, the first step is to create an initial draft front section. This is conventionally further optimized in several subsequent (revision) steps according to various criteria.

Hierbei sind sowohl die Optimierungsziele an sich (Energieeffizienz, Laufruhe, niedrige Kosten) als auch die Tatsache, dass die Verbesserungen eines Parameters z.T. zwangsläufig zur Verschlechterung eines anderen Parameters führen, bekannt. An einer konkreten Lösung, wie ein gutes Gesamt-Optimierungsergebnis (d.h. ein Kompromiss zwischen den verschiedenen Einzelparameter-Optimierungen) erzielt werden kann, mangelt es jedoch.Both the optimization goals themselves (energy efficiency, smooth running, low costs) and the fact that improvements in one parameter inevitably lead to a deterioration in another parameter are known. However, there is a lack of a concrete solution as to how a good overall optimization result (i.e. a compromise between the various individual parameter optimizations) can be achieved.

Beispielhaft sollen im Folgenden einige Optimierungsansätze, die im Hinblick auf eine Verbesserung der Energieeffizienz, der Laufruhe und der Kosten im Stand der Technik bekannt sind, erläutert werden. Weiterhin sollen Probleme benannt werden, die hierbei auftreten können.As an example, some optimization approaches that are known in the state of the art with regard to improving energy efficiency, smooth running and costs will be explained below. Furthermore, problems that can arise should be identified.

1 Energieeffizienz1 Energy efficiency

Die Energieeffizienz von Verdichterblöcken lässt sich in bekannter Weise vorteilhaft beeinflussen durch die Minimierung der inneren Leckagen im Verdichterblock und insbesondere durch die Verringerung der Spalte zwischen Hauptrotor und Nebenrotor. Konkret sind hier der Profilspalt und das Blasloch zu unterscheiden:

  • Über den Profilspalt haben die druckseitigen Arbeitskammern direkte Verbindung zur Ansaugseite und damit eine größtmögliche Druckdifferenz für Rückströmungen.
  • Aufeinanderfolgende Arbeitskammern sind über einen theoretisch nicht notwendigen Durchlass miteinander verbunden, der als Blasloch bezeichnet wird. Zum Teil wird dieser auch als Kopfrundungsöffnung bezeichnet. Dieses Blasloch ergibt sich durch die Kopfrundung der Profile, insbesondere des Profils des Nebenrotors.
    Druckseitige Arbeitskammern sind über druckseitige Blaslöcher mit den jeweils benachbarten Arbeitskammern verbunden, saugseitige Arbeitskammern sind über saugseitige Blaslöcher mit den jeweils benachbarten Arbeitskammern verbunden. Soweit nicht anders angegeben ist im Folgenden der Begriff "Blasloch" als "druckseitiges Blasloch" zu verstehen.
The energy efficiency of compressor blocks can be advantageously influenced in a known manner by minimizing internal leaks in the compressor block and in particular by reducing the gap between the main rotor and secondary rotor. Specifically, a distinction must be made between the profile gap and the blow hole:
  • The pressure-side working chambers have a direct connection to the suction side via the profile gap and thus the greatest possible pressure difference for backflow.
  • Successive working chambers are connected to each other via a theoretically unnecessary passage called a blowhole. This is sometimes also referred to as a head rounding opening. This blow hole results from the top rounding of the profiles, in particular the profile of the secondary rotor.
    Pressure-side working chambers are connected to the respective neighboring working chambers via pressure-side blow holes, suction-side working chambers are connected to the respective neighboring working chambers via suction-side blow holes. Unless otherwise stated, the term “blow hole” is to be understood below as “pressure-side blow hole”.

Idealerweise ist zur Minimierung der inneren Leckagen eine kurze Profilspaltlänge mit einem kleinen (druckseitigen) Blasloch zu kombinieren. Die beiden Größen verhalten sich jedoch grundsätzlich gegenläufig. D.h. je kleiner das Blasloch modelliert wird, desto größer wird zwangsläufig die Profilspaltlänge. Umgekehrt wird das Blasloch umso größer, je kürzer die Profilspaltlänge ist. Dies erläutert beispielsweise Helpertz in seiner Dissertation "Methode zur stochastischen Optimierung von Schraubenrotorprofilen", Dortmund, 2003 auf Seite 162 .Ideally, to minimize internal leaks, a short profile gap length should be combined with a small (pressure side) blow hole. However, the two variables fundamentally behave in opposite directions. This means that the smaller the blow hole is modeled, the longer the profile gap length inevitably becomes. Conversely, the shorter the profile gap length, the larger the blow hole becomes. Helpertz, for example, explains this in his Dissertation "Method for the stochastic optimization of screw rotor profiles", Dortmund, 2003 on page 162 .

Die Forderung nach einer kurzen Profilspaltlänge lässt sich in bekannter Weise mit einem flach ausgeführten Profil mit entsprechend kleiner relativer Profiltiefe des Nebenrotors realisieren. Ob ein Profil eher flach (geringe Profiltiefe) oder tief (große Profiltiefe) ausgeführt ist, lässt sich dabei mit der sog. "relativen Profiltiefe des Nebenrotors" anschaulich quantifizieren, die die Differenz zwischen Kopf- und Fußkreisradius auf den Kopfkreisradius des Nebenrotors bezieht. Je größer der Wert ist, desto kompakter ist der Verdichterblock und hat beispielsweise mehr Liefermenge als ein vergleichbarer Verdichterblock bei gleichen äußeren Abmessungen.The requirement for a short profile gap length can be achieved in a known manner with a flat profile with a correspondingly small relative profile depth of the secondary rotor. Whether a profile is designed to be shallow (small profile depth) or deep (large profile depth) can be clearly quantified using the so-called "relative profile depth of the secondary rotor", which relates the difference between the tip and root circle radius to the tip circle radius of the secondary rotor. The larger the value, the more compact the compressor block is, for example more delivery volume than a comparable compressor block with the same external dimensions.

Sehr flach ausgeführte Profile weisen dementsprechend eine schlechte Bauvolumenausnutzung auf, d.h. sie führen zu großen Verdichterblöcken mit vergleichsweise hohem Materialaufwand bzw. vergleichsweise hohen Herstellkosten.Very flat profiles therefore have poor utilization of the construction volume, i.e. they lead to large compressor blocks with comparatively high material costs and comparatively high manufacturing costs.

Druckseitige Blaslöcher dürfen wie oben beschrieben nicht zu groß ausgeführt werden, um die Rückströmung von bereits verdichtetem Medium in vorhergehende Arbeitskammern (d.h. in Arbeitskammern niedrigeren Drucks) zu minimieren. Solche Rückströmungen erhöhen den Energieaufwand für die insgesamt erzielte Fördermenge und führen zu einem unerwünschten Anstieg des Temperatur- und Druckniveaus während der Verdichtung, was insgesamt den Wirkungsgrad reduziert. Die Fläche des Blaslochs (Blaslochfläche) kann klein gehalten werden, indem die Kopfrundungen der Profile im Stirnschnitt klein ausgeführt werden. Konkret kann dies durch eine starke Krümmung im Kopfbereich der vorlaufenden Zahnflanke des Nebenrotors sowie im Kopfbereich der nachlaufenden Zahnflanke des Hauptrotors bewirkt werden. Je stärker diese Krümmung allerdings ist, desto eher gerät man in fertigungstechnische Grenzbereiche, da dies beispielsweise zu hohem Verschleiß an Profilfräsern und Profilschleifscheiben bei der Herstellung von Hauptrotor und Nebenrotor führt.As described above, pressure-side blowholes must not be made too large in order to minimize the backflow of already compressed medium into previous working chambers (i.e. in lower pressure working chambers). Such backflows increase the energy expenditure for the total delivery volume achieved and lead to an undesirable increase in the temperature and pressure levels during compression, which reduces the overall efficiency. The area of the blow hole (blow hole area) can be kept small by making the head curves of the profiles small in the end cut. Specifically, this can be caused by a strong curvature in the head area of the leading tooth flank of the secondary rotor and in the head area of the trailing tooth flank of the main rotor. However, the stronger this curvature is, the more likely you are to reach production limits, as this leads, for example, to high levels of wear on profile milling cutters and profile grinding wheels during the production of the main rotor and secondary rotor.

Saugseitig große Blaslöcher wirken sich dagegen nicht negativ auf die Energieeffizienz aus, da über diese nur Arbeitskammern im Ansaugbereich bei gleichem Druck miteinander verbunden sind.Large blowholes on the suction side, on the other hand, do not have a negative effect on energy efficiency, as these only connect working chambers in the suction area with the same pressure.

Weitere Ursache für effizienzmindernde innere Leckagen ist das sogenannte Kammerzwickelvolumen, das beim Ausschub der letzten Arbeitskammer (d.h. der Arbeitskammer, in der der höchste Druck herrscht) in das Druckfenster entstehen kann. Die Arbeitskammer hat dann ab einer bestimmten Drehwinkelstellung der Rotoren keine Verbindung mehr zum Druckfenster. Es verbleibt ein sog. Kammerzwickelvolumen zwischen den beiden Rotoren und der druckseitigen Gehäusestirnwand.Another cause of internal leaks that reduce efficiency is the so-called chamber gusset volume, which can arise when the last working chamber (i.e. the working chamber in which the highest pressure prevails) is pushed out into the pressure window. Once the rotors reach a certain angle of rotation, the working chamber no longer has a connection to the pressure window. A so-called chamber gusset volume remains between the two rotors and the pressure-side housing end wall.

Dieses Kammerzwickelvolumen ist nachteilig, weil das eingeschlossene verdichtete Medium nicht mehr ins Druckfenster ausgeschoben werden kann, bei der weiteren Drehung der Rotoren noch weiter verdichtet wird, was zu unnötig hoher Leistungsaufnahme (für die Überverdichtung), einem unnötig hohen zusätzlichen Wärmeeintrag, Geräuschentwicklung und einer Reduzierung der Lebensdauer insbesondere der Wälzlager der Rotoren führt. Darüber hinaus wird die spezifische Leistung dadurch verschlechtert, dass der im Kammerzwickelvolumen eingeschlossene Anteil nach der Überverdichtung zurück zur Saugseite gelangt und somit dem Druckluft-Anwender nicht zur Verfügung steht. Bei öleingespritzten Verdichtern ist zusätzlich inkompressibles Öl in dem Kammerzwickel und wird gequetscht.This chamber gusset volume is disadvantageous because the enclosed compressed medium can no longer be pushed out into the pressure window The further rotation of the rotors is further compressed, which leads to unnecessarily high power consumption (for over-compression), an unnecessarily high additional heat input, noise development and a reduction in the service life, especially of the roller bearings of the rotors. In addition, the specific performance is impaired because the portion enclosed in the chamber gusset volume returns to the suction side after overcompression and is therefore not available to the compressed air user. In oil-injected compressors, there is also incompressible oil in the chamber gusset and is squeezed.

2 Laufruhe2 Smooth running

Auf ein gutes Profil für Hauptrotor bzw. Nebenrotor haben allerdings noch weitere Eigenschaften wie beispielsweise die Laufruhe entscheidenden Einfluss.However, other properties such as smooth running have a decisive influence on a good profile for the main rotor or secondary rotor.

Neben guter Flankenschmiegung und geringen Relativgeschwindigkeiten zwischen den Zahnflanken von Haupt- und Nebenrotor wirkt sich die Aufteilung des Antriebsmoments auf die beiden Rotoren maßgeblich auf die Laufruhe aus. Eine ungünstige Aufteilung führt bekannterweise häufig zu dem sog. Rotorklappern des Nebenrotors, bei dem der Nebenrotor undefinierten Flankenkontakt mit dem Hauptrotor hat, und der Nebenrotor in der Konsequenz abwechselnd Kontakt mit der vorlaufenden und mit der nachlaufenden Hauptrotor-Flanke hat. Werden die beiden Rotoren über ein Synchrongetriebe auf Abstand gehalten, so verlagert sich das o.g. Rotorklappern zwangsläufig ins Synchrongetriebe. Gute Laufruhe gewährleistet nicht nur geringe Schallemissionen des Verdichterblocks sondern sorgt beispielsweise auch für einen wenig schwingungsanfälligen Verdichterblock, eine lange Lebensdauer der Wälzlager sowie geringen Verschleiß in der Verzahnung der Rotoren.In addition to good flank oscillation and low relative speeds between the tooth flanks of the main and secondary rotors, the distribution of the drive torque between the two rotors has a significant effect on smooth running. It is known that an unfavorable distribution often leads to the so-called rotor chatter of the secondary rotor, in which the secondary rotor has undefined flank contact with the main rotor, and as a consequence the secondary rotor alternately has contact with the leading and trailing main rotor flanks. If the two rotors are kept at a distance via a synchronous gear, the above-mentioned rotor chatter is inevitably transferred to the synchronous gear. Good running smoothness not only ensures low noise emissions from the compressor block, but also ensures, for example, that the compressor block is less susceptible to vibration, a long service life for the rolling bearings and low wear in the teeth of the rotors.

3 Kosten3 costs

Auf die Material- und Fertigungskosten von Schraubenverdichterblöcken wirken sich insbesondere die Fertigbarkeit sowie der Grad der Bauvolumenausnutzung aus.The material and manufacturing costs of screw compressor blocks are particularly influenced by the manufacturability and the degree of utilization of the construction volume.

Kompakte Verdichterblöcke mit einer hohen Bauvolumenausnutzung werden durch ein großes Zahnlückenvolumen erreicht, das wiederum von der Profiltiefe und der Zahndicke abhängt.Compact compressor blocks with a high volume utilization are achieved through a large tooth gap volume, which in turn depends on the profile depth and tooth thickness.

Je weiter man die relative Profitiefe erhöht, desto höhere Bauvolumenausnutzung erreicht man, desto höher ist gleichzeitig aber auch das Risiko von Problemen bei den Laufeigenschaften und der Fertigbarkeit:

  • Mit zunehmender Profiltiefe werden insbesondere die Zahnprofile des Nebenrotors zwangsläufig immer dünner und demzufolge immer biegeweicher. Dies macht die Rotoren zunehmend temperaturempfindlicher und wirkt sich insgesamt betrachtet ungünstig auf die Spalte im Verdichterblock aus. Die Spalte haben erheblichen Einfluss auf die inneren Leckagen, d.h. Rückströmungen von Verdichtungskammern höheren Drucks in Richtung Saugseite, und können damit die Energieeffizienz des Verdichterblocks verschlechtern.
  • Des Weiteren steigen bei biegeweichen Zähnen die Schwierigkeiten bei der Rotorfertigung.
    • ∘ So steigt beispielsweise das Risiko, dass beim Profilschleifen die ohnehin schon hohen Anforderungen insbesondere an die Formtoleranzen nicht eingehalten werden können.
    • ∘ Weiterhin erfordern biegeweiche Zähne geringere Vorschub- und Schnittgeschwindigkeiten sowohl beim Profilfräsen als auch beim anschließenden Profilschleifen und erhöhen dadurch die Bearbeitungszeit und in der Folge die Herstellkosten.
  • Eine zunehmende Profiltiefe führt auch dazu, dass der Rotor an sich biegeweicher wird. Je biegeweicher die Rotoren ausgeführt sind, desto mehr nimmt die Gefahr zu, dass die Rotoren untereinander bzw. im Verdichtergehäuse anlaufen. Zur Gewährleistung der Betriebssicherheit auch bei hohen Temperaturen bzw. bei hohen Drücken müssen folglich die Spalte größer dimensioniert werden. Dies wirkt sich wiederrum negativ auf die Energieeffizienz des Verdichterblocks aus.
The further you increase the relative profile depth, the higher the construction volume utilization you achieve, but at the same time the higher the risk of problems with running properties and manufacturability:
  • As the profile depth increases, the tooth profiles of the secondary rotor in particular inevitably become thinner and therefore more and more flexible. This makes the rotors increasingly more sensitive to temperature and, overall, has an unfavorable effect on the gaps in the compressor block. The gaps have a significant influence on internal leaks, ie backflows from compression chambers at higher pressure towards the suction side, and can therefore worsen the energy efficiency of the compressor block.
  • Furthermore, the difficulties in rotor production increase with flexible teeth.
    • ∘ For example, the risk increases that the already high requirements, particularly in terms of shape tolerances, cannot be met during profile grinding.
    • ∘ Furthermore, flexible teeth require lower feed and cutting speeds both during profile milling and subsequent profile grinding and thereby increase the processing time and, as a result, the manufacturing costs.
  • Increasing profile depth also means that the rotor itself becomes more flexible. The more flexible the rotors are, the greater the risk that the rotors will start touching each other or in the compressor housing. To ensure operational safety even at high temperatures or at high pressures, the gaps must be dimensioned larger. This in turn has a negative effect on the energy efficiency of the compressor block.

4 Fazit4 Conclusion

Die obigen Erläuterungen sollen zeigen, dass eine Optimierung der einzelnen Kenngrößen jeweils für sich genommen wenig zielführend ist, sondern für ein gutes Gesamtergebnis ein Kompromiss zwischen den verschiedenen (und zum Teil widersprüchlichen) Anforderungen gefunden werden muss.The above explanations are intended to show that optimizing the individual parameters is not very effective on its own, but rather for one good overall result, a compromise must be found between the different (and sometimes contradictory) requirements.

In der Literatur werden bereits vielfach die theoretischen Berechnungsgrundlagen zur Erzeugung von Schraubenrotorprofilen behandelt und auch allgemeine Kriterien für gute Stirnschnittprofile beschrieben. Mit dem von Grafinger entwickelten Computerprogramm lassen sich beispielsweise Rotorprofile erstellen und modifizieren ( Habilitation "Die computergestützte Entwicklung der Flankenprofile für Sonderverzahnungen von Schraubenkompressoren", Wien, 2010 ).The theoretical calculation bases for generating screw rotor profiles are already often discussed in the literature and general criteria for good end-cut profiles are also described. For example, rotor profiles can be created and modified using the computer program developed by Grafinger ( Habilitation "The computer-aided development of flank profiles for special gearing of screw compressors", Vienna, 2010 ).

Helpertz beschäftigt sich in seiner Dissertation " Methode zur stochastischen Optimierung von Schraubenrotorprofilen", Dortmund, 2003 mit der automatisierten Optimierung ausgehend von einem Entwurfsprofil hinsichtlich unterschiedlich gewichteter Kenngrößen.In his dissertation, Helpertz deals with " Method for the stochastic optimization of screw rotor profiles", Dortmund, 2003 with automated optimization based on a design profile with regard to differently weighted parameters.

Dementsprechend besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Rotorpaar für einen Verdichterblock einer Schraubenmaschine anzugeben, das bei hoher Betriebssicherheit und vertretbaren Herstellungskosten sich durch hohe Laufruhe und eine besondere Energieeffizienz auszeichnet.Accordingly, the object of the present invention is to provide a pair of rotors for a compressor block of a screw machine, which is characterized by high smooth running and particular energy efficiency with high operational reliability and reasonable manufacturing costs.

Diese Aufgabe wird mit einem Rotorpaar nach den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Weiter wird die Aufgabe auch mit einem Verdichterblock gelöst, der ein entsprechend ausgebildetes Rotorpaar umfasst.This task is achieved with a pair of rotors according to the features of claim 1 or 9. Advantageous refinements are specified in the subclaims. The task is also solved with a compressor block that includes a correspondingly designed pair of rotors.

Die Rotorgeometrie ist im Wesentlichen durch die Gestalt des Stirnschnitts sowie durch die Rotorlänge und den Umschlingungswinkel gekennzeichnet, vgl. " Methode zur stochastischen Optimierung von Schraubenrotorprofilen", Dissertation von Markus Helpertz, Dortmund, 2003, S. 11/12 .The rotor geometry is essentially characterized by the shape of the front section as well as by the rotor length and the wrap angle, cf. " Method for the stochastic optimization of screw rotor profiles", dissertation by Markus Helpertz, Dortmund, 2003, p. 11/12 .

In einer Stirnschnittbetrachtung weisen Nebenrotor bzw. Hauptrotor eine vorbestimmte, oftmals unterschiedliche Anzahl pro Rotor gleichartig ausgebildeter Zähne auf. Der um den durch die Achse C1 bzw. C2 gezogene äußerste Kreis über die Scheitelpunkte der Zähne wird jeweils als Kopfkreis bezeichnet. Durch die der Achse nächsten Punkte der Außenfläche der Rotoren wird im Stirnschnitt ein Fußkreis definiert. Die Rippen werden als Zähne des Rotors bezeichnet. Die Nuten (bzw. Aussparungen) werden entsprechend als Zahnlücken bezeichnet. Die Fläche des Zahns am und über dem Fußkreis definiert das Zahnprofil. Die Kontur der Rippen definiert den Verlauf des Zahnprofils. Für das Zahnprofil sind Fußpunkte F1 und F2 sowie ein Scheitelpunkt F5 definiert. Der Scheitelpunkt F5 bzw. H5 ist durch den radial äußersten Punkt des Zahnprofils definiert. Weist das Zahnprofil mehrere Punkte mit gleichem maximalem radialem Abstand vom durch die Achse C1 bzw. C2 definierten Mittelpunkt auf, folgt also das Zahnprofil an seinem radial äußeren Ende einem Kreisbogen auf dem Kopfkreis, so liegt der Scheitelpunkt F5 genau in der Mitte dieses Kreisbogens. Zwischen zwei benachbarten Scheitelpunkten F5 wird eine Zahnlücke definiert.In a face-section view, the secondary rotor and main rotor have a predetermined, often different number of teeth of the same design per rotor. The outermost circle drawn around the axes C1 or C2 over the vertices of the teeth is referred to as the tip circle. A root circle is defined in the front section by the points on the outer surface of the rotors closest to the axis. The ribs are called the teeth of the rotor. The grooves (or recesses) are referred to as tooth gaps. The surface of the tooth at and above the root circle defines the tooth profile. The contour of the ribs defines the course of the tooth profile. Base points F1 and F2 as well as a vertex F5 are defined for the tooth profile. The apex F5 or H5 is defined by the radially outermost point of the tooth profile. If the tooth profile has several points with the same maximum radial distance from the center defined by the axis C1 or C2, i.e. if the tooth profile follows a circular arc on the tip circle at its radially outer end, the vertex F5 lies exactly in the middle of this circular arc. A tooth gap is defined between two adjacent vertices F5.

Die radial der Achse C1 bzw. C2 nächsten Punkte zwischen einem betrachteten und dem jeweils benachbarten Zahn definieren Fußpunkte F1 und F2. Auch hier gilt für den Fall, dass mehrere Punkte der Achse C1 bzw. C2 gleich nahe kommen, also das Zahnprofil an seinem tiefsten Punkt abschnittsweise dem Fußkreis folgt, der entsprechende Fußpunkt F1 bzw. F2 dann auf der Hälfte dieses auf dem Fußkreis liegenden Kreisbogens liegt.The points closest radially to the axis C1 or C2 between a tooth under consideration and the adjacent tooth define base points F1 and F2. Here too, in the event that several points come equally close to the axis C1 or C2, i.e. the tooth profile follows the base circle in sections at its lowest point, the corresponding base point F1 or F2 then lies on half of this circular arc lying on the base circle .

Schließlich wird durch das Ineinandergreifen von Hauptrotor und Nebenrotor sowohl für den Nebenrotor als auch für den Hauptrotor jeweils ein Wälzkreis definiert. Bei Schraubenmaschinen als auch bei Zahnrädern oder Reibrädern, gibt es stets zwei Kreise im Stirnschnitt der Verzahnung, die bei der Bewegung aneinander abrollen. Diese Kreise, auf denen im vorliegenden Fall Hauptrotor und Nebenrotor aneinander abrollen, werden als jeweilige Wälzkreise bezeichnet. Die Wälzkreisdurchmesser von Hauptrotor und Nebenrotor können mit Hilfe von Achsabstand und Zähnezahlverhältnis bestimmt werden.Finally, the meshing of the main rotor and secondary rotor defines a pitch circle for both the secondary rotor and the main rotor. In screw machines as well as gears or friction wheels, there are always two circles in the face section of the gearing that roll against each other during movement. These circles, on which the main rotor and secondary rotor roll together in this case, are referred to as the respective pitch circles. The pitch circle diameters of the main rotor and secondary rotor can be determined using the center distance and the number of teeth ratio.

Auf den Wälzkreisen sind die Umfangsgeschwindigkeiten von Hauptrotor und Nebenrotor identisch.The peripheral speeds of the main rotor and secondary rotor on the pitch circles are identical.

Schließlich sind noch Zahnlückenflächen zwischen den Zähnen und dem jeweiligen Kopfkreis KK definiert, nämlich Zahnlückenfläche A6 zwischen dem Profilverlauf des Nebenrotors NR zwischen zwei benachbarten Scheitelpunkten F5 und dem Kopfkreis KK1 bzw. eine Fläche A7 als Zahnlückenfläche zwischen dem Profilverlauf des Hauptrotors (HR) zwischen zwei benachbarten Scheitelpunkten H5 und dem Kopfkreis KKz.Finally, tooth gap areas are defined between the teeth and the respective tip circle KK, namely tooth gap area A6 between the profile of the secondary rotor NR between two adjacent vertices F5 and the tip circle KK 1 or an area A7 as a tooth gap area between the profile of the main rotor (HR) between two neighboring vertices H5 and the head circle KKz.

Das Zahnprofil des Nebenrotors (aber auch des Hauptrotors) weist eine in Drehrichtung jeweils vorlaufende Zahnflanke als auch eine in Drehrichtung nachlaufende Zahnflanke auf. Beim Nebenrotor (NR) wird die vorlaufende Zahnflanke im Folgenden mit FV, die nachlaufende Zahnflanke mit FN bezeichnet.The tooth profile of the secondary rotor (but also of the main rotor) has a leading tooth flank in the direction of rotation and a trailing tooth flank in the direction of rotation. In the case of the secondary rotor (NR), the leading tooth flank is referred to below as F V and the trailing tooth flank as F N.

Die nachlaufende Zahnflanke FN bildet in ihrem Abschnitt zwischen Kopfkreis und Fußkreis einen Punkt aus, in dem sich die Krümmung des Verlaufs des Zahnprofils ändert. Dieser Punkt wird im Folgenden mit F8 bezeichnet und unterteilt die nachlaufende Zahnflanke FN in einen konvex gekrümmten Anteil zwischen F8 und dem Kopfkreis und einen konkav gekrümmten Anteil zwischen dem Fußkreis und F8. Kleinteilige Profilveränderungen, etwa durch Dichtleisten oder durch andere lokale Profilumbildungen, werden bei der Betrachtung des vorstehend geschilderten Krümmungswechsels nicht berücksichtigt.The trailing tooth flank F N forms a point in its section between the tip circle and the root circle in which the curvature of the course of the tooth profile changes. This point is referred to below as F8 and divides the trailing tooth flank F N into a convexly curved portion between F8 and the tip circle and a concavely curved portion between the root circle and F8. Small-scale profile changes, such as those caused by sealing strips or other local profile changes, are not taken into account when considering the change in curvature described above.

Über den reinen Stirnschnitt hinaus sind für die dreidimensionale Ausgestaltung noch folgende Begriffe bzw. Parameter für einen Rotor, insbesondere den Nebenrotor maßgeblich: Zunächst wird ein Umschlingungswinkel Φ definiert. Dieser Umschlingungswinkel ist der Winkel, um den der Stirnschnitt von der saugseitigen zur druckseitigen Rotorstirnfläche verdreht ist, vgl. hierzu auch die näheren Erläuterungen im Zusammenhang mit Figur 8.In addition to the pure front cut, the following terms or parameters for a rotor, in particular the secondary rotor, are crucial for the three-dimensional design: First, a wrap angle Φ is defined. This wrap angle is the angle by which the end section is rotated from the suction-side to the pressure-side rotor end face, see also the more detailed explanations in connection with Figure 8 .

Der Hauptrotor weist eine Rotorlänge LHR auf, die als Abstand einer saugseitigen Hauptrotor-Rotorstirnfläche zu einer druckseitigen Hauptrotor-Rotorstirnfläche definiert ist. Der Abstand der parallel zueinander verlaufenden ersten Achse C1 des Nebenrotors zur zweiten Achse C2 des Hauptrotors wird im Folgenden als Achsabstand a bezeichnet. Es wird darauf hingewiesen, dass in den meisten Fällen die Länge des Hauptrotors LHR der Länge des Nebenrotors LNR entspricht, wobei auch beim Nebenrotor die Länge als Abstand einer saugseitigen Nebenrotor-Rotorstirnfläche zu einer druckseitigen Nebenrotor-Rotorstirnfläche verstanden wird. Schließlich wird ein Rotorlängenverhältnis LHR/a definiert, also ein Verhältnis der Rotorlänge des Hauptrotors zum Achsabstand. Das Verhältnis LHR/a ist insofern ein Maß für die axiale Dimensionierung des Rotorprofils.The main rotor has a rotor length L HR , which is defined as the distance from a main rotor rotor end face on the suction side to a main rotor rotor end face on the pressure side. The distance between the parallel first axis C1 of the secondary rotor and the second axis C2 of the main rotor is referred to below as the axis distance a. It should be noted that in most cases the length of the main rotor L HR corresponds to the length of the secondary rotor L NR , with the length of the secondary rotor also being understood as the distance between a suction-side secondary rotor rotor end face and a pressure-side secondary rotor rotor end face. Finally, a rotor length ratio L HR /a is defined, i.e. a ratio of the rotor length of the main rotor to the center distance. The ratio L HR /a is therefore a measure of the axial dimensioning of the rotor profile.

Die Eingriffslinie bzw. der Profilspalt entstehen durch das Zusammenwirken von Hauptrotor und Nebenrotor miteinander. Dabei ergibt sich die Eingriffslinie wie folgt: Die Zahnflanken von Hauptrotor und Nebenrotor berühren einander bei spielfreier Verzahnung abhängig von der Drehwinkelstellung der Rotoren in bestimmten Punkten. Diese Punkte werden als Eingriffspunkte bezeichnet. Der geometrische Ort aller Eingriffspunkte heißt Eingriffslinie und lässt sich bereits anhand des Stirnschnitts der Rotoren im Zweidimensionalen berechnen, vgl. Figur 7j.The line of action or the profile gap is created by the interaction of the main rotor and secondary rotor. The line of action is as follows: The tooth flanks of the main rotor and secondary rotor touch each other with backlash-free gearing depending on the rotation angle position of the rotors certain points. These points are called engagement points. The geometric location of all engagement points is called the engagement line and can be calculated in two dimensions using the front section of the rotors, cf. Figure 7j .

Die Eingriffslinie wird in der Stirnschnittbetrachtung durch die Verbindungslinie zwischen den beiden Mittelpunkten C1 und C2 in zwei Abschnitte geteilt, und zwar in einen (vergleichsweise kurzen) saugseitigen und einen (vergleichsweise langen) druckseitigen Abschnitt.When viewed from the front section, the line of engagement is divided into two sections by the connecting line between the two center points C1 and C2, namely a (comparatively short) suction-side section and a (comparatively long) pressure-side section.

Bei zusätzlicher Angabe des Umschlingungswinkels und der Rotorlänge (= Abstand zwischen der saugseitigen Stirnfläche und der druckseitigen Stirnfläche) lässt sich die Eingriffslinie auch dreidimensional erweitern und entspricht der Berührlinie von Hauptrotor und Nebenrotor. Die axiale Projektion der dreidimensionalen Eingriffslinie auf die Stirnschnittebene ergibt wiederum die anhand von Figur 7j veranschaulichte zweidimensionale Eingriffslinie. Der Begriff "Eingriffslinie" wird in der Literatur sowohl für die zweidimensionale als auch die dreidimensionale Betrachtung verwendet. Im Folgenden soll, sofern nichts anderes angegeben wird, unter "Eingriffslinie" allerdings die zweidimensionale Eingriffslinie, also die Projektion auf den Stirnschnitt verstanden werden.If the wrap angle and the rotor length are also specified (= distance between the suction-side end face and the pressure-side end face), the contact line can also be expanded three-dimensionally and corresponds to the contact line of the main rotor and secondary rotor. The axial projection of the three-dimensional line of action onto the frontal cutting plane in turn results in the following Figure 7j illustrated two-dimensional line of action. The term “interference line” is used in the literature for both two-dimensional and three-dimensional considerations. In the following, unless otherwise stated, the term “intervention line” is to be understood as the two-dimensional intervention line, i.e. the projection onto the forehead cut.

Der Profileingriffsspalt ist wie folgt definiert: Im realen Verdichterblock einer Schraubenmaschine ist bei Einbauachsabstand von Hauptrotor und Nebenrotor Spiel zwischen beiden Rotoren vorhanden. Der Spalt zwischen Hauptrotor und Nebenrotor wird als Profileingriffsspalt bezeichnet und ist der geometrische Ort aller Punkt, in denen sich die beiden gepaarten Rotoren gegenseitig berühren oder den geringsten Abstand zueinander haben. Durch den Profileingriffsspalt stehen die verdichtenden sowie die ausschiebenden Arbeitskammern in Verbindung zu Kammern, die noch Kontakt zur Saugseite haben. Am Profileingriffsspalt liegt somit das gesamte maximale Druckverhältnis an. Durch den Profileingriffsspalt wird bereits verdichtetes Arbeitsfluid wieder zur Saugseite zurücktransportiert und reduziert damit die Effizienz der Verdichtung. Da es sich beim Profileingriffsspalt bei spielfreier Verzahnung um die Eingriffslinie handeln würde, wird der Profileingriffsspalt auch als "Quasi-Eingriffslinie" bezeichnet.The profile engagement gap is defined as follows: In the real compressor block of a screw machine, there is play between both rotors at the installation center distance of the main rotor and secondary rotor. The gap between the main rotor and the secondary rotor is called the profile engagement gap and is the geometric location of all points at which the two paired rotors touch each other or are at the shortest distance from each other. Through the profile engagement gap, the compressing and expanding working chambers are connected to chambers that are still in contact with the suction side. The entire maximum pressure ratio is therefore present at the profile engagement gap. Working fluid that has already been compressed is transported back to the suction side through the profile engagement gap, thereby reducing the efficiency of the compression. Since the profile engagement gap would be the line of engagement in the case of backlash-free gearing, the profile engagement gap is also referred to as a “quasi-engagement line”.

Blaslöcher zwischen Arbeitskammern entstehen durch Kopfrundungen der Zähne des Profils. Über Blaslöcher sind die Arbeitskammern mit vorlaufenden und nachfolgenden Arbeitskammern verbunden, so dass (im Gegensatz zum Profileingriffsspalt) an einem Blasloch nur die Druckdifferenz von einer Arbeitskammer zur nächsten Arbeitskammer anliegt.Blow holes between working chambers are created by rounding the teeth of the profile. The working chambers are connected via blowholes with leading and connected to subsequent working chambers, so that (in contrast to the profile engagement gap) only the pressure difference from one working chamber to the next working chamber is present at a blow hole.

Weiterhin sind bekanntermaßen bei Schraubenmaschinen bestimmte Zahnpaarungen üblich, beispielsweise ein Rotorpaar, bei dem der Hauptrotor 3 und der Nebenrotor 4 Zähne oder eine Rotorpaarung, bei dem der Hauptrotor 4 Zähne und der Nebenrotor 5 Zähne oder weiterhin eine Rotorpaargeometrie, bei dem der Hauptrotor 5 Zähne und der Nebenrotor 6 Zähne aufweist. Für unterschiedliche Anwendungsgebiete bzw. Einsatzzwecke kommen unter Umständen Rotorpaare bzw. Schraubenmaschinen mit unterschiedlichem Zähne-Zahlverhältnis zum Einsatz. Beispielsweise gelten Rotorpaaranordnungen mit einem Zähne-Zahlenverhältnis 4/5 (Hauptrotor mit 4 Zähnen, Nebenrotor mit 5 Zähnen) als geeignete Paarung für öleingespritzte Verdichtungsanwendungen in moderaten Druckbereichen.Furthermore, it is known that certain tooth pairings are common in screw machines, for example a rotor pair in which the main rotor 3 and the secondary rotor have 4 teeth or a rotor pairing in which the main rotor has 4 teeth and the secondary rotor 5 teeth or furthermore a rotor pair geometry in which the main rotor has 5 teeth and the secondary rotor has 6 teeth. For different areas of application or purposes, rotor pairs or screw machines with different tooth ratios may be used. For example, rotor pair arrangements with a tooth ratio of 4/5 (main rotor with 4 teeth, secondary rotor with 5 teeth) are considered a suitable pairing for oil-injected compression applications in moderate pressure ranges.

Insofern gibt die Zähne-Zahl bzw. das Zähne-Zahlverhältnis unterschiedliche Typen von Rotorpaarungen und daraus resultierend auch unterschiedliche Typen von Schraubenmaschinen, insbesondere Schraubenverdichtern, vor.In this respect, the number of teeth or the number of teeth specifies different types of rotor pairings and, as a result, different types of screw machines, in particular screw compressors.

Liegen die Werte für die relative Profiltiefe einerseits und dem Verhältnis von Achsabstand zum Kopfkreisradius des Nebenrotors andererseits für die angegebenen Zähne-Zahlverhältnisse jeweils in den angegebenen vorteilhaften Bereichen, so werden dadurch die Grundvoraussetzungen für ein gutes Nebenrotorprofil bzw. ein gutes Zusammenwirken von Nebenrotorprofil und Hauptrotorprofil geschaffen, insbesondere wird hierdurch ein besonders günstiges Verhältnis von Blaslochfläche zu Profilspaltlänge ermöglicht. Hinsichtlich der ausschlaggebenden Parameter wird für alle angesprochenen Zähnezahl-Verhältnisse ergänzend auf die Veranschaulichung in Figur 7a verwiesen. Die relative Profiltiefe des Nebenrotors ist ein Maß dafür, wie tief die Profile geschnitten sind. Mit zunehmender Profiltiefe steigt beispielsweise die Bauvolumenausnutzung, allerdings auf Kosten der Biegesteifigkeit des Nebenrotors. Für die relative Profiltiefe des Nebenrotors gilt: PT rel = rk 1 rf 1 rk 1 = PT 1 rk 1 = rk 1 a rk 2 rk 1 = 1 a rk 2 rk 1

Figure imgb0001
mit PT 1 = rk 1 rf 1 und rf 1 = a rk 2
Figure imgb0002
If the values for the relative profile depth on the one hand and the ratio of the center distance to the tip circle radius of the secondary rotor on the other hand are in the specified advantageous ranges for the specified number of teeth, this creates the basic requirements for a good secondary rotor profile or a good interaction between the secondary rotor profile and the main rotor profile , in particular, this enables a particularly favorable ratio of blow hole area to profile gap length. With regard to the decisive parameters for all the tooth number ratios mentioned, the illustration in Figure 7a referred. The relative profile depth of the secondary rotor is a measure of how deep the profiles are cut. For example, as the profile depth increases, the volume utilization increases, but at the expense of the bending rigidity of the secondary rotor. The following applies to the relative profile depth of the secondary rotor: PT rel = rk 1 rf 1 rk 1 = PT 1 rk 1 = rk 1 a rk 2 rk 1 = 1 a rk 2 rk 1
Figure imgb0001
with PT 1 = rk 1 rf 1 and rf 1 = a rk 2
Figure imgb0002

Insofern besteht ein Zusammenhang mit dem Verhältnis von a rk 1

Figure imgb0003
, Achsabstand a zum Nebenrotor-Kopfkreisradius rk1.In this respect there is a connection with the relationship of a rk 1
Figure imgb0003
, center distance a to the secondary rotor tip circle radius rk 1 .

Die angegebenen Werte für das Rotorlängenverhältnis LHR/a sowie den Umschlingungswinkel ΦHR stellen für das jeweils angegebene Zähne-Zahlverhältnis vorteilhafte bzw. zweckmäßige Werte dar, um in der axialen Dimension eine vorteilhafte Rotorpaarung festzulegen.The specified values for the rotor length ratio L HR /a and the wrap angle Φ HR represent advantageous or expedient values for the specified number of teeth ratio in order to determine an advantageous rotor pairing in the axial dimension.

1, Bevorzugte Ausgestaltungen für ein Rotorpaar mit Zähne-Zahlverhältnis 3/41, Preferred embodiments for a pair of rotors with a tooth ratio of 3/4

Nachstehend werden bevorzugte Ausgestaltungen für ein Rotorpaar mit Zähne-Zahlverhältnis 3 / 4, also für ein Rotorpaar, bei dem der Hauptrotor 3 Zähne und der Nebenrotor 4 Zähne aufweist, dargelegt:
Eine erste bevorzugte Ausgestaltungsform sieht vor, dass in einer Stirnschnittbetrachtung innerhalb eines Nebenrotorzahns verlaufende Kreisbögen B25, B50, B75, deren gemeinsamer Mittelpunkt durch die Achse C1 gegeben ist, definiert sind, wobei der Radius r25 von B25 den Wert r25 = rf1 + 0,25 (rk1 - rf1) hat, der Radius r50 von B50 den Wert r50 = rf1 + 0,5 (rk1 - rf1) hat und der Radius r75 von B75 den Wert r75 = rf1 + 0,75 (rk1 - rf1) hat, und wobei die Kreisbögen B25, B50, B75 jeweils durch die vorlaufende Zahnflanke FV und die nachlaufende Zahnflanke FN begrenzt werden, wobei Zahndickenverhältnisse als Verhältnisse der Bogenlängen b25, b50, b75 der Kreisbögen B25, B50, B75 mit ε1 = b50/b25 und ε2 = b75/b25 definiert sind und folgende Bemessung eingehalten ist: 0,65 ≤ ε1 < 1,0 und/oder 0,50 ≤ ε2 ≤ 0,85, bevorzugt 0,80 ≤ ε1 < 1,0 und/oder 0,50 ≤ ε2 ≤ 0,79.
Preferred embodiments for a pair of rotors with a tooth ratio of 3/4, i.e. for a pair of rotors in which the main rotor has 3 teeth and the secondary rotor has 4 teeth, are presented below:
A first preferred embodiment provides that circular arcs B 25 , B 50 , B 75 running within a secondary rotor tooth, whose common center is given by the axis C1, are defined in a face section view, the radius r 25 of B 25 having the value r 25 = rf 1 + 0.25 (rk 1 - rf 1 ), the radius r 50 of B 50 has the value r 50 = rf 1 + 0.5 (rk 1 - rf 1 ) and the radius r 75 of B 75 has the value r 75 = rf 1 + 0.75 (rk 1 - rf 1 ), and where the circular arcs B 25 , B 50 , B 75 are each limited by the leading tooth flank F V and the trailing tooth flank F N , where tooth thickness ratios are defined as ratios of the arc lengths b 25 , b 50 , b 75 of the circular arcs B 25 , B 50 , B 75 with ε 1 = b 50 / b 25 and ε 2 = b 75 / b 25 and the following dimensioning is observed : 0.65 ≤ ε 1 <1.0 and/or 0.50 ≤ ε 2 ≤ 0.85, preferably 0.80 ≤ ε 1 <1.0 and/or 0.50 ≤ ε 2 ≤ 0.79.

Ziel ist es, ein kleines Blasloch mit kurzer Länge des Profileingriffsspalts zu kombinieren. Die beiden Parameter verhalten sich jedoch gegenläufig, d.h. je kleiner das Blasloch modelliert wird, desto größer wird zwangsläufig die Länge des Profileingriffsspalts. Umgekehrt wird das Blasloch umso größer, je kürzer die Länge des Profileingriffsspalts ist. In den beanspruchten Bereichen wird eine besonders günstige Kombination der beiden Parameter erzielt. Gleichzeitig wird eine ausreichend hohe Biegesteifigkeit des Nebenrotors gewährleistet. Darüber hinaus stellen sich auch Vorteile, was den Kammerausschub anbelangt, und beim Nebenrotor-Drehmoment ein. Hinsichtlich der Veranschaulichung der Parameter wird ergänzend auch auf die Figur 7c verwiesen.The aim is to combine a small blow hole with a short length of profile engagement gap. However, the two parameters behave in opposite directions, ie the smaller the blow hole is modeled, the longer the length of the profile engagement gap inevitably becomes. Conversely, the shorter the length of the profile engagement gap, the larger the blow hole becomes. A particularly favorable combination of the two parameters is achieved in the stressed areas. At the same time, a sufficiently high bending rigidity of the secondary rotor is ensured. There are also advantages in terms of chamber extension and secondary rotor torque. With regard to the illustration of the parameters, reference is also made to the Figure 7c referred.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass in einer Stirnschnittbetrachtung zwischen dem betrachteten Zahn des Nebenrotors (NR) und dem jeweils benachbarten Zahn des Nebenrotors Fußpunkte F1 und F2 am Fußkreis und am radial äußersten Punkt des Zahns ein Scheitelpunkt F5 definiert sind, wobei durch F1, F2 und F5 ein Dreieck DZ definiert ist und wobei in einem radial äußeren Bereich der Zahn mit seiner zwischen F5 und F2 ausgebildeten vorlaufenden Zahnflanke FV mit einer Fläche A1 und mit seiner nachlaufenden zwischen F1 und F5 ausgebildeten Zahnflanke FN mit einer Fläche A2 über das Dreieck DZ übersteht und wobei 8 ≤ A2/A1 ≤ 60 eingehalten ist.A further preferred embodiment provides that in a face section view between the tooth of the secondary rotor (NR) under consideration and the respectively adjacent tooth of the secondary rotor, base points F1 and F2 are defined on the base circle and a vertex F5 at the radially outermost point of the tooth, whereby F1, F2 and F5 a triangle D Z is defined and wherein in a radially outer region the tooth with its leading tooth flank F V formed between F5 and F2 has a surface A1 and with its trailing tooth flank F N formed between F1 and F5 with a surface A2 the triangle D protrudes Z and where 8 ≤ A2/A1 ≤ 60 is maintained.

Die Zahnteilfläche A1 an der vorlaufenden Zahnflanke FV des Nebenrotors hat wesentlichen Einfluss auf die Blaslochfläche. Die Zahnteilfläche A2 an der nachlaufenden Zahnflanke FN des Nebenrotors hat hingegen wesentlichen Einfluss auf die Länge des Profileingriffsspalts, den Kammerausschub sowie das Nebenrotordrehmoment. Für das Zahnteilflächenverhältnis A2/A1 gibt es einen vorteilhaften Bereich, der einen guten Kompromiss zwischen Länge des Profileingriffsspalts einerseits und Blasloch andererseits ermöglicht. Hinsichtlich der Veranschaulichung der Parameter wird ergänzend auch auf Figur 7d verwiesen.The partial tooth surface A1 on the leading tooth flank F V of the secondary rotor has a significant influence on the blowhole surface. The partial tooth surface A2 on the trailing tooth flank F N of the secondary rotor, however, has a significant influence on the length of the profile engagement gap, the chamber extension and the secondary rotor torque. There is an advantageous range for the tooth part area ratio A2/A1, which enables a good compromise between the length of the profile engagement gap on the one hand and the blow hole on the other. With regard to the illustration of the parameters, additional information is also provided Figure 7d referred.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Rotorpaar einen Nebenrotor auf, bei dem in einer Stirnschnittbetrachtung zwischen dem betrachteten Zahn des Nebenrotors (NR) und dem jeweils benachbarten Zahn des Nebenrotors Fußpunkte F1 und F2 und am radial äußersten Punkt des Zahns ein Scheitelpunkt F5 definiert sind, wobei durch F1, F2 und F5 ein Dreieck DZ definiert ist und wobei die zwischen F5 und F2 ausgebildete vorlaufende Zahnflanke FV in einem radial äußeren Bereich des Zahns mit einer Fläche A1 über das Dreieck DZ übersteht und in einem radial inneren Bereich gegenüber dem Dreieck DZ mit einer Fläche A3 zurücktritt und wobei 7,0 ≤ A3/A1 ≤ 35 eingehalten ist. Hinsichtlich der Veranschaulichung der Parameter wird ergänzend auch auf die Figur 7d verwiesen.In a further preferred embodiment, the rotor pair has a secondary rotor, in which base points F1 and F2 and a vertex F5 are defined at the radially outermost point of the tooth in a face section view between the tooth of the secondary rotor (NR) under consideration and the respectively adjacent tooth of the secondary rotor, wherein a triangle D Z is defined by F1, F2 and F5 and the leading tooth flank F V formed between F5 and F2 projects in a radially outer region of the tooth with a surface A1 beyond the triangle D Z and in a radially inner region opposite the Triangle D Z with an area A3 recedes and where 7.0 ≤ A3/A1 ≤ 35 is maintained. With regard to the illustration of the parameters, reference is also made to the Figure 7d referred.

Weiterhin wird es bezüglich der Gestaltung des Nebenrotors als vorteilhaft angesehen, wenn in einer Stirnschnittbetrachtung zwischen dem betrachteten Zahn des Nebenrotors (NR) und dem jeweils benachbarten Zahn des Nebenrotors (NR) Fußpunkte F1 und F2 und am radial äußersten Punkt des Zahns ein Scheitelpunkt F5 definiert sind, wobei durch F1, F2 und F5 ein Dreieck DZ definiert ist und wobei die zwischen F5 und F2 ausgebildete vorlaufende Zahnflanke FV in einem radial äußeren Bereich des Zahns mit einer Fläche A1 über das Dreieck DZ übersteht, wobei der Zahn selbst eine durch den zwischen F1 und F2 verlaufenden Kreisbogen B um den durch die Achse C1 definierten Mittelpunkt begrenzte Querschnittsfläche A0 aufweist und wobei 0,5 % ≤ A1/A0 ≤ 4,5 % eingehalten ist. Hinsichtlich der Veranschaulichung der Parameter wird ergänzend auch auf die Figuren 7d sowie 7e verwiesen.Furthermore, with regard to the design of the secondary rotor, it is considered advantageous if base points F1 and F2 and a vertex F5 are defined at the radially outermost point of the tooth in a face section view between the tooth of the secondary rotor (NR) under consideration and the adjacent tooth of the secondary rotor (NR). are, where F1, F2 and F5 form a triangle D Z is defined and wherein the leading tooth flank F V formed between F5 and F2 projects in a radially outer region of the tooth with a surface A1 beyond the triangle D Z , the tooth itself having a circular arc B running through the between F1 and F2 Axis C1 has a limited cross-sectional area A0 and where 0.5% ≤ A1/A0 ≤ 4.5% is maintained. With regard to the illustration of the parameters, reference is also made to the Figures 7d as well as 7e.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass in einer Stirnschnittbetrachtung zwischen dem betrachteten Zahn des Nebenrotors (NR) und dem jeweils benachbarten Zahn des Nebenrotors (NR) Fußpunkte F1 und F2 und am radial äußersten Punkt des Zahns ein Scheitelpunkt F5 definiert sind, wobei der zwischen F1 und F2 verlaufende Kreisbogen B um den durch die Achse C1 definierten Mittelpunkt einen Zahnteilungswinkel γ entsprechend 360°/Zahl der Zähne des Nebenrotors (NR) definiert, wobei auf dem halben Kreisbogen B zwischen F1 und F2 ein Punkt F11 definiert ist, wobei ein vom durch die Achse C1 definierten Mittelpunkt des Nebenrotors (NR) durch den Scheitelpunkt F5 gezogener Radialstrahl R den Kreisbogen B in einem Punkt F12 schneidet, wobei ein Versatzwinkel β durch den in Rotationsrichtung des Nebenrotors (NR) betrachteten Versatz von F11 zu F12 definiert wird und wobei 14 % ≤ δ ≤ 25 % eingehalten ist, mit δ = β γ 100 %

Figure imgb0004
.A further preferred embodiment provides that base points F1 and F2 and a vertex F5 are defined at the radially outermost point of the tooth between the tooth of the secondary rotor (NR) under consideration and the respectively adjacent tooth of the secondary rotor (NR), the between F1 and F2 extending circular arc B around the center defined by the axis C1 defines a tooth pitch angle γ corresponding to 360 ° / number of teeth of the secondary rotor (NR), a point F11 being defined on half the circular arc B between F1 and F2, whereby one of The center point of the secondary rotor (NR) defined by the axis C1, the radial beam R drawn through the apex F5 intersects the circular arc B at a point F12, an offset angle β being defined by the offset from F11 to F12 viewed in the direction of rotation of the secondary rotor (NR) and where 14% ≤ δ ≤ 25% is complied with δ = β γ 100 %
Figure imgb0004
.

Zunächst wird nochmals klargestellt, dass der Versatzwinkel bevorzugtermaßen stets positiv ist, also stets der Versatz in Richtung auf die Rotationsrichtung gegeben ist und nicht entgegen. Der Zahn des Nebenrotors ist insofern zur Rotationsrichtung des Nebenrotors hin gekrümmt. Allerdings sollte der Versatz sich in dem als vorteilhaft angegebenen Bereich halten, um einen günstigen Kompromiss zwischen der Blaslochfläche, der Form der Eingriffslinie, der Länge und der Form des Profileingriffsspalts, dem Nebenrotordrehmoment, der Biegesteifigkeit der Rotoren sowie dem Kammerausschub ins Druckfenster zu ermöglichen. Hinsichtlich einer Veranschaulichung der Parameter wird ergänzend auf Figur 7f verwiesen.First of all, it is once again made clear that the offset angle is preferably always positive, i.e. the offset is always in the direction of the direction of rotation and not in the opposite direction. The tooth of the secondary rotor is therefore curved towards the direction of rotation of the secondary rotor. However, the offset should remain within the range specified as advantageous in order to enable a favorable compromise between the blow hole area, the shape of the line of engagement, the length and shape of the profile engagement gap, the secondary rotor torque, the bending stiffness of the rotors and the chamber extension into the pressure window. For an illustration of the parameters, see additional information Figure 7f referred.

Es wird als vorteilhaft angesehen, wenn in einer Stirnschnittbetrachtung die zwischen F1 und F5 ausgebildete nachlaufende Zahnflanke FN eines Zahns des Nebenrotors (NR) einen konvexen Längenanteil von mindestens 45 % bis höchstens 95 % aufweist.It is considered advantageous if, in an end-section view, the trailing tooth flank F N of a tooth of the secondary rotor (NR) formed between F1 and F5 has a convex length component of at least 45% to at most 95%.

Der mit dem Bereich festgelegte, relative lange konvexe Längenanteil der nachlaufenden Zahnflanke FN eines Zahn des Nebenrotors erlaubt einen guten Kompromiss zwischen Länge des Profileingriffsspalts, Kammerausschub, Nebenrotordrehmoment einerseits und Biegesteifigkeit des Nebenrotors andererseits. Hinsichtlich der Veranschaulichung der Parameter wird ergänzend auch auf Figur 7g verwiesen.The relative long convex length component of the trailing tooth flank F N of a tooth of the secondary rotor, which is defined by the area, allows a good compromise between the length of the profile engagement gap, chamber extension, secondary rotor torque on the one hand and the bending stiffness of the secondary rotor on the other hand. With regard to the illustration of the parameters, additional information is also provided Figure 7g referred.

Bevorzugtermaßen ist der Nebenrotor derart ausgestaltet, dass in einer Stirnschnittbetrachtung der von der Achse C1 des Nebenrotors (NR) durch F5 gezogene Radialstrahl R das Zahnprofil in einen der vorlaufenden Zahnflanke FV zugeordneten Flächenanteil A5 und einen der nachlaufenden Zahnflanke FN zugeordneten Flächenanteil A4 teilt und wobei 5 A 4 / A 5 14

Figure imgb0005
eingehalten ist. Es sei an dieser Stelle nochmals darauf hingewiesen, dass das Zahnprofil nach radial innen zur Achse C1 hin durch den Fußkreis FK1 begrenzt ist. Hierbei kann es auftreten, dass der Radialstrahl R das Zahnprofil derart teilt, dass zwei disjunkte Flächenanteile mit einem Gesamtflächenanteil A5, die der vorlaufenden Zahnflanke FV zugeordnet sind, entstehen, vgl. Figur 7g. Würde der Scheitelpunkt F5 derart zur vorlaufenden Zahnflanke hin versetzt sein, dass der Radialstrahl R die vorlaufende Zahnflanke FV nicht nur berührt, sondern in zwei Punkten schneidet, so sind wiederum zwei der vorlaufenden Zahnflanke zugeordnete disjunkte Flächenanteile mit einem Gesamtflächenanteil A5 definiert. Der der nachlaufenden Zahnflanke FN zugeordnete Flächenanteil A4 wird dann zum einen durch den Radialstrahl R und abschnittsweise, nämlich zwischen den zwei Schnittpunkten der vorlaufenden Zahnflanke FV mit dem Radialstrahl R, zum anderen auch durch die vorlaufende Zahnflanke FV begrenzt.The secondary rotor is preferably designed in such a way that, in an end-section view, the radial beam R drawn from the axis C1 of the secondary rotor (NR) through F5 divides the tooth profile into an area portion A5 assigned to the leading tooth flank F V and an area portion A4 assigned to the trailing tooth flank F N and where 5 A 4 / A 5 14
Figure imgb0005
is complied with. It should be noted again at this point that the tooth profile is limited radially inward towards the axis C1 by the root circle FK 1 . It can happen here that the radial beam R divides the tooth profile in such a way that two disjoint surface portions with a total surface portion A5, which are assigned to the leading tooth flank F V , arise, cf. Figure 7g . If the vertex F5 were offset towards the leading tooth flank in such a way that the radial ray R not only touches the leading tooth flank F V but also intersects it at two points, then two disjoint surface portions assigned to the leading tooth flank are defined with a total surface portion A5. The area portion A4 assigned to the trailing tooth flank F N is then limited on the one hand by the radial beam R and in sections, namely between the two intersection points of the leading tooth flank F V with the radial beam R, and on the other hand also by the leading tooth flank F V.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform weist ein Rotorpaar auf, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Hauptrotor HR mit einem Umschlingungswinkel ΦHR ausgebildet ist, für den gilt: 290° ≤ ΦHR ≤ 360°, vorzugsweise 320° ≤ ΦHR ≤ 360°.A further preferred embodiment has a pair of rotors, which is characterized in that the main rotor HR is designed with a wrap angle Φ HR , for which the following applies: 290° ≤ Φ HR ≤ 360°, preferably 320° ≤ Φ HR ≤ 360°.

Mit zunehmendem Umschlingungswinkel kann bei gleichem eingebautem Volumenverhältnis die Druckfensterfläche größer gestaltet werden. Zusätzlich verkürzt sich dadurch auch die axiale Erstreckung der auszuschiebenden Arbeitskammer, die sog. Profiltaschentiefe. Dies reduziert insbesondere bei größeren Drehzahlen die Ausschiebedrosselverluste und ermöglicht damit eine bessere spezifische Leistung. Ein zu großer Umschlingungswinkel wirkt sich allerdings wiederum nachteilig auf das Bauvolumen aus und führt zu größeren Rotoren.As the wrap angle increases, the pressure window area can be made larger with the same built-in volume ratio. In addition, this also shortens the axial extent of the one to be pushed out Working chamber, the so-called profile pocket depth. This reduces the exhaust throttle losses, especially at higher speeds, and thus enables better specific performance. However, a wrap angle that is too large has a negative impact on the construction volume and leads to larger rotors.

Darüber hinaus ist in einer vorteilhaften Ausführungsform ein Rotorpaar vorgesehen, das derart ausgebildet ist und miteinander zusammenwirkt, dass ein Blaslochfaktor µBI mindestens 0,02 % und höchstens 0,4 %, bevorzugtermaßen höchstens 0,25 % beträgt, wobei μ Bl = A Bl A 6 + A 7 100 %

Figure imgb0006
und
wobei ABI eine absolute druckseitige Blaslochfläche und A6 und A7 Zahnlückenflächen des Nebenrotors (NR) bzw. des Hauptrotors (HR) bezeichnen, wobei die Fläche A6 in einer Stirnschnittbetrachtung die zwischen dem Profilverlauf des Nebenrotors (NR) zwischen zwei benachbarten Scheitelpunkten F5 und den Kopfkreis KK1 eingeschlossene Fläche und die Fläche A7 in einer Stirnschnittbetrachtung die zwischen dem Profilverlauf des Hauptrotors (HR) zwischen zwei benachbarten Scheitelpunkten H5 und dem Kopfkreis KK2 eingeschlossene Fläche bezeichnen.In addition, in an advantageous embodiment, a pair of rotors is provided which is designed and interacts with one another in such a way that a blowhole factor μ BI is at least 0.02% and at most 0.4%, preferably at most 0.25%, where μ Bl = A Bl A 6 + A 7 100 %
Figure imgb0006
and
where A BI denotes an absolute pressure-side blow hole area and A6 and A7 denote tooth gap areas of the secondary rotor (NR) and the main rotor (HR), respectively, whereby the area A6 in a face section view is between the profile course of the secondary rotor (NR) between two adjacent vertices F5 and the tip circle KK 1 enclosed area and the area A7 in a face section view denote the area enclosed between the profile course of the main rotor (HR) between two adjacent vertices H5 and the tip circle KK 2 .

Während die absolute Größe des druckseitigen Blaslochs alleine noch keine sinnvolle Aussage über die Wirkung auf die Leckmassenströme ermöglicht, ist ein Verhältnis von absoluter druckseitiger Blaslochfläche ABI zur Summe aus der Zahnlückenfläche A6 des Nebenrotors sowie der Zahnlückenfläche A7 des Hauptrotors wesentlich aussagekräftiger. Hinsichtlich der weiteren Veranschaulichung der Parameter wird hierbei ergänzend auch auf Figur 7b verwiesen. Je kleiner der Zahlenwert µBI ist, umso geringer ist der Einfluss des Blaslochs auf das Betriebsverhalten. Dies erlaubt einen Vergleich unterschiedlicher Profilformen. Die druckseitige Blaslochfläche lässt sich damit unabhängig von der Baugröße der Schraubenmaschine darstellen.While the absolute size of the pressure-side blow hole alone does not provide a meaningful statement about the effect on the leakage mass flows, a ratio of the absolute pressure-side blow hole area A BI to the sum of the tooth gap area A6 of the secondary rotor and the tooth gap area A7 of the main rotor is much more meaningful. With regard to further illustration of the parameters, additional information is also provided here Figure 7b referred. The smaller the numerical value µ BI , the smaller the influence of the blowhole on the operating behavior. This allows a comparison of different profile shapes. The pressure-side blow hole area can therefore be represented regardless of the size of the screw machine.

In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist ein Rotorpaar derart ausgebildet und aufeinander abgestimmt, dass für einen Blasloch-/Profilspaltlängenfaktor µI µBI 0,1 % μ l μ Bl 1,72 %

Figure imgb0007

  • eingehalten ist mit μ l = l sp PT 1 ,
    Figure imgb0008
  • wobei Isp die Länge des räumlichen, also dreidimensionalen Profileingriffspalts einer Zahnlücke des Nebenrotors und PT1 die Profiltiefe des Nebenrotors mit PT1 = rk1 - rf1 bezeichnen
    und μ Bl = A Bl A 6 + A 7 100 %
    Figure imgb0009
  • wobei ABI eine absolute druckseitige Blaslochfläche und A6 und A7 Zahnlückenflächen des Nebenrotors (NR) bzw. des Hauptrotors (HR) bezeichnen, wobei die Fläche A6 in einer Stirnschnittbetrachtung die zwischen dem Profilverlauf des Nebenrotors (NR) zwischen zwei benachbarten Scheitelpunkten F5 und den Kopfkreis KK1 eingeschlossene Fläche und die Fläche A7 in einer Stirnschnittbetrachtung die zwischen dem Profilverlauf des Hauptrotors (HR) zwischen zwei benachbarten Scheitelpunkten H5 und dem Kopfkreis KK2 eingeschlossene Fläche bezeichnen.
In a further preferred embodiment, a pair of rotors is designed and coordinated with one another in such a way that for a blow hole/profile gap length factor µ I µ BI 0.1 % μ l μ Bl 1.72 %
Figure imgb0007
  • is complied with μ l = l sp PT 1 ,
    Figure imgb0008
  • where I sp denotes the length of the spatial, i.e. three-dimensional profile engagement gap of a tooth gap of the secondary rotor and PT 1 denotes the profile depth of the secondary rotor with PT 1 = rk 1 - rf 1
    and μ Bl = A Bl A 6 + A 7 100 %
    Figure imgb0009
  • where A BI denotes an absolute pressure-side blow hole area and A6 and A7 denote tooth gap areas of the secondary rotor (NR) and the main rotor (HR), respectively, whereby the area A6 in a face section view is between the profile course of the secondary rotor (NR) between two adjacent vertices F5 and the tip circle KK 1 enclosed area and the area A7 in a face section view denote the area enclosed between the profile course of the main rotor (HR) between two adjacent vertices H5 and the tip circle KK 2 .

µI bezeichnet einen Profilspaltlängenfaktor, wobei die Länge des Profileingriffsspalts einer Zahnlücke ins Verhältnis zur Profiltiefe PT1 gesetzt wird. Damit lässt sich ein Maß für die Länge des Profileingriffspalts festlegen unabhängig von der Baugröße der Schraubenmaschine. Je kleiner der Zahlenwert der Kennzahl µI ist, umso kürzer ist bei gleicher Profiltiefe der Profilspalt einer Zahnteilung und damit umso geringer der Leckvolumenstrom zurück auf die Saugseite. Aus dem Faktor µI µBI, ergibt sich das Ziel, ein kleines druckseitiges Blasloch mit einem kurzen Profilspalt zu kombinieren. Die beiden Kennzahlen verhalten sich, wie bereits erwähnt, jedoch gegenläufig.µ I denotes a profile gap length factor, whereby the length of the profile engagement gap of a tooth gap is set in relation to the profile depth PT 1 . This allows you to set a dimension for the length of the profile engagement gap, regardless of the size of the screw machine. The smaller the numerical value of the characteristic number µ I , the shorter the profile gap of a tooth pitch is with the same profile depth and thus the lower the leakage volume flow back to the suction side. From the factor µ I µ BI , the goal is to combine a small pressure-side blow hole with a short profile gap. However, as already mentioned, the two key figures behave in opposite directions.

Es wird darüber hinaus als vorteilhaft angesehen, wenn Hauptrotor (HR) und Nebenrotor (NR) derart ausgebildet und aufeinander abgestimmt sind, dass eine trockene Verdichtung mit einem Druckverhältnis Π von bis zu 3, insbesondere mit einem Druckverhältnis Π von größer 1 und bis zu 3, erzielbar ist, wobei das Druckverhältnis das Verhältnis von Verdichtungsenddruck zu Ansaugdruck bezeichnet.It is also considered advantageous if the main rotor (HR) and secondary rotor (NR) are designed and coordinated with one another in such a way that dry compression with a pressure ratio Π of up to 3, in particular with a pressure ratio Π of greater than 1 and up to 3 , can be achieved, whereby the pressure ratio refers to the ratio of final compression pressure to intake pressure.

Eine weiterhin bevorzugte Ausführungsform sieht ein Rotorpaar vor, derart, dass der Hauptrotor (HR) bezogen auf einen Kopfkreis KK2 mit einer Umfangsgeschwindigkeit in einem Bereich von 20 bis 100 m/s betreibbar ausgebildet ist.A further preferred embodiment provides a pair of rotors such that the main rotor (HR) is designed to be operable with respect to a tip circle KK 2 with a peripheral speed in a range of 20 to 100 m/s.

Eine weitere Ausführungsform weist ein Rotorpaar auf, das dadurch gekennzeichnet ist, dass für ein durch das Verhältnis der Kopfkreisradien von Hauptrotor (HR) und Nebenrotor (NR) definierte Durchmesserverhältnis D v = Dk 2 Dk 1 = rk 2 rk 1

Figure imgb0010
1,145 D v 1,30
Figure imgb0011
eingehalten ist, wobei Dk1 den Durchmesser des Kopfkreises KK1 des Nebenrotors (NR) und Dk2 den Durchmesser des Kopfkreises KK2 des Hauptrotors (HR) bezeichnen.A further embodiment has a pair of rotors, which is characterized in that for a diameter ratio defined by the ratio of the tip circle radii of the main rotor (HR) and secondary rotor (NR). D v = Dk 2 Dk 1 = rk 2 rk 1
Figure imgb0010
1,145 D v 1.30
Figure imgb0011
is maintained, where Dk 1 denotes the diameter of the tip circle KK 1 of the secondary rotor (NR) and Dk 2 denotes the diameter of the tip circle KK 2 of the main rotor (HR).

2, Bevorzugte Ausgestaltungen für ein Rotorpaar mit Zähne-Zahlverhältnis 4/52, Preferred embodiments for a pair of rotors with a tooth ratio of 4/5

Nachstehend werden bevorzugte Ausgestaltungen für ein Rotorpaar mit Zähne-Zahlverhältnis 4/5, also für ein Rotorpaar, bei dem der Hauptrotor vier Zähne und der Nebenrotor fünf Zähne aufweist, dargelegt:
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass in einer Stirnschnittbetrachtung innerhalb eines Nebenrotorzahns verlaufende Kreisbögen B25, B50, B75, deren gemeinsamer Mittelpunkt durch die Achse C1 gegeben ist, definiert sind, wobei der Radius r25 von B25 den Wert r25 = rf1 + 0,25 (rk1 - rf1) hat, der Radius r50 von B50 den Wert r50 = rf1 + 0,5 (rk1 - rf1) hat und der Radius r75 von B75 den Wert r75 = rf1 + 0,75 (rk1 - rf1) hat, und wobei die Kreisbögen B25, B50, B75 jeweils durch die vorlaufende Zahnflanke FV und die nachlaufende Zahnflanke FN begrenzt werden, und wobei Zahndickenverhältnisse als Verhältnisse der Bogenlängen b25, b50, b75 der Kreisbögen B25, B50, B75 mit ε1 = b50/b25 und ε2 = b75/b25 definiert werden und folgende Bemessung eingehalten ist: 0,75 ε 1 0,85 und / oder 0,65 ε 2 0,74 .

Figure imgb0012
Preferred embodiments for a pair of rotors with a tooth ratio of 4/5, i.e. for a pair of rotors in which the main rotor has four teeth and the secondary rotor has five teeth, are presented below:
A further preferred embodiment provides that circular arcs B 25 , B 50 , B 75 running within a secondary rotor tooth, whose common center is given by the axis C1, are defined in a face section view, the radius r 25 of B 25 having the value r 25 = rf 1 + 0.25 (rk 1 - rf 1 ), the radius r 50 of B 50 has the value r 50 = rf 1 + 0.5 (rk 1 - rf 1 ) and the radius r 75 of B 75 has the value r 75 = rf 1 + 0.75 (rk 1 - rf 1 ), and where the circular arcs B 25 , B 50 , B 75 are each limited by the leading tooth flank F V and the trailing tooth flank F N , and where tooth thickness ratios are defined as ratios of the arc lengths b 25 , b 50 , b 75 of the circular arcs B 25 , B 50 , B 75 with ε 1 = b 50 / b 25 and ε 2 = b 75 / b 25 and the following dimensioning is observed is: 0.75 ε 1 0.85 and / or 0.65 ε 2 0.74 .
Figure imgb0012

Ziel ist es, ein kleines Blasloch mit kurzer Länge des Profileingriffsspalts zu kombinieren. Die beiden Parameter verhalten sich jedoch gegenläufig, d.h. je kleiner das Blasloch modelliert wird, desto größer wird zwangsläufig die Länge des Profileingriffsspalts. Umgekehrt wird das Blasloch umso größer, je kürzer die Länge des Profileingriffsspalts ist. In den beanspruchten Bereichen wird eine besonders günstige Kombination der beiden Parameter erzielt. Gleichzeitig wird eine ausreichend hohe Biegesteifigkeit des Nebenrotors gewährleistet. Darüber hinaus stellen sich auch Vorteile, was den Kammerausschub anbelangt, und beim Nebenrotor-Drehmoment ein. Hinsichtlich der Veranschaulichung der Parameter wird ergänzend auch auf die Figur 7c verwiesen.The aim is to combine a small blow hole with a short length of profile engagement gap. However, the two parameters behave in opposite directions, i.e. the smaller the blowhole is modeled, the longer the length inevitably becomes of the profile engagement gap. Conversely, the shorter the length of the profile engagement gap, the larger the blow hole becomes. A particularly favorable combination of the two parameters is achieved in the stressed areas. At the same time, a sufficiently high bending rigidity of the secondary rotor is ensured. There are also advantages in terms of chamber extension and secondary rotor torque. With regard to the illustration of the parameters, reference is also made to the Figure 7c referred.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass in einer Stirnschnittbetrachtung zwischen dem betrachteten Zahn des Nebenrotors (NR) und dem jeweils benachbarten Zahn des Nebenrotors (NR) Fußpunkte F1 und F2 am Fußkreis und am radial äußersten Punkt des Zahns ein Scheitelpunkt F5 definiert sind, wobei durch F1, F2 und F5 ein Dreieck DZ definiert ist und wobei in einem radial äußeren Bereich der Zahn mit seiner zwischen F5 und F2 ausgebildeten vorlaufenden Zahnflanke FV mit einer Fläche A1 und mit seiner nachlaufenden zwischen F1 und F5 ausgebildeten Zahnflanke FN mit einer Fläche A2 über das Dreieck DZ übersteht und wobei 6 ≤ A2/A1 ≤ 15 eingehalten ist.A further preferred embodiment provides that in a face section view between the tooth of the secondary rotor (NR) under consideration and the respectively adjacent tooth of the secondary rotor (NR), base points F1 and F2 are defined on the base circle and a vertex F5 is defined at the radially outermost point of the tooth, where a triangle D Z is defined by F1, F2 and F5 and wherein in a radially outer region the tooth with its leading tooth flank F V formed between F5 and F2 has a surface A1 and with its trailing tooth flank F N formed between F1 and F5 with a Area A2 protrudes beyond the triangle D Z and where 6 ≤ A2/A1 ≤ 15 is maintained.

Die Zahnteilfläche A1 an der vorlaufenden Zahnflanke FV des Nebenrotors hat wesentlichen Einfluss auf die Blaslochfläche. Die Zahnteilfläche A2 an der nachlaufenden Zahnflanke FN des Nebenrotors hat hingegen wesentlichen Einfluss auf die Länge des Profileingriffsspalts, den Kammerausschub sowie das Nebenrotordrehmoment. Für das Zahnteilflächenverhältnis A2/A1 gibt es einen vorteilhaften Bereich, der einen guten Kompromiss zwischen Länge des Profileingriffsspalts einerseits und Blasloch andererseits ermöglicht. Hinsichtlich der Veranschaulichung der Parameter wird ergänzend auch auf Figur 7d verwiesen.The partial tooth surface A1 on the leading tooth flank F V of the secondary rotor has a significant influence on the blowhole surface. The partial tooth surface A2 on the trailing tooth flank F N of the secondary rotor, however, has a significant influence on the length of the profile engagement gap, the chamber extension and the secondary rotor torque. There is an advantageous range for the tooth part area ratio A2/A1, which enables a good compromise between the length of the profile engagement gap on the one hand and the blow hole on the other. With regard to the illustration of the parameters, additional information is also provided Figure 7d referred.

In einer weiteren Ausführungsform weist das Rotorpaar einen Nebenrotor auf, bei dem in einer Stirnschnittbetrachtung zwischen dem betrachteten Zahn des Nebenrotors (NR) und dem jeweils benachbarten Zahn des Nebenrotors (NR) Fußpunkte F1 und F2 und am radial äußersten Punkt des Zahns ein Scheitelpunkt F5 definiert sind, wobei durch F1, F2 und F5 ein Dreieck DZ definiert ist und wobei die zwischen F5 und F2 ausgebildete vorlaufende Zahnflanke FV in einem radial äußeren Bereich des Zahns mit einer Fläche A1 über das Dreieck DZ übersteht und in einem radial inneren Bereich gegenüber dem Dreieck DZ mit einer Fläche A3 zurücktritt und wobei 9,0 ≤ A3/A1 ≤ 18 eingehalten ist.In a further embodiment, the pair of rotors has a secondary rotor, in which base points F1 and F2 are defined in a face section view between the tooth of the secondary rotor (NR) under consideration and the adjacent tooth of the secondary rotor (NR) and a vertex F5 is defined at the radially outermost point of the tooth are, where a triangle D Z is defined by F1, F2 and F5 and where the leading tooth flank F V formed between F5 and F2 projects in a radially outer region of the tooth with a surface A1 beyond the triangle D Z and in a radially inner region recedes from the triangle D Z with an area A3 and where 9.0 ≤ A3/A1 ≤ 18 is maintained.

Hinsichtlich der Veranschaulichung der Parameter wird ergänzend auch auf die Figur 7d verwiesen.With regard to the illustration of the parameters, reference is also made to the Figure 7d referred.

Weiterhin wird es bezüglich der Gestaltung des Nebenrotors als vorteilhaft angesehen, wenn in einer Stirnschnittbetrachtung zwischen dem betrachteten Zahn des Nebenrotors (NR) und dem jeweils benachbarten Zahn des Nebenrotors (NR) Fußpunkte F1 und F2 und am radial äußersten Punkt des Zahns ein Scheitelpunkt F5 definiert sind, wobei durch F1, F2 und F5 ein Dreieck DZ definiert ist und wobei die zwischen F5 und F2 ausgebildete vorlaufende Zahnflanke FV in einem radial äußeren Bereich des Zahns mit einer Fläche A1 über das Dreieck DZ übersteht, wobei der Zahn selbst eine durch den zwischen F1 und F2 verlaufenden Kreisbogen B um den durch die Achse C1 definierten Mittelpunkt begrenzte Querschnittsfläche A0 aufweist und wobei 1,5 % ≤ A1/A0 ≤ 3,5 % eingehalten ist.Furthermore, with regard to the design of the secondary rotor, it is considered advantageous if base points F1 and F2 and a vertex F5 are defined at the radially outermost point of the tooth in a face section view between the tooth of the secondary rotor (NR) under consideration and the adjacent tooth of the secondary rotor (NR). are, where a triangle D Z is defined by F1, F2 and F5 and where the leading tooth flank F V formed between F5 and F2 projects in a radially outer region of the tooth with a surface A1 beyond the triangle D Z , the tooth itself having a has a cross-sectional area A0 limited by the circular arc B running between F1 and F2 around the center defined by the axis C1 and where 1.5% ≤ A1/A0 ≤ 3.5% is maintained.

Hinsichtlich der Festlegung der Parameter wird auf die Figuren 7d sowie 7e verwiesen.Regarding the definition of the parameters, reference is made to the Figures 7d as well as 7e.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass in einer Stirnschnittbetrachtung zwischen dem betrachteten Zahn des Nebenrotors (NR) und dem jeweils benachbarten Zahn des Nebenrotors (NR) Fußpunkte F1 und F2 und am radial äußersten Punkt des Zahns ein Scheitelpunkt F5 definiert sind, wobei der zwischen F1 und F2 verlaufende Kreisbogen B um den durch die Achse C1 definierten Mittelpunkt einen Zahnteilungswinkel γ entsprechend 360°/Zahl der Zähne des Nebenrotors NR definiert, wobei auf dem halben Kreisbogen B zwischen F1 und F2 ein Punkt F11 definiert ist, wobei ein vom durch die Achse C1 definierten Mittelpunkt des Nebenrotors (NR) durch den Scheitelpunkt F5 gezogener Radialstrahl R den Kreisbogen B in einem Punkt F12 schneidet, wobei ein Versatzwinkel β durch den in Rotationsrichtung des Nebenrotors (NR) betrachteten Versatz von F11 zu F12 definiert wird und wobei 14 % δ 18 %

Figure imgb0013
eingehalten ist, mit δ = β γ 100 % .
Figure imgb0014
A further preferred embodiment provides that base points F1 and F2 and a vertex F5 are defined at the radially outermost point of the tooth between the tooth of the secondary rotor (NR) under consideration and the respectively adjacent tooth of the secondary rotor (NR), the between F1 and F2 extending circular arc B around the center defined by the axis C1 defines a tooth pitch angle γ corresponding to 360 ° / number of teeth of the secondary rotor NR, with a point F11 being defined on half the circular arc B between F1 and F2, whereby a point F11 is defined by the Axis C1 defined center of the secondary rotor (NR) drawn through the apex F5 radial beam R intersects the circular arc B at a point F12, an offset angle β being defined by the offset from F11 to F12 viewed in the direction of rotation of the secondary rotor (NR) and where 14 % δ 18 %
Figure imgb0013
is complied with δ = β γ 100 % .
Figure imgb0014

Zunächst wird nochmals klargestellt, dass der Versatzwinkel bevorzugtermaßen stets positiv ist, also stets der Versatz in Richtung auf die Rotationsrichtung gegeben ist und nicht entgegen. Der Zahn des Nebenrotors ist insofern zur Rotationsrichtung des Nebenrotors hin gekrümmt. Allerdings sollte der Versatz sich in dem als vorteilhaft angegebenen Bereich halten, um einen günstigen Kompromiss zwischen der Blaslochfläche, der Form der Eingriffslinie, der Länge und Form des Profileingriffsspalts, dem Nebenrotordrehmoment, der Biegesteifigkeit der Rotoren sowie dem Kammerausschub ins Druckfenster zu ermöglichen. Hinsichtlich einer Veranschaulichung der Parameter wird ergänzend auf Figur 7f verwiesen.First of all, it is once again made clear that the offset angle is preferably always positive, i.e. the offset is always in the direction of the direction of rotation and not in the opposite direction. The tooth of the secondary rotor is therefore curved towards the direction of rotation of the secondary rotor. However, the offset should stay within the range specified as advantageous in order to enable a favorable compromise between the blow hole area, the shape of the line of engagement, the length and shape of the profile engagement gap, the secondary rotor torque, the bending stiffness of the rotors and the chamber extension into the pressure window. For an illustration of the parameters, see additional information Figure 7f referred.

Es wird weiterhin als vorteilhaft angesehen, wenn in einer Stirnschnittbetrachtung die zwischen F1 und F5 ausgebildete nachlaufende Zahnflanke FN eines Zahns des Nebenrotors (NR) einen konvexen Längenanteil von mindestens 55 % bis höchstens 95 % aufweist.It is also considered advantageous if, in a face-section view, the trailing tooth flank F N of a tooth of the secondary rotor (NR) formed between F1 and F5 has a convex length component of at least 55% to at most 95%.

Der mit dem Bereich festgelegte, relative lange konvexe Längenanteil der nachlaufenden Zahnflanke FN eines Zahn des Nebenrotors erlaubt einen guten Kompromiss zwischen Länge des Profileingriffsspalts, Kammerausschub, Nebenrotordrehmoment einerseits und Biegesteifigkeit des Nebenrotors andererseits. Hinsichtlich der Veranschaulichung der Parameter wird ergänzend auch auf Figur 7g verwiesen.The relative long convex length component of the trailing tooth flank F N of a tooth of the secondary rotor, which is defined by the area, allows a good compromise between the length of the profile engagement gap, chamber extension, secondary rotor torque on the one hand and the bending stiffness of the secondary rotor on the other hand. With regard to the illustration of the parameters, additional information is also provided Figure 7g referred.

Bevorzugtermaßen ist der Nebenrotor so ausgestaltet, dass in einer Stirnschnittbetrachtung der von der Achse C1 des Nebenrotors (NR) durch F5 gezogene Radialstrahl R das Zahnprofil in einen der vorlaufenden Zahnflanke FV zugeordneten Flächenanteil A5 und einen der nachlaufenden Zahnflanke FN zugeordneten Flächenanteil A4 teilt und wobei 4 A 4 / A 5 9

Figure imgb0015
eingehalten ist. Es sei an dieser Stelle nochmals darauf hingewiesen, dass das Zahnprofil nach radial innen zur Achse C1 hin durch den Fußkreis FK1 begrenzt ist. Hierbei kann es auftreten, dass der Radialstrahl R das Zahnprofil derart teilt, dass zwei disjunkte Flächenanteile mit einem Gesamtflächenanteil A5, die der vorlaufenden Zahnflanke FV zugeordnet sind, entstehen, vgl. Figur 7g. Würde der Scheitelpunkt F5 derart zur vorlaufenden Zahnflanke hin versetzt sein, dass der Radialstrahl R die vorlaufende Zahnflanke FV nicht nur berührt, sondern in zwei Punkten schneidet, so sind wiederum zwei der vorlaufenden Zahnflanke zugeordnete disjunkte Flächenanteile mit einem Gesamtflächenanteil A5 definiert. Der der nachlaufenden Zahnflanke FN zugeordnete Flächenanteil A4 wird dann zum einen durch den Radialstrahl R abschnittsweise, nämlich zwischen den zwei Schnittpunkten der vorlaufenden Zahnflanke FV mit dem Radialstrahl R, zum anderen auch durch die vorlaufende Zahnflanke FV begrenzt.The secondary rotor is preferably designed in such a way that, in an end-section view, the radial beam R drawn from the axis C1 of the secondary rotor (NR) through F5 divides the tooth profile into an area portion A5 assigned to the leading tooth flank F V and an area portion A4 assigned to the trailing tooth flank F N and where 4 A 4 / A 5 9
Figure imgb0015
is complied with. It should be noted again at this point that the tooth profile is limited radially inward towards the axis C1 by the root circle FK 1 . It can happen here that the radial beam R divides the tooth profile in such a way that two disjoint surface portions with a total surface portion A5, which are assigned to the leading tooth flank F V , arise, cf. Figure 7g . If the vertex F5 were offset towards the leading tooth flank in such a way that the radial ray R not only touches the leading tooth flank F V but also intersects it at two points, then two disjoint surface portions assigned to the leading tooth flank are defined with a total surface portion A5. The area portion A4 assigned to the trailing tooth flank F N is then limited in sections by the radial beam R, namely between the two intersection points of the leading tooth flank F V with the radial beam R, and also by the leading tooth flank F V.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform weist ein Rotorpaar auf, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Hauptrotor HR mit einem Umschlingungswinkel ΦHR ausgebildet ist, für den gilt: 320° ≤ ΦHR ≤ 360°, vorzugsweise 330° ≤ ΦHR ≤ 360°.A further preferred embodiment has a pair of rotors, which is characterized in that the main rotor HR is designed with a wrap angle Φ HR , for which the following applies: 320° ≤ Φ HR ≤ 360°, preferably 330° ≤ Φ HR ≤ 360°.

Mit zunehmendem Umschlingungswinkel kann bei gleichem eingebautem Volumenverhältnis die Druckfensterfläche größer gestaltet werden. Zusätzlich verkürzt sich dadurch auch die axiale Erstreckung der auszuschiebenden Arbeitskammer, die sog. Profiltaschentiefe. Dies reduziert insbesondere bei größeren Drehzahlen die Ausschiebedrosselverluste und ermöglicht damit eine bessere spezifische Leistung. Ein zu großer Umschlingungswinkel wirkt sich allerdings wiederum nachteilig auf das Bauvolumen aus und führt zu größeren Rotoren.As the wrap angle increases, the pressure window area can be made larger with the same built-in volume ratio. In addition, this also shortens the axial extent of the working chamber to be pushed out, the so-called profile pocket depth. This reduces the exhaust throttle losses, especially at higher speeds, and thus enables better specific performance. However, a wrap angle that is too large has a negative impact on the construction volume and leads to larger rotors.

Darüber hinaus ist in einer vorteilhaften Ausführungsform ein Rotorpaar vorgesehen, das derart ausgebildet ist und miteinander zusammenwirkt, dass ein Blaslochfaktor µBI mindestens 0,02 % und höchstens 0,4 %, bevorzugtermaßen höchstens 0,25 % beträgt,

  • eingehalten ist, wobei μ Bl = A Bl A 6 + A 7 100 %
    Figure imgb0016
    und
  • wobei ABI eine absolute druckseitige Blaslochfläche und A6 und A7 Zahnlückenflächen des Nebenrotors NR bzw. des Hauptrotors (HR) bezeichnen, wobei die Fläche A6 in einer Stirnschnittbetrachtung die zwischen dem Profilverlauf des Nebenrotors (NR) zwischen zwei benachbarten Scheitelpunkten F5 und dem Kopfkreis KK1 eingeschlossene Fläche und die Fläche A7 in einer Stirnschnittbetrachtung die zwischen dem Profilverlauf des Hauptrotors (HR) zwischen zwei benachbarten Scheitelpunkten H5 und dem Kopfkreis KK2 eingeschlossene Fläche bezeichnen.
In addition, in an advantageous embodiment, a pair of rotors is provided which is designed and interacts with one another in such a way that a blow hole factor μ BI is at least 0.02% and at most 0.4%, preferably at most 0.25%,
  • is complied with, whereby μ Bl = A Bl A 6 + A 7 100 %
    Figure imgb0016
    and
  • where A BI denotes an absolute pressure-side blow hole area and A6 and A7 denote tooth gap areas of the secondary rotor NR and the main rotor (HR), respectively, whereby the area A6 in a face section view is the one between the profile course of the secondary rotor (NR) between two adjacent vertices F5 and the tip circle KK 1 enclosed area and the area A7 in a face section view denote the area enclosed between the profile course of the main rotor (HR) between two adjacent vertices H5 and the tip circle KK 2 .

Während die absolute Größe des druckseitigen Blaslochs alleine noch keine sinnvolle Aussage über die Wirkung auf die Leckmassenströme ermöglicht, ist ein Verhältnis von absoluter druckseitiger Blaslochfläche ABI zur Summe aus der Zahnlückenfläche A6 des Nebenrotors sowie der Zahnlückenfläche A7 des Hauptrotors wesentlich aussagekräftiger. Hinsichtlich der Veranschaulichung der Parameter wird hierbei ergänzend auch auf Figur 7b verwiesen. Je kleiner der Zahlenwert µBI ist, umso geringer ist der Einfluss des Blaslochs auf das Betriebsverhalten. Dies erlaubt einen Vergleich unterschiedlicher Profilformen. Die druckseitige Blaslochfläche lässt sich damit unabhängig von der Baugröße der Schraubenmaschine darstellen.While the absolute size of the pressure-side blow hole alone does not provide a meaningful statement about the effect on the leakage mass flows, a ratio of the absolute pressure-side blow hole area A BI to the sum of the tooth gap area A6 of the secondary rotor and the tooth gap area A7 of the main rotor is much more meaningful. With regard to the illustration of the parameters, additional information is also provided here Figure 7b referred. The smaller the numerical value µ BI , the smaller the influence of the blowhole on the Operating behavior. This allows a comparison of different profile shapes. The pressure-side blow hole area can therefore be represented regardless of the size of the screw machine.

In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist ein Rotorpaar derart ausgebildet und aufeinander abgestimmt, dass für einen Blasloch-/Profilspaltlängenfaktor µI µBI 0,1 % μ l μ Bl 1,72 %

Figure imgb0017

  • eingehalten ist mit μ l = l sp PT 1 ,
    Figure imgb0018
  • wobei Isp die Länge des räumlichen, also dreidimensionalen Profileingriffspalts einer Zahnlücke des Nebenrotors und PT1 die Profiltiefe des Nebenrotors mit PT1 = rk1 - rf1 bezeichnen
    und μ Bl = A Bl A 6 + A 7 100 %
    Figure imgb0019
  • wobei ABI eine absolute druckseitige Blaslochfläche und A6 und A7 Zahnlückenflächen des Nebenrotors (NR) bzw. des Hauptrotors (HR) bezeichnen, wobei die Fläche A6 in einer Stirnschnittbetrachtung die zwischen dem Profilverlauf des Nebenrotors (NR) zwischen zwei benachbarten Scheitelpunkten F5 und dem Kopfkreis KK1 eingeschlossene Fläche und die Fläche A7 in einer Stirnschnittbetrachtung die zwischen dem Profilverlauf des Hauptrotors (HR) zwischen zwei benachbarten Scheitelpunkten H5 und dem Kopfkreis KK2 eingeschlossene Fläche bezeichnen.
In a further preferred embodiment, a pair of rotors is designed and coordinated with one another in such a way that for a blow hole/profile gap length factor µ I µ BI 0.1 % μ l μ Bl 1.72 %
Figure imgb0017
  • is complied with μ l = l sp PT 1 ,
    Figure imgb0018
  • where I sp denotes the length of the spatial, i.e. three-dimensional profile engagement gap of a tooth gap of the secondary rotor and PT 1 denotes the profile depth of the secondary rotor with PT 1 = rk 1 - rf 1
    and μ Bl = A Bl A 6 + A 7 100 %
    Figure imgb0019
  • where A BI denotes an absolute pressure-side blowhole area and A6 and A7 denote tooth gap areas of the secondary rotor (NR) and the main rotor (HR), respectively, whereby the area A6 in a face section view is between the profile course of the secondary rotor (NR) between two adjacent vertices F5 and the tip circle KK 1 enclosed area and the area A7 in a face section view denote the area enclosed between the profile course of the main rotor (HR) between two adjacent vertices H5 and the tip circle KK 2 .

µI bezeichnet einen Profilspaltlängenfaktor, wobei die Länge des Profileingriffsspalts einer Zahnlücke ins Verhältnis zur Profiltiefe PT1 gesetzt wird. Damit lässt sich ein Maß für die Länge des Profileingriffspalts festlegen unabhängig von der Baugröße der Schraubenmaschine. Je kleiner der Zahlenwert der Kennzahl µI ist, umso kürzer ist bei gleicher Profiltiefe der Profilspalt und damit umso geringer der Leckvolumenstrom zurück auf die Saugseite. Aus dem Faktor µI µBI ergibt sich das Ziel, ein kleines druckseitiges Blasloch mit einem kurzen Profilspalt zu kombinieren. Die beiden Kennzahlen verhalten sich, wie bereits erwähnt, jedoch gegenläufig.µ I denotes a profile gap length factor, whereby the length of the profile engagement gap of a tooth gap is set in relation to the profile depth PT 1 . This allows you to set a dimension for the length of the profile engagement gap, regardless of the size of the screw machine. The smaller the numerical value of the characteristic figure µ I , the shorter the profile gap is for the same profile depth and therefore the lower the leakage volume flow back to the suction side. The factor µ I µ BI gives the goal of a small pressure-side blowhole with a short profile gap. However, as already mentioned, the two key figures behave in opposite directions.

Es wird darüber hinaus als vorteilhaft angesehen, wenn Hauptrotor (HR) und Nebenrotor (NR) derart ausgebildet und aufeinander abgestimmt sind, dass eine trockene Verdichtung mit einem Druckverhältnis von bis zu 5, insbesondere mit einem Druckverhältnis Π von größer 1 und bis zu 5, oder alternativ eine fluideingespritzte Verdichtung mit einem Druckverhältnis von bis zu 16, insbesondere mit einem Druckverhältnis größer 1 und bis zu 16, erzielbar ist, wobei das Druckverhältnis das Verhältnis von Verdichtungsenddruck zu Ansaugdruck bezeichnet.It is also considered advantageous if the main rotor (HR) and secondary rotor (NR) are designed and coordinated with one another in such a way that dry compression with a pressure ratio of up to 5, in particular with a pressure ratio Π of greater than 1 and up to 5, or alternatively, a fluid-injected compression can be achieved with a pressure ratio of up to 16, in particular with a pressure ratio greater than 1 and up to 16, the pressure ratio denoting the ratio of the final compression pressure to the intake pressure.

Eine weiterhin bevorzugte Ausführungsform sieht ein Rotorpaar vor, derart, dass im Fall einer trockenen Verdichtung der Hauptrotor bezogen auf einen Kopfkreis KK2 mit einer Umfangsgeschwindigkeit in einem Bereich von 20 bis 100 m/s und im Fall einer fluideingespritzten Verdichtung der Hauptrotor mit einer Umfangsgeschwindigkeit in einem Bereich von 5 bis 50 m/s betreibbar ausgebildet ist.A further preferred embodiment provides a pair of rotors such that in the case of dry compression the main rotor has a peripheral speed in a range of 20 to 100 m/s in relation to a tip circle KK 2 and in the case of fluid-injected compression the main rotor has a peripheral speed in is designed to be operable in a range of 5 to 50 m/s.

Eine weitere Ausführungsform weist ein Rotorpaar auf, das dadurch gekennzeichnet ist, dass für ein durch das Verhältnis der Kopfkreisradien von Hauptrotor (HR) und Nebenrotor (NR) definierte Durchmesserverhältnis D v = Dk 2 Dk 1 = rk 2 rk 1

Figure imgb0020
1,195 D v 1,33
Figure imgb0021
eingehalten ist, wobei Dk1 den Durchmesser des Kopfkreises KK1 des Nebenrotors (NR) und Dk2 den Durchmesser des Kopfkreises KK2 des Hauptrotors (HR) bezeichnet.A further embodiment has a pair of rotors, which is characterized in that for a diameter ratio defined by the ratio of the tip circle radii of the main rotor (HR) and secondary rotor (NR). D v = Dk 2 Dk 1 = rk 2 rk 1
Figure imgb0020
1,195 D v 1.33
Figure imgb0021
is maintained, where Dk 1 denotes the diameter of the tip circle KK 1 of the secondary rotor (NR) and Dk 2 denotes the diameter of the tip circle KK 2 of the main rotor (HR).

3. Bevorzugte Ausgestaltung für ein Rotorpaar mit Zähne-Zahlverhältnis 3/4 oder 453. Preferred design for a pair of rotors with a tooth ratio of 3/4 or 45

Allgemein wird es als bevorzugt angesehen, dass in einer Stirnschnittbetrachtung sich die Zähne des Nebenrotors nach außen hin verjüngen, d.h. alle zu einem vom durch die Achse C1 definierten Mittelpunkt ausgehenden, durch den Punkt F5 gezogenen Radialstrahl senkrecht verlaufenden Kreisbögen von der nachlaufenden Zahnflanke FN zur vorlaufenden Zahnflanke FV ausgehend von F1 nach F2 in der Abfolge nach radial außen abnehmen (oder abschnittsweise zumindest gleichbleiben). Mit anderen Worten gilt in einer Stirnschnittbetrachtung für alle innerhalb eines Zahns des Nebenrotors verlaufenden Bogenlängen b(r) der jeweils zugehörigen konzentrischen Kreisbögen mit dem Radius rf1 < r < rk1 und dem gemeinsamen, durch die Achse C1 definierten Mittelpunkt, die jeweils durch die vorlaufende Zahnflanke FV und die nachlaufende Zahnflanke FN begrenzt werden, dass die Bogenlängen b(r) mit zunehmendem Radius r monoton abnehmen.In general, it is considered to be preferred that, when viewed from an end-section perspective, the teeth of the secondary rotor taper outwards, that is, all circular arcs extending perpendicularly from the trailing tooth flank F N to a radial beam emanating from the center defined by the axis C1 and drawn through the point F5 leading tooth flank F V starting from F1 to F2 in the sequence radially outwards (or in sections at least stay the same). In other words, in a face section view, the following applies to all arc lengths b(r) of the associated concentric circular arcs with the radius rf 1 < r < rk 1 and the common center defined by the axis C1, which are defined by the axis C1, which run within a tooth of the secondary rotor leading tooth flank F V and the trailing tooth flank F N are limited so that the arc lengths b(r) decrease monotonically with increasing radius r.

Die Zähne des Nebenrotors sind in dieser bevorzugten Ausgestaltung also derart ausgebildet, dass sich keine Einschnürungen ergeben, also die Breite eines Zahns des Nebenrotors an keiner Stelle zunimmt, sondern nach radial außen abnimmt oder maximal gleichbleibt. Dies wird als sinnvoll angesehen, um ein einerseits kleines druckseitiges Blasloch bei einer dennoch kurzen Profileingriffsspaltlänge zu erzielen.In this preferred embodiment, the teeth of the secondary rotor are designed in such a way that there are no constrictions, i.e. the width of a tooth of the secondary rotor does not increase at any point, but rather decreases radially outwards or remains the same at most. This is considered useful in order to achieve a small pressure-side blow hole while still maintaining a short profile engagement gap length.

Vorteilhafterweise ist die Stirnschnittgestaltung des Nebenrotors (NR) derart vorgenommen, dass die Wirkrichtung des Drehmoments, das aus einem Referenzdruck auf die eine Arbeitskammer begrenzende Teiloberfläche des Nebenrotors resultiert, entgegen der Drehrichtung des Nebenrotors gerichtet ist.Advantageously, the face cut design of the secondary rotor (NR) is carried out in such a way that the effective direction of the torque, which results from a reference pressure on the partial surface of the secondary rotor delimiting a working chamber, is directed opposite to the direction of rotation of the secondary rotor.

Eine derartige Stirnschnittgestaltung bewirkt, dass das gesamte Drehmoment aus den Gaskräften auf den Nebenrotor der Drehrichtung des Nebenrotors entgegen gerichtet ist. Dadurch wird ein definierter Flankenkontakt zwischen der nachlaufenden Nebenrotorflanke FN und der vorlaufenden Hauptrotorflanke erzielt. Dies trägt dazu bei, das Problem des sog. Rotorklapperns zu vermeiden, welches in ungünstigen, insbesondere instationären Betriebssituationen auftreten kann. Unter Rotorklappern wird ein der gleichförmigen Drehbewegung überlagertes Vor- und Nacheilen des Nebenrotors um seine Drehachse verstanden, welches mit einem schnell wechselnden Aufprallen der nachlaufenden Nebenrotorflanken an den vorlaufenden Hauptrotorflanken und anschließend der vorlaufenden Nebenrotorflanken an den nachlaufenden Hauptrotorflanken usw. einhergeht. Dieses Problem tritt insbesondere dann auf, wenn das Moment aus den Gaskräften zusammen mit anderen Momenten (z.B. aus Lagerreibung) auf den Nebenrotor undefiniert (z.B. nahe Null) ist, was durch die vorteilhafte Stirnschnittgestaltung wirksam vermieden wird.Such a face cut design causes the entire torque from the gas forces on the secondary rotor to be directed in the opposite direction to the direction of rotation of the secondary rotor. This results in a defined flank contact between the trailing secondary rotor flank F N and the leading main rotor flank. This helps to avoid the problem of so-called rotor chatter, which can occur in unfavorable, especially unsteady, operating situations. Rotor chatter is understood to mean a leading and lagging of the secondary rotor about its axis of rotation superimposed on the uniform rotational movement, which is accompanied by a rapidly changing impact of the trailing secondary rotor flanks on the leading main rotor flanks and then of the leading secondary rotor flanks on the trailing main rotor flanks, etc. This problem occurs in particular when the moment from the gas forces together with other moments (eg from bearing friction) on the secondary rotor is undefined (eg close to zero), which is effectively avoided by the advantageous front cut design.

In einer konkret möglichen, fakultativen Ausgestaltung sind Hauptrotor (HR) und Nebenrotor (NR) zum Fördern von Luft oder inerten Gasen, wie Helium oder Stickstoff, ausgebildet und aufeinander abgestimmt.In a specifically possible, optional embodiment, the main rotor (HR) and secondary rotor (NR) are designed and coordinated with one another to convey air or inert gases, such as helium or nitrogen.

Bevorzugtermaßen ist in einer Stirnschnittbetrachtung das Profil eines Zahns des Nebenrotors bezogen auf den vom Mittelpunkt, der durch die Achse C1 definiert ist, durch den Scheitelpunkt F5 gezogenen Radialstrahl R asymmetrisch ausgebildet. Beim Nebenrotor sind somit vorlaufende Zahnflanke und nachlaufende Zahnflanke jedes Zahns zueinander unsymmetrisch ausgebildet. Diese unsymmetrische Ausbildung ist per se für Schraubenverdichter bereits bekannt. Sie trägt aber wesentlich zu einer effizienten Verdichtung bei.Preferably, in an end-section view, the profile of a tooth of the secondary rotor is asymmetrically designed with respect to the radial beam R drawn from the center point, which is defined by the axis C1, through the apex F5. In the secondary rotor, the leading tooth flank and trailing tooth flank of each tooth are designed to be asymmetrical to one another. This asymmetrical design is already known per se for screw compressors. However, it contributes significantly to efficient compaction.

Eine weiterhin bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass in einer Stirnschnittbetrachtung ein Punkt C auf der Verbindungsstrecke C1C2 zwischen der ersten Achse C1 und der zweiten Achse C2 definiert ist, wo sich die Wälzkreise WK1 des Nebenrotors (NR) und WK2 des Hauptrotors (HR) berühren, dass K5 den Schnittpunkt des Fußkreises FK1 des Nebenrotors (NR) mit der Verbindungsstrecke C1C2 definiert, wobei r1 den Abstand zwischen K5 und C bemisst, und dass K4 den Punkt des saugseitigen Teils der Eingriffslinie bezeichnet, der am weitesten von der Verbindungsstrecke C1C2 zwischen C1 und C2 beabstandet liegt, wobei r2 den Abstand zwischen K4 und C bemisst und wobei gilt: 0,9 r 1 r 2 0,875 × z 1 z 2 + 0,22

Figure imgb0022
mit z1: Zahl der Zähne beim Nebenrotor (NR) und z2: Zahl der Zähne beim Hauptrotor (HR).A further preferred embodiment provides that in a front section view a point C on the connecting route C1C2 _ is defined between the first axis C1 and the second axis C2, where the pitch circles WK 1 of the secondary rotor (NR) and WK 2 of the main rotor (HR) touch, that K5 is the intersection of the root circle FK 1 of the secondary rotor (NR) with the connecting section C1C2 _ defined, where r 1 measures the distance between K5 and C, and that K4 denotes the point of the suction-side part of the line of action that is furthest from the connecting section C1C2 _ is spaced between C1 and C2, where r 2 measures the distance between K4 and C and where: 0.9 r 1 r 2 0.875 × e.g 1 e.g 2 + 0.22
Figure imgb0022
with z 1 : number of teeth on the secondary rotor (NR) and z 2 : number of teeth on the main rotor (HR).

Über den Verlauf des saugseitigen Teils der Eingriffslinie zwischen dem Geradenabschnitt C1C2 und der saugseitigen Verschneidungskante lassen sich unter anderem das Nebenrotordrehmoment (= Drehmoment auf den Nebenrotor) und der Kammerausschub ins Druckfenster beeinflussen.About the course of the suction-side part of the line of action between the straight section C1C2 _ and the intersection edge on the suction side, the secondary rotor torque (= torque on the secondary rotor) and the chamber extension into the pressure window can be influenced, among other things.

Charakteristische Merkmale des o.g. Verlaufs des saugseitigen Teils der Eingriffslinie lassen sich anhand des Radienverhältnisses r1/r2 zweier konzentrischer Kreise um den Punkt C (= Berührpunkt von Wälzkreis WK1 des Nebenrotors und Wälzkreis WK2 des Hauptrotors) beschreiben. Liegt das Radienverhältnis r1/r2 in dem angegebenen Bereich, wird die Arbeitskammer im Wesentlichen vollständig ins Druckfenster ausgeschoben.Characteristic features of the above-mentioned course of the suction-side part of the line of action can be described using the radius ratio r 1 /r 2 of two concentric circles around point C (= contact point of pitch circle WK 1 of the secondary rotor and pitch circle WK 2 of the main rotor). If the radius ratio r 1 /r 2 is in the specified range, the working chamber is essentially completely pushed out into the pressure window.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Rotorpaar derart ausgebildet und ausgestaltet, dass für ein Rotorlängenverhältnis LHR/a gilt: 0,85 z 1 / z 2 + 0,67 L HR / a 1,26 z 1 / z 2 + 1,18 ,

Figure imgb0023

  • bevorzugt 0,89 (z1z2) + 0,94 ≤ LHR/a ≤ 1,05 (z1/z2) + 1,22,
  • mit z1: Zahl der Zähne beim Nebenrotor (NR) und z2: Zahl der Zähne beim Hauptrotor (HR), wobei das Rotorlängenverhältnis LHR/a das Verhältnis der Rotorlänge LHR zum Achsabstand a angibt und Rotorlänge LHR der Abstand der saugseitigen Hauptrotor-Rotorstirnfläche zur druckseitigen Hauptrotor-Rotorstirnfläche ist.
In a preferred embodiment, the rotor pair is designed and designed in such a way that the following applies to a rotor length ratio L HR /a: 0.85 e.g 1 / e.g 2 + 0.67 L MR / a 1.26 e.g 1 / e.g 2 + 1.18 ,
Figure imgb0023
  • preferably 0.89 (z 1 z 2 ) + 0.94 ≤ L HR /a ≤ 1.05 (z 1 /z 2 ) + 1.22,
  • with z 1 : number of teeth on the secondary rotor (NR) and z 2 : number of teeth on the main rotor (HR), where the rotor length ratio L HR /a indicates the ratio of the rotor length L HR to the center distance a and rotor length L HR the distance between the suction side Main rotor rotor end face is to the pressure side main rotor rotor end face.

Je kleiner der Wert von LHR/a wird, desto höher wird (bei gleichem Schluckvolumen) die Biegesteifigkeit der Rotoren. In dem beanspruchten Bereich ist die Biegesteifigkeit der Rotoren ausreichend hoch, so dass sich die Rotoren im Betrieb nicht nennenswert durchbiegen und daher die Spalte (zwischen den Rotoren bzw. zwischen Rotoren und Verdichtergehäuse) verhältnismäßig eng ausgeführt werden können, ohne dass dadurch das Risiko entsteht, dass die Rotoren bei ungünstigen Betriebsbedingungen (hohe Temperaturen und/oder hohe Drücke) aneinander anlaufen bzw. im Verdichtergehäuse anlaufen. Enge Spalte bieten den Vorteil von geringen Rückströmungen und tragen damit zur Energieeffizienz bei. Gleichzeitig ist trotz kleiner Spaltmaße die Betriebssicherheit gewährleistet. Auch bei der Rotorfertigung ist eine hohe Biegesteifigkeit der Rotoren zur Einhaltung der hohen Anforderungen an die Formtoleranzen vorteilhaft.The smaller the value of L HR /a becomes, the higher the bending stiffness of the rotors becomes (with the same displacement volume). In the stressed area, the flexural rigidity of the rotors is sufficiently high so that the rotors do not bend significantly during operation and therefore the gaps (between the rotors or between the rotors and the compressor housing) can be made relatively narrow without the risk of that the rotors come into contact with each other or in the compressor housing under unfavorable operating conditions (high temperatures and/or high pressures). Narrow gaps offer the advantage of low backflow and thus contribute to energy efficiency. At the same time, operational safety is guaranteed despite the small gap dimensions. A high level of flexural rigidity of the rotors is also advantageous in rotor production in order to meet the high demands on shape tolerances.

Andererseits ist das Verhältnis von LHR/a aber so groß bemessen, dass der Achsabstand a im Verhältnis zur Rotorlänge LHR nicht übermäßig groß ist. Vorteilhaft ist dies, da in der Konsequenz auch die Rotordurchmesser und ganz konkret die Stirnflächen der Rotoren nicht übermäßig groß sind. Hierdurch können einerseits die Spaltlängen klein gehalten werden; dadurch Minderung der Rückströmung in vorhergehende Arbeitskammern und dadurch wiederum Verbesserung der Energieeffizienz. Andererseits können durch klein dimensionierte Stirnflächen auch die aus den druckbeaufschlagten druckseitigen Stirnflächen der Rotoren resultierenden Axialkräfte vorteilhaft klein gehalten werden, diese Axialkräfte wirken im Betrieb auf die Rotoren und insbesondere auf die Rotorlagerung. Durch eine Minimierung dieser Axialkräfte kann die Belastung der (Wälz)lager minimiert, bzw. können die Lager kleiner dimensioniert werden.On the other hand, the ratio of L HR /a is such that the center distance a is not excessively large in relation to the rotor length L HR . This is advantageous because, as a result, the rotor diameters and, more specifically, the end faces of the rotors are not excessively large. On the one hand, this allows the gap lengths to be kept small; thereby reducing the backflow into previous working chambers and thereby improving energy efficiency. On the other hand, the axial forces resulting from the pressurized pressure-side end faces of the rotors can also be advantageously kept small by means of small-sized end faces; these axial forces act on the rotors and in particular on during operation the rotor bearing. By minimizing these axial forces, the load on the (rolling) bearings can be minimized or the bearings can be made smaller.

Es kann vorteilhafterweise weiterhin vorgesehen sein, dass in einer Stirnschnittbetrachtung das Zahnprofil des Nebenrotors (NR) an seinem radial äußeren Abschnitt abschnittsweise einem Kreisbogen mit Radius rk1 folgt, also mehrere Punkte der vorlaufenden Zahnflanke FV und der nachlaufenden Zahnflanke FN auf dem Kreisbogen mit Radius rk1 um den durch die Achse C1 definierten Mittelpunkt liegen, wobei bevorzugtermaßen der Kreisbogen ARC1 einen Winkel bezogen auf die Achse C1 zwischen 0,5° und 5°, weiter vorzugsweise zwischen 0,5° und 2,5° einschließt,

  • wobei F10 der von F5 am weitest beabstandete Punkt auf der vorlaufenden Zahnflanke auf diesem Kreisbogen ist und
  • wobei der zwischen F10 und den durch die Achse C1 definierten Mittelpunkt des Nebenrotors (NR) gezogene Radialstrahl R10 die vordere Zahnflanke FV in mindestens einem Punkt berührt oder in zwei Punkten schneidet, vgl. insbesondere die Veranschaulichung in Fig. 7h.
It can advantageously also be provided that, in an end-section view, the tooth profile of the secondary rotor (NR) follows a circular arc with radius rk 1 in sections on its radially outer section, i.e. several points of the leading tooth flank F V and the trailing tooth flank F N on the circular arc Radius rk 1 lies around the center defined by the axis C1, the circular arc ARC 1 preferably enclosing an angle with respect to the axis C1 between 0.5° and 5°, more preferably between 0.5° and 2.5°,
  • where F10 is the point furthest away from F5 on the leading tooth flank on this circular arc and
  • wherein the radial beam R 10 drawn between F10 and the center point of the secondary rotor (NR) defined by the axis C1 touches the front tooth flank F V in at least one point or intersects in two points, cf. in particular the illustration in Fig. 7h .

Die vorbeschriebene Ausgestaltung des Zahnprofils des Nebenrotors ist vor allem für ein Zähne-Zahlverhältnis von 3/4 bzw. 4/5 relevant. Bei einem derartigen Zähne-Zahlverhältnis kann durch das Einhalten der oben wiedergegebenen Bedingung die Blaslochfläche reduziert werden. Beim Zähne-Zahlverhältnis 5/6 erscheint ein vorgenannter Berührungspunkt bzw. vorgenannte Schnittpunkte mit der vorlaufenden Zahnflanke FV hingegen nicht erstrebenswert, da die Zähne des Nebenrotors dann möglicherweise zu dünn und in Konsequenz zu biegeweich werden.The above-described design of the tooth profile of the secondary rotor is particularly relevant for a tooth number ratio of 3/4 or 4/5. With such a tooth number ratio, the blowhole area can be reduced by complying with the condition stated above. With a tooth number ratio of 5/6, however, the aforementioned point of contact or intersection points with the leading tooth flank F V does not appear desirable, since the teeth of the secondary rotor may then become too thin and, as a result, too flexible.

Weiterhin wird noch ein Verdichterblock umfassend ein Verdichtergehäuse sowie ein Rotorpaar wie vorstehend beschrieben als erfindungsgemäß beansprucht, wobei das Rotorpaar einen Hauptrotor HR und einen Nebenrotor NR umfasst, die jeweils rotierbar im Verdichtergehäuse gelagert sind.Furthermore, a compressor block comprising a compressor housing and a pair of rotors as described above is claimed as according to the invention, the rotor pair comprising a main rotor HR and a secondary rotor NR, each of which is rotatably mounted in the compressor housing.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Verdichterblock derart ausgestaltet, dass die Stirnschnittgestaltung derart vorgenommen ist, dass die zwischen den Zahnprofilen von Hauptrotor (HR) und Nebenrotor (NR) gebildete Arbeitskammer im Wesentlichen komplett ins Druckfenster ausgeschoben werden kann.In a preferred embodiment, the compressor block is designed in such a way that the end cut design is carried out in such a way that the working chamber formed between the tooth profiles of the main rotor (HR) and secondary rotor (NR) can be pushed out essentially completely into the pressure window.

Allgemein wird es auch als vorteilhaft angesehen, dass bei der hier propagierten Wahl der Profile von Nebenrotor und Hauptrotor es möglich ist, auf eine Entlastungsnut/Geräuschnut gänzlich zu verzichten bzw. diese kleiner auszuführen.In general, it is also considered advantageous that with the choice of profiles of the secondary rotor and main rotor as advocated here, it is possible to completely dispense with a relief groove/noise groove or to make it smaller.

Durch die Stirnschnittgestaltung der beiden Rotoren wird vorteilhaft erreicht, dass sich beim Ausschieben der Arbeitskammer in das Druckfenster kein Kammerzwickelvolumen zwischen den beiden Rotoren bildet. Die Verdichtung kann besonders effizient erfolgen, da keine Rückströmung von bereits verdichtetem Medium auf die Ansaugseite stattfindet, und hiermit auch kein zusätzlicher Wärmeeintrag anfällt. Darüber hinaus kann das gesamte verdichtete Volumen von nachgeordneten Druckluftverbrauchern genutzt werden. Dadurch, dass eine Überverdichtung vermieden wird, ergeben sich Vorteile für die Energieeffizienz, für die Laufruhe des Verdichterblocks und für die Lebensdauer der Rotor-Lager. Bei öleingespritzten Verdichtern wird ein Quetschen des Öls verhindert, und somit die Laufruhe des Verdichters verbessert, die Belastung der Rotor-Lagerung verringert und die Beanspruchung des Öls reduziert.The face cut design of the two rotors advantageously ensures that no chamber gusset volume is formed between the two rotors when the working chamber is pushed out into the pressure window. The compression can be carried out particularly efficiently because there is no backflow of already compressed medium onto the suction side, and therefore no additional heat input occurs. In addition, the entire compressed volume can be used by downstream compressed air consumers. The fact that overcompression is avoided results in advantages for energy efficiency, for the smooth running of the compressor block and for the service life of the rotor bearings. With oil-injected compressors, squeezing of the oil is prevented, thus improving the smooth running of the compressor, reducing the load on the rotor bearings and reducing the stress on the oil.

In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung ist ein Wellenende des Hauptrotors aus dem Verdichtergehäuse herausgeführt und zur Anbindung an einen Antrieb ausgebildet, wobei vorzugsweise beide Wellenenden des Nebenrotors vollständig innerhalb des Verdichtergehäuses aufgenommen sind.In a further preferred embodiment, a shaft end of the main rotor is led out of the compressor housing and designed for connection to a drive, with preferably both shaft ends of the secondary rotor being completely accommodated within the compressor housing.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. Hierbei zeigen:

Figur 1
einen Stirnschnitt einer ersten Ausführungsform mit einem Zähne-Zahlverhältnis 3/4.
Figur 2
einen Stirnschnitt einer zweiten Ausführungsform mit einem Zähne-Zahlverhältnis 3/4.
Figur 3
einen Stirnschnitt einer dritten Ausführungsform mit einem Zähne-Zahlverhältnis 4/5.
Figur 4
ein nicht erfindungsgemäßes Veranschaulichungsbeispiel in einer Stirnschnittbetrachtung mit einem Zähne-Zahlverhältnis 5/6.
Figur 5
eine Veranschaulichung des isentropen Blockwirkungsgrads für das zweite Ausführungsbeispiel zum 3/4 Zähne-Zahlverhältnis im Vergleich zum Stand der Technik.
Figur 6
eine Veranschaulichung des isentropen Blockwirkungsgrads für das nicht erfindungsgemäßes Veranschaulichungsbeispiel zum 5/6 Zähne-Zahlverhältnis im Vergleich zum Stand der Technik.
Figur 7a - 7k
Veranschaulichungsdiagramme für die verschiedenen Parameter der Geometrie des Nebenrotors bzw. des Rotorpaars bestehend aus Hauptrotor und Nebenrotor.
Figur 8
eine Veranschaulichung des Umschlingungswinkels beim Hauptrotor.
Figur 9
eine schematische Schnittzeichnung einer Ausführungsform eines Verdichterblocks.
Figur 10
eine Ausführungsform für ein miteinander verzahntes Rotorpaar bestehend aus einem Hauptrotor und einem Nebenrotor in dreidimensionaler Darstellung.
Figur 11
eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines Nebenrotors zur Veranschaulichung der räumlichen Eingriffslinie.
Figuren 12a, 12b
eine Veranschaulichung der für die Drehmomentwirkungen relevanter Flächen bzw. Teilflächen einer Arbeitskammer einer Ausführungsform des Nebenrotors.
Figur 13
den Stirnschnitt der Ausführungsform nach Figur 1 zur Erläuterung des Profilverlaufs von Haupt- und Nebenrotor bei dieser Ausführungsform.
Figur 14
den Stirnschnitt der Ausführungsform nach Figur 2 zur Erläuterung des Profilverlaufs von Haupt- und Nebenrotor bei dieser Ausführungsform.
Figur 15
den Stirnschnitt der Ausführungsform nach Figur 3 zur Erläuterung des Profilverlaufs von Haupt- und Nebenrotor bei dieser Ausführungsform.
Figur 16
den Stirnschnitt der Ausführungsform nach Figur 4 zur Erläuterung des Profilverlaufs von Haupt- und Nebenrotor bei dieser Ausführungsform.
The invention will be explained in more detail below with regard to further features and advantages based on the description of exemplary embodiments. Show here:
Figure 1
a face cut of a first embodiment with a tooth ratio of 3/4.
Figure 2
a face cut of a second embodiment with a tooth ratio of 3/4.
Figure 3
a face cut of a third embodiment with a tooth ratio of 4/5.
Figure 4
an illustrative example not according to the invention in a face cut view with a tooth number ratio of 5/6.
Figure 5
an illustration of the isentropic block efficiency for the second exemplary embodiment with a 3/4 tooth number ratio in comparison to the prior art.
Figure 6
an illustration of the isentropic block efficiency for the illustrative example not according to the invention for the 5/6 tooth number ratio in comparison to the prior art.
Figure 7a - 7k
Illustration diagrams for the various parameters of the geometry of the secondary rotor or the rotor pair consisting of the main rotor and secondary rotor.
Figure 8
an illustration of the wrap angle of the main rotor.
Figure 9
a schematic sectional drawing of an embodiment of a compressor block.
Figure 10
an embodiment for a pair of interlocking rotors consisting of a main rotor and a secondary rotor in a three-dimensional representation.
Figure 11
a perspective view of an embodiment of a secondary rotor to illustrate the spatial line of action.
Figures 12a, 12b
an illustration of the surfaces or partial surfaces of a working chamber of an embodiment of the secondary rotor that are relevant for the torque effects.
Figure 13
the forehead cut according to the embodiment Figure 1 to explain the profile of the main and secondary rotors in this embodiment.
Figure 14
the forehead cut according to the embodiment Figure 2 to explain the profile of the main and secondary rotors in this embodiment.
Figure 15
the forehead cut according to the embodiment Figure 3 to explain the profile of the main and secondary rotors in this embodiment.
Figure 16
the forehead cut according to the embodiment Figure 4 to explain the profile of the main and secondary rotors in this embodiment.

Im Folgenden sollen die Ausführungsbeispiele nach den Figuren 1 bis 3 erläutert werden. Alle drei Ausführungsbeispiele stellen taugliche Profile dar im Sinne der vorliegenden Erfindung.The following are the exemplary embodiments Figures 1 to 3 be explained. All three exemplary embodiments represent suitable profiles in the sense of the present invention.

Die entsprechenden geometrischen Vorgabewerte für den Hauptrotor HR bzw. den Nebenrotor NR sind in den nachstehend wiedergegebenen Tabellen 1 bis 4 angegeben. Tabelle 1 Ausführungsbeispiel 1 Ausführungsbeispiel 2 Ausführungsbeispiel 3 Veranschaulichungsbeispiel 4 Zähnezahl HR z2 3 3 4 5 Zähnezahl NR z1 4 4 5 6 PTrel [-] 0,588 0,54 0,528 0,455 a/rk1 [-] 1,66 1,72 1,764 1,78 Tabelle 2 Die Profile wurden mit folgenden Achsabständen a erstellt: Ausführungsbeispiel 1 Ausführungsbeispiel 2 Ausführungsbeispiel 3 Veranschaulichungsbeispiel 4 Achsabstand a[mm] 127 111 Tabelle 3 Damit ergeben sich folgende Stirnschnitt-Hauptabmessungen: Ausführungsbeispiel 1 Ausführungsbeispiel 2 Ausführungsbeispiel 3 Veranschaulichungsbeispiel 4 Dk2 [mm] 191 186,1 186 154 Dk1 [mm] 153 147,7 144 124,7 rw2 [mm] 54,4 56,4 50,5 rw1 [mm] 72,6 70,6 60,5 Tabelle 4 Weitere Hauptabmessungen der Rotoren: Ausführungsbeispiel 1 Ausführungsbeispiel 2 Ausführungsbeispiel 3 Veranschaulichungsbeispiel 4 Rotorlänge LHR[mm] 307 293 235,5 The corresponding geometric default values for the main rotor HR and the secondary rotor NR are given in Tables 1 to 4 below. <u>Table 1</u> Example 1 Example 2 Example 3 Illustrative example 4 Number of teeth HR z 2 3 3 4 5 Number of teeth NR z 1 4 4 5 6 PTrel [-] 0.588 0.54 0.528 0.455 a/rk 1 [-] 1.66 1.72 1,764 1.78 The profiles were created with the following center distances a: Example 1 Example 2 Example 3 Illustrative example 4 Center distance a[mm] 127 111 This results in the following main face cut dimensions: Example 1 Example 2 Example 3 Illustrative example 4 Dk 2 [mm] 191 186.1 186 154 Dk 1 [mm] 153 147.7 144 124.7 rw2 [mm] 54.4 56.4 50.5 rw 1 [mm] 72.6 70.6 60.5 Other main dimensions of the rotors: Example 1 Example 2 Example 3 Illustrative example 4 Rotor length L HR [mm] 307 293 235.5

Es ergeben sich bei den dargestellten Ausführungsbeispielen die folgenden erfindungsgemäßen Merkmale und Kenngrößen, die in Tabelle 5 zusammengestellt sind: Tabelle 5 Zusammenstellung der weiteren Merkmale und Kenngrößen: Merkmal Ausführungsbeispiel 1 Ausführungsbeispiel 2 Ausführungsbeispiel 3 Veranschaulichungsbeispiel 4 Zahndickenverhältnis ε1 [-] 0,85 0,82 0,80 0,79 Zahndickenverhältnis ε2 [-] 0,74 0,64 0,69 0,65 Flächenverhältnis A2/A1 [-] 15,7 37,8 10,0 6,2 Flächenverhältnis A1/A0 [%] 2,3 1,1 2,2 2,3 Flächenverhältnis A3/A1 [-] 9,9 19,6 12,6 11,6 Zahnkrümmungsverhältnis δ [%] 18,5 21,1 15,7% 15,2 Konvexer Längenanteil [%] 66,9% 71,2% 62,7% - Radialer Zahndickenverlauf Die Zahndicke der Nebenrotorzähne nimmt vom Fußkreisradius rf1 bis zum Kopfkreisradius rk1 monoton ab. Radialstrahl R10 Radialstrahl R10 hat 2 Schnittpunkte mit der vorlaufenden Zahnflanke FV - Merkmal Ausführungsbeispiel 1 Ausführungsbeispiel 2 Ausführungsbeispiel 3 Veranschaulichungsbeispiel 4 Flächenverhältnis A4/A5 [-] 7,5 10,1 5,5 - Umschlinqunqswinkel ΦHR 334,7° 330,3 330,3 µBI [%] 0,159 0,086 0,106 0,18 µBIµl [%] 0,94 0,53 0,631 1,058 Profilstirnschnittgestaltun q bzgl. Kammerausschub Die Arbeitskammer kann im Wesentlichen komplett ins Druckfenster ausqeschoben werden. Profilstirnschnittgestaltun g bzgl. Nebenrotor-Drehmoment Die Wirkrichtung des aus den Gaskräften resultierenden NR-Drehmoments ist entgegen der Drehrichtung des Nebenrotors gerichtet. Form der Eingriffslinie r1/r2 1,037 1,044 0,984 1,0 Durchmesserverhältnis DV 1,248 1,26 1,292 1,235 Rotorlängenverhältnis LHR/a 2,42 2,42 2,31 2,12 The exemplary embodiments shown result in the following features and parameters according to the invention, which are summarized in Table 5: <u>Table 5</u> Compilation of other features and parameters: characteristic Example 1 Example 2 Example 3 Illustrative example 4 Tooth thickness ratio ε 1 [-] 0.85 0.82 0.80 0.79 Tooth thickness ratio ε 2 [-] 0.74 0.64 0.69 0.65 Area ratio A2/A1 [-] 15.7 37.8 10.0 6.2 Area ratio A1/A0 [%] 2.3 1.1 2.2 2.3 Area ratio A3/A1 [-] 9.9 19.6 12.6 11.6 Tooth curvature ratio δ [%] 18.5 21.1 15.7% 15.2 Convex length component [%] 66.9% 71.2% 62.7% - Radial tooth thickness progression The tooth thickness of the secondary rotor teeth decreases monotonically from the root radius rf 1 to the tip radius rk 1 . Radial jet R 10 Radial beam R 10 has 2 intersection points with the leading tooth flank F V - characteristic Example 1 Example 2 Example 3 Illustrative example 4 Area ratio A4/A5 [-] 7.5 10.1 5.5 - Wrap angle Φ HR 334.7° 330.3 330.3 µBI [%] 0.159 0.086 0.106 0.18 µBI µl [%] 0.94 0.53 0.631 1,058 Profile end section design q regarding chamber extension The working chamber can essentially be completely pushed out into the pressure window. Profile end section design with regard to secondary rotor torque The effective direction of the NR torque resulting from the gas forces is directed opposite to the direction of rotation of the secondary rotor. Shape of the line of action r 1 /r 2 1,037 1,044 0.984 1.0 Diameter ratio D V 1,248 1.26 1,292 1,235 Rotor length ratio L HR /a 2.42 2.42 2.31 2.12

Der isentrope Blockwirkungsgrad im Vergleich zum Stand der Technik ist für das zweite Ausführungsbeispiel zum 3/4 Zähne-Zahlverhältnis in Figur 5 veranschaulicht. Wiedergegeben sind dort zwei Kurven gleichen Druckverhältnisses. Das konkret wiedergegebene Druckverhältnis beträgt 2,0 (Verhältnis Ausgangsdruck zu Eingangsdruck). Der isentrope Blockwirkungsgrad konnte gegenüber den mit dem Stand der Technik erreichbaren Werten deutlich verbessert werden.The isentropic block efficiency in comparison to the prior art is for the second exemplary embodiment at the 3/4 tooth number ratio in Figure 5 illustrated. Two curves with the same pressure ratio are shown there. The specific pressure ratio shown is 2.0 (ratio of outlet pressure to inlet pressure). The isentropic block efficiency could be significantly improved compared to the values achievable with the state of the art.

In Figur 6 ist der isentrope Blockwirkungsgrad im Vergleich zum Stand der Technik beim nicht erfindungsgemäßen Veranschaulichungsbeispiel (5/6 Zähne-Zahlverhältnis) veranschaulicht. Auch hier sind zwei Kurven gleichen Druckverhältnisses wiedergegeben. Das hier wiedergegebene Druckverhältnis beträgt 9,0 (Verhältnis Ausgangsdruck zu Eingangsdruck).In Figure 6 The isentropic block efficiency is illustrated in comparison to the prior art in the illustrative example not according to the invention (5/6 tooth number ratio). Here too, two curves with the same pressure ratio are shown. The pressure ratio shown here is 9.0 (ratio of outlet pressure to inlet pressure).

Die in den Figuren 5 und 6 jeweils angegebene Liefermenge entspricht dem Fördervolumenstrom des Verdichterblocks bezogen auf den Ansaugzustand.The ones in the Figures 5 and 6 The specified delivery quantity corresponds to the delivery volume flow of the compressor block based on the intake condition.

Figur 7a zeigt in einer Stirnschnittbetrachtung eine Ausführungsform für Nebenrotor NR und Hauptrotor HR mit den durch die entsprechenden Achsen C1 und C2 gegebenen Mittelpunkten. Weiterhin sind die geometrischen Hauptabmessungen bzw. Hauptparameter der Stirnschnittbetrachtung dargestellt:

  • Kopfkreis KK1 des Nebenrotors mit zugehörigem Kopfkreisradius rk1 bzw. Kopfkreisdurchmesser Dk1
  • Kopfkreis KK2 des Hauptrotors mit zugehörigem Kopfkreisradius rk2 bzw. Kopfkreisdurchmesser Dk2
  • Fußkreis FK1 des Nebenrotors mit zugehörigem Fußkreisradius rf1 bzw. Fußkreisdurchmesser Df1
  • Fußkreis FK2 des Hauptrotors mit zugehörigem Fußkreisradius rf2 bzw. Fußkreisdurchmesser Df2
  • Achsabstand a zwischen der ersten Achse C1 und der zweiten Achse C2
  • Wälzkreis WK1 des Nebenrotors mit zugehörigem Wälzkreisradius rw1 bzw. Wälzkreisdurchmesser Dw1
  • Wälzkreis WK2 des Hauptrotors mit zugehörigem Wälzkreisradius rw2 bzw. Wälzkreisdurchmesser Dw2
Figure 7a shows an end-section view of an embodiment for secondary rotor NR and main rotor HR with the center points given by the corresponding axes C1 and C2. Furthermore, the main geometric dimensions or main parameters of the end section analysis are shown:
  • Tip circle KK 1 of the secondary rotor with the associated tip circle radius rk 1 or tip circle diameter Dk 1
  • Tip circle KK 2 of the main rotor with the associated tip circle radius rk 2 or tip circle diameter Dk 2
  • Root circle FK 1 of the secondary rotor with the associated root circle radius rf 1 or root circle diameter Df 1
  • Root circle FK 2 of the main rotor with the associated root circle radius rf 2 or root circle diameter Df 2
  • Axis distance a between the first axis C1 and the second axis C2
  • Pitch circle WK 1 of the secondary rotor with the associated pitch circle radius rw 1 or pitch circle diameter Dw 1
  • Pitch circle WK 2 of the main rotor with the associated pitch circle radius rw 2 or pitch circle diameter Dw 2

Weiterhin dargestellt sind auch die Drehrichtung 24 des Nebenrotors sowie die sich zwangsläufig ergebende Drehrichtung des Hauptrotors bei Betrieb als Verdichter.Also shown are the direction of rotation 24 of the secondary rotor and the inevitably resulting direction of rotation of the main rotor when operating as a compressor.

Stellvertretend für alle Zähne des Nebenrotors sind an einem Nebenrotorzahn die vorlaufende Zahnflanke FV sowie die nachlaufende Zahnflanke FN gekennzeichnet. Stellvertretend für alle Zahnlücken des Nebenrotors ist eine Zahnlücke 23 gekennzeichnet. Der anhand von Figur 7a dargestellte Profilverlauf der vorlaufenden Zahnflanke FV sowie der nachlaufenden Zahnflanke FN entspricht dem anhand der Figur 4 für ein Zähnezahlverhältnis von 5/6 erläuterten Ausführungsbeispiel.Representing all the teeth of the secondary rotor, the leading tooth flank F V and the trailing tooth flank F N are marked on a secondary rotor tooth. A tooth gap 23 is marked as a representative of all tooth gaps in the secondary rotor. The based on Figure 7a The profile course of the leading tooth flank F V and the trailing tooth flank F N shown corresponds to that based on Figure 4 for a tooth number ratio of 5/6 explained embodiment.

Figur 7b zeigt in einer Stirnschnittbetrachtung die Zahnlückenflächen A6 und A7 sowie eine Seitenansicht eines Blaslochs. Die in Figur 7b zur Erläuterung der Zahnlückenflächen A6 und A7 dargestellten Profilverläufe entsprechen dem für ein Zähnezahlverhältnis von 3/4 anhand von Figur 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel. Figure 7b shows the tooth gap surfaces A6 and A7 in a front section view as well as a side view of a blow hole. In the Figure 7b The profile curves shown to explain the tooth gap surfaces A6 and A7 correspond to that for a tooth number ratio of 3/4 based on Figure 1 illustrated embodiment.

Weiterhin zeigt Fig. 7b die Lage des Koordinatensystems der in Fig. 7k dargestellten Blaslochfläche ABI in Relation zum Rotorpaar.Continues to show Fig. 7b the position of the coordinate system of the in Fig. 7k shown blow hole area A BI in relation to the rotor pair.

Das Koordinatensystem wird aufgespannt durch die zu den Rotorstirnflächen parallele u-Achse entlang der druckseitigen Verschneidungskante 11.The coordinate system is spanned by the u-axis parallel to the rotor end faces along the pressure-side intersection edge 11.

Das druckseitige Blasloch liegt in dem beschriebenen Koordinatensystem und ganz konkret in einer zu den Rotor-Stirnflächen senkrechten Ebene zwischen der druckseitigen Verschneidungskante 11 und einem Eingriffslinienpunkt K2 des druckseitigen Teils der Eingriffslinie.The pressure-side blow hole lies in the coordinate system described and, specifically, in a plane perpendicular to the rotor end faces between the pressure-side intersection edge 11 and an engagement line point K2 of the pressure-side part of the engagement line.

In einer Stirnschnittbetrachtung wird die Eingriffslinie 10 durch die Verbindungslinie zwischen den beiden Mittelpunkten C1 und C2 in zwei Abschnitte geteilt: Der saugseitige Teil der Eingriffslinie ist unterhalb, der druckseitige Teil oberhalb der Verbindungslinie dargestellt.In an end-section view, the engagement line 10 is divided into two sections by the connecting line between the two center points C1 and C2: the suction-side part of the engagement line is shown below, the pressure-side part above the connecting line.

K2 bezeichnet den Punkt des druckseitigen Teils der Eingriffslinie 10, der am weitesten von der Geraden durch C1 und C2 hindurch beabstandet liegt.K2 denotes the point of the pressure-side part of the line of action 10 which is furthest away from the straight line through C1 and C2.

Durch die Verschneidung der Kopfkreise der beiden Rotoren entstehen eine druckseitige Verschneidungskante 11 und eine saugseitige Verschneidungskante 12. In Fig. 7b ist die druckseitige Verschneidungskante 11 in einer Stirnschnittbetrachtung als Punkt dargestellt. Entsprechendes gilt für die Darstellung der saugseitigen Verschneidungskante 12.The intersection of the tip circles of the two rotors creates a pressure-side intersection edge 11 and a suction-side intersection edge 12. In Fig. 7b the pressure-side intersection edge 11 is shown as a point in an end-section view. The same applies to the representation of the suction-side intersection edge 12.

Die u-Achse ist eine Parallele zu den Rotorstirnflächen und entspricht in einer Stirnschnittbetrachtung dem Vektor vom Eingriffslinienpunkt K2 zu der druckseitigen Verschneidungskante 11.The u-axis is parallel to the rotor end faces and, when viewed from the end face, corresponds to the vector from the line of action point K2 to the pressure-side intersection edge 11.

Weitere Details zur druckseitigen Blaslochfläche ABI ergeben sich aus Figur 7k.Further details on the pressure-side blow hole area A BI can be found in Figure 7k .

Figur 7c zeigt in einer Stirnschnittbetrachtung einen Zahn des Nebenrotors mit den innerhalb des Rotorzahns verlaufenden konzentrischen Kreisbögen B25, B50, B75 um den Mittelpunkt C1 mit den zugehörigen Radien r25, r50, r75 und den zugehörigen Bogenlängen b25, b50, b75. Figure 7c shows a face sectional view of a tooth of the secondary rotor with the concentric circular arcs B 25 , B 50 , B 75 running within the rotor tooth around the center point C1 with the associated radii r 25 , r 50 , r 75 and the associated arc lengths b 25 , b 50 , b75 .

Die Kreisbögen B25, B50, B75 werden jeweils durch die vorlaufenden Zahnflanke FV und die nachlaufende Zahnflanke FN begrenzt. Der anhand von Figur 7c dargestellte Profilverlauf der vorlaufenden Zahnflanke FV sowie der nachlaufenden Zahnflanke FN entspricht dem anhand der Figur 4 für ein Zähnezahlverhältnis von 5/6 erläuterten Ausführungsbeispiel.The circular arcs B 25 , B 50 , B 75 are each limited by the leading tooth flank F V and the trailing tooth flank F N. The based on Figure 7c The profile course of the leading tooth flank F V and the trailing tooth flank F N shown corresponds to that based on Figure 4 for a tooth number ratio of 5/6 explained embodiment.

Figur 7d zeigt in einer Stirnschnittbetrachtung zwischen dem betrachteten Zahn des Nebenrotors und dem jeweils benachbarten Zahn des Nebenrotors Fußpunkte F1 und F2 am Fußkreis sowie am radial äußersten Punkt des Zahns einen Scheitelpunkt F5. Weiterhin ist das durch die Punkte F1, F2 und F5 definierte Dreieck DZ dargestellt. Figure 7d shows base points F1 and F2 on the base circle and at the radially outermost point of the tooth in a face section view between the tooth of the secondary rotor under consideration and the adjacent tooth of the secondary rotor Vertex F5. Furthermore, the triangle D Z defined by the points F1, F2 and F5 is shown.

Figur 7d zeigt folgende (Zahnteil-)Flächen:
Zahnteilfläche A1 entspricht der Fläche, mit der der betrachtete Zahn mit seiner zwischen F5 und F2 ausgebildeten vorlaufenden Zahnflanke FV über das Dreieck DZ in einem radial äußeren Bereich übersteht.
Figure 7d shows the following (tooth part) surfaces:
Tooth partial surface A1 corresponds to the surface with which the tooth under consideration with its leading tooth flank F V formed between F5 and F2 protrudes beyond the triangle D Z in a radially outer region.

Zahnteilfläche A2 entspricht der Fläche, mit der der betrachtete Zahn mit seiner zwischen F5 und F1 ausgebildeten nachlaufenden Zahnflanke FN über das Dreieck DZ in einem radial äußeren Bereich übersteht.Tooth partial surface A2 corresponds to the surface with which the tooth under consideration with its trailing tooth flank F N formed between F5 and F1 protrudes beyond the triangle D Z in a radially outer region.

Fläche A3 entspricht der Fläche, mit der der betrachtete Zahn mit seiner zwischen F5 und F2 ausgebildeten vorlaufenden Zahnflanke gegenüber dem Dreieck DZ zurücktritt.Area A3 corresponds to the area with which the tooth under consideration with its leading tooth flank formed between F5 and F2 recedes from the triangle D Z.

Weiterhin dargestellt ist der Zahnteilungswinkel γ entsprechend 360°/Zahl der Zähne des Nebenrotors. Der anhand von Figur 7d dargestellte Profilverlauf der vorlaufenden Zahnflanke FV sowie der nachlaufenden Zahnflanke FN entspricht dem anhand der Figur 4 für ein Zähnezahlverhältnis von 5/6 erläuterten Ausführungsbeispiel.Also shown is the tooth pitch angle γ corresponding to 360°/number of teeth of the secondary rotor. The based on Figure 7d The profile course of the leading tooth flank F V and the trailing tooth flank F N shown corresponds to that based on Figure 4 for a tooth number ratio of 5/6 explained embodiment.

Figur 7e zeigt in einer Stirnschnittbetrachtung die Querschnittsfläche A0 eines Zahns des Nebenrotors, die durch den zwischen F1 und F2 verlaufenden Kreisbogen B um den Mittelpunkt C1 begrenzt wird. Der anhand von Figur 7e dargestellte Profilverlauf der vorlaufenden Zahnflanke FV sowie der nachlaufenden Zahnflanke FN entspricht dem anhand der Figur 4 für ein Zähnezahlverhältnis von 5/6 erläuterten Ausführungsbeispiel. Figure 7e shows, in an end-section view, the cross-sectional area A0 of a tooth of the secondary rotor, which is limited by the circular arc B running between F1 and F2 around the center point C1. The based on Figure 7e The profile course of the leading tooth flank F V and the trailing tooth flank F N shown corresponds to that based on Figure 4 for a tooth number ratio of 5/6 explained embodiment.

Figur 7f zeigt in einer Stirnschnittbetrachtung den Versatzwinkel β. Dieser ist definiert durch den in Rotationsrichtung des Nebenrotors betrachteten Versatz von Punkt F11 zu Punkt F12. F11 ist ein Punkt auf dem halben Kreisbogen B zwischen F1 und F2 um den Mittelpunkt C1 und entspricht demzufolge dem Schnittpunkt der Winkelhalbierenden des Zahnteilungswinkels γ mit dem Kreisbogen B. Figure 7f shows the offset angle β in a front section view. This is defined by the offset from point F11 to point F12 viewed in the direction of rotation of the secondary rotor. F11 is a point on half the circular arc B between F1 and F2 around the center point C1 and therefore corresponds to the intersection of the bisector of the tooth pitch angle γ with the circular arc B.

F12 ergibt sich aus dem Schnittpunkt des vom Mittelpunkt C1 zum Scheitelpunkt F5 gezogenen Radialstrahls R mit dem Kreisbogen B. Der anhand von Figur 7f dargestellte Profilverlauf der vorlaufenden Zahnflanke FV sowie der nachlaufenden Zahnflanke FN entspricht dem anhand der Figur 4 für ein Zähnezahlverhältnis von 5/6 erläuterten Ausführungsbeispiel.F12 results from the intersection of the radial ray R drawn from the center C1 to the vertex F5 with the circular arc B. The point based on Figure 7f The profile course of the leading tooth flank F V and the trailing tooth flank F N shown corresponds to that based on Figure 4 for a tooth number ratio of 5/6 explained embodiment.

Figur 7g zeigt in einer Stirnschnittbetrachtung den Wendepunkt F8 auf der nachlaufenden Zahnflanke FN des Nebenrotors, in dem sich die Krümmung des Verlaufs des Zahnprofils zwischen Kopf- und Fußkreis ändert. Figure 7g shows, in a face section view, the turning point F8 on the trailing tooth flank F N of the secondary rotor, in which the curvature of the course of the tooth profile between the tip and root circles changes.

Die nachlaufende Zahnflanke FN des Nebenrotors wird durch den Punkt F8 in einen im Wesentlichen konvex gekrümmten Anteil zwischen F8 und dem Scheitelpunkt F5 sowie einen im Wesentlichen konkav gekrümmten Anteil zwischen F8 und dem Fußpunkt F1 unterteilt.The trailing tooth flank F N of the secondary rotor is divided by the point F8 into a substantially convexly curved portion between F8 and the apex F5 and a substantially concavely curved portion between F8 and the base point F1.

Figur 7h zeigt in einer Stirnschnittbetrachtung zwei Schnittpunkte des Radialstrahls R10 von C1 zu F10 mit der vorlaufenden Zahnflanke FV des Nebenrotors, wobei der Punkt F10 denjenigen Punkt der vorlaufenden Zahnflanke FV bezeichnet, der auf dem Kopfkreis KK1 mit rk1 liegt und am weitesten von F5 beabstandet ist. Die Zahnflanke folgt radial außen also über einen definierten Abschnitt einem Kreisbogen ARC1 mit Radius rk1 um den durch die Achse C1 definierten Mittelpunkt des Nebenrotors. Die anhand von Figur 7h erläuterten Profilverläufe der vorlaufenden Zahnflanke FV und der nachlaufenden Zahnflanke FN entsprechen dem für ein Zähnezahlverhältnis von 3/4 beschriebenen Ausführungsbeispiel nach Figur 1. Figure 7h shows, in an end-section view, two intersection points of the radial beam R 10 from C1 to F10 with the leading tooth flank F V of the secondary rotor, where the point F10 denotes the point of the leading tooth flank F V which lies on the tip circle KK 1 with rk 1 and is furthest from F5 is spaced. The tooth flank follows a circular arc ARC 1 with radius rk 1 around the center of the secondary rotor defined by the axis C1 over a defined section on the radial outside. The based on Figure 7h The profile curves of the leading tooth flank F V and the trailing tooth flank F N explained correspond to the exemplary embodiment described for a tooth number ratio of 3/4 Figure 1 .

Figur 7i zeigt in einer Stirnschnittbetrachtung das durch den von C1 zu F5 gezogenen Radialstrahl R geteilte Zahnprofil. Figure 7i shows the tooth profile divided by the radial beam R drawn from C1 to F5 in a face section view.

Konkret wird in der dargestellten Ausführungsform das Zahnprofil in einen der nachlaufenden Zahnflanke FN zugeordneten Flächenanteil A4 sowie einen der vorlaufenden Zahnflanke FV zugeordneten Flächenanteil A5 geteilt. Die anhand von Figur 7i erläuterten Profilverläufe der vorlaufenden Zahnflanke FV und der nachlaufenden Zahnflanke FN entsprechen dem für ein Zähnezahlverhältnis von 5/6 beschriebenen Ausführungsbeispiel nach Figur 4.Specifically, in the embodiment shown, the tooth profile is divided into an area portion A4 assigned to the trailing tooth flank F N and an area portion A5 assigned to the leading tooth flank F V. The based on Figure 7i The profile curves of the leading tooth flank F V and the trailing tooth flank F N explained correspond to the exemplary embodiment described for a tooth number ratio of 5/6 Figure 4 .

Figur 7j zeigt in einer Stirnschnittbetrachtung die Eingriffslinie 10 zwischen Haupt- und Nebenrotor sowie die beiden konzentrischen Kreise um den Punkt C mit den Radien r1 und r2 zur Beschreibung der charakteristischen Merkmale des Verlaufs des saugseitigen Teils der Eingriffslinie. Figure 7j shows, in a front sectional view, the line of action 10 between the main and secondary rotors as well as the two concentric circles around point C with the radii r 1 and r 2 to describe the characteristic features of the course of the suction-side part of the line of action.

Die Eingriffslinie 10 wird durch die Verbindungsstrecke zwischen der ersten Achse C1 und der zweiten Achse C2 in zwei Abschnitte geteilt: Der saugseitige Teil der Eingriffslinie ist unterhalb, der druckseitige Teil oberhalb der Verbindungsstrecke C1C2 dargestellt.The line of action 10 is divided into two sections by the connecting section between the first axis C1 and the second axis C2: the suction-side part of the line of action is below, the pressure-side part is above the connecting section C1C2 _ shown.

Punkt C ist der Berührpunkt des Wälzkreises WK1 des Nebenrotors mit dem Wälzkreis WK2 des Hauptrotors.Point C is the contact point of the pitch circle WK 1 of the secondary rotor with the pitch circle WK 2 of the main rotor.

K4 bezeichnet den Punkt des saugseitigen Teils der Eingriffslinie, der am weitesten von der Verbindungsstrecke zwischen C1 und C2 beabstandet liegt. Radius r1 ist der Abstand zwischen K5 und C, Radius r2 bezeichnet den Abstand zwischen K4 und C.K4 designates the point of the suction-side part of the line of action that is furthest away from the connecting section between C1 and C2. Radius r 1 is the distance between K5 and C, radius r 2 is the distance between K4 and C.

Figur 7k:Figure 7k:

Figur 7k zeigt eine druckseitige Blaslochfläche ABI einer Arbeitskammer und zwar in einer Schnittansicht senkrecht zu den Rotorstirnflächen. Die Begrenzung der Blaslochfläche ABI entsteht dabei aus der Schnittlinie 27 der oben beschriebenen gedachten ebenen Fläche mit der vorlaufenden Nebenrotor-Flanke FV, der Schnittlinie 26 der Ebene mit der nachlaufenden HR-Flanke und einem Geradenabschnitt [K1 K3] der druckseitigen Verschneidungskante 11. Figure 7k shows a pressure-side blow hole surface A BI of a working chamber in a sectional view perpendicular to the rotor end faces. The boundary of the blow hole area A BI arises from the intersection line 27 of the imaginary flat surface described above with the leading secondary rotor flank F V , the intersection line 26 of the plane with the trailing HR flank and a straight section [K1 K3] of the pressure-side intersection edge 11.

Das Koordinatensystem des druckseitigen Blaslochs liegt in der in Fig. 7b beschriebenen ebenen Fläche und wird aufgespannt durch

  • die zu den Rotorstirnflächen parallele u-Achse (Vektor vom Eingriffslinienpunkt K2 zu der druckseitigen Verschneidungskante 11 )
    und
  • die druckseitige Verschneidungskante 11.
The coordinate system of the pressure-side blow hole is in Fig. 7b flat surface described and is clamped by
  • the u-axis parallel to the rotor end faces (vector from the line of action point K2 to the pressure-side intersection edge 11)
    and
  • the pressure-side intersection edge 11.

In Figur 8 ist der bereits mehrfach angesprochene Umschlingungswinkel Φ nochmals bildlich veranschaulicht. Konkret handelt es sich um den Winkel Φ, um den der Stirnschnitt von der saugseitigen zur druckseitigen Rotorstirnfläche verdreht ist. Dies ist vorliegend durch die Verdrehung des Profils zwischen einer druckseitigen Stirnfläche 13 und einer saugseitigen Stirnfläche 14 um den Winkel ΦHR beim Hauptrotor HR veranschaulicht.In Figure 8 The wrap angle Φ, which has already been mentioned several times, is illustrated again. Specifically, this is the angle Φ by which the face cut is rotated from the suction-side to the pressure-side rotor face. In this case, this is due to the rotation of the profile between one pressure-side end face 13 and a suction-side end face 14 illustrated by the angle Φ HR in the main rotor HR.

Figur 9 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Verdichterblocks 19 umfassend ein Gehäuse 15 sowie darin gelagert zwei miteinander paarweise verzahnte Rotoren, nämlich einen Hauptrotor HR und einen Nebenrotor NR. Hauptrotor HR und Nebenrotor NR sind jeweils über geeignete Lager 16 drehbar im Gehäuse 15 gelagert. Eine Antriebsleistung kann auf eine Welle 17 des Hauptrotors HR, beispielsweise mit einem Motor (nicht dargestellt) über eine Kupplung 18 aufgebracht werden. Figure 9 shows a schematic sectional view of a compressor block 19 comprising a housing 15 and two rotors mounted in pairs, namely a main rotor HR and a secondary rotor NR. The main rotor HR and secondary rotor NR are each rotatably mounted in the housing 15 via suitable bearings 16. A drive power can be applied to a shaft 17 of the main rotor HR, for example with a motor (not shown) via a clutch 18.

Bei dem dargestellten Verdichterblock handelt es sich um einen öleingespritzten Schraubenverdichter, bei dem die Drehmomentübertragung zwischen Hauptrotor HR und Nebenrotor NR direkt über die Rotorflanken erfolgt. Im Gegensatz dazu kann bei einem trockenen Schraubenverdichter eine Berührung der Rotorflanken mittels eines Synchronisationsgetriebes (nicht dargestellt) vermieden werden.The compressor block shown is an oil-injected screw compressor in which the torque is transmitted between the main rotor HR and secondary rotor NR directly via the rotor flanks. In contrast, in a dry screw compressor, contact with the rotor flanks can be avoided by means of a synchronization gear (not shown).

Weiterhin nicht dargestellt sind ein Ansaugstutzen zum Ansaugen des zu komprimierenden Mediums sowie ein Auslass für das komprimierte Medium.Also not shown are an intake port for sucking in the medium to be compressed and an outlet for the compressed medium.

In Figur 10 sind noch ein miteinander verzahnter Hauptrotor HR sowie Nebenrotor NR in einer perspektivischen Ansicht dargestellt.In Figure 10 An interlocking main rotor HR and secondary rotor NR are shown in a perspective view.

Figur 11 zeigt die räumliche Eingriffslinie 10 genau einer Zahnlücke 23. Die Profilspaltlänge Isp ist die Länge der räumlichen Eingriffslinie genau einer Zahnlücke 23. Dies entspricht demzufolge der Profilspaltlänge genau einer Zahnteilung. Figure 11 shows the spatial line of action 10 of exactly one tooth gap 23. The profile gap length I sp is the length of the spatial line of action of exactly one tooth gap 23. This therefore corresponds to the profile gap length of exactly one tooth pitch.

Das gesamte Drehmoment aus den Gaskräften auf den Nebenrotor setzt sich zusammen aus der Summe der Drehmomentwirkungen der Gasdrücke in allen Arbeitskammern auf die die jeweiligen Arbeitskammern begrenzenden Teiloberflächen des Nebenrotors. In Fig. 12a ist eine solche, eine Arbeitskammer begrenzende Teiloberfläche (22) des Nebenrotors beispielhaft schraffiert dargestellt.The total torque from the gas forces on the secondary rotor is composed of the sum of the torque effects of the gas pressures in all working chambers on the partial surfaces of the secondary rotor delimiting the respective working chambers. In Fig. 12a Such a partial surface (22) of the secondary rotor delimiting a working chamber is shown hatched as an example.

Figur 12b zeigt die Aufteilung der in Figur 12a dargestellten eine Arbeitskammer begrenzende Teiloberfläche (22) in eine gepunktet dargestellte Fläche (28) und eine kreuzschraffiert dargestellte Fläche (29). Nur die kreuzschraffiert dargestellte Fläche (29) leistet einen Beitrag zum Drehmoment. Figure 12b shows the division of the in Figure 12a shown a partial surface (22) delimiting the working chamber into an area (28) shown in dotted lines and an area (29) shown cross-hatched. Only the cross-hatched area (29) contributes to the torque.

Die Teiloberfläche (22) ergibt sich aus der konkreten Stirnschnittgestaltung und der Steigung des Nebenrotors. Die Steigung des Nebenrotors bezieht sich auf die Steigung der schraubenförmigen Verzahnung des Nebenrotors. Die in Fig. 12a ebenfalls dargestellte, die Teiloberfläche begrenzende dreidimensionale Eingriffslinie (10) wird ebenfalls durch die Stirnschnittgestaltung des Nebenrotors und die Steigung festgelegt.The partial surface (22) results from the specific face cut design and the pitch of the secondary rotor. The pitch of the secondary rotor refers to the pitch of the helical teeth of the secondary rotor. In the Fig. 12a The three-dimensional engagement line (10), also shown and delimiting the partial surface, is also determined by the front section design of the secondary rotor and the pitch.

Teiloberfläche (22) wird außerdem begrenzt durch Schnittlinie (27). Details zu Schnittlinie (27) wurden bereits im Rahmen der Figuren 7b und 7k dargestellt und beschrieben. Gleiches gilt für den Eingriffslinienpunkt K2.Partial surface (22) is also limited by cutting line (27). Details on cutting line (27) have already been discussed as part of the Figures 7b and 7k shown and described. The same applies to the line of action point K2.

Die von der Winkelstellung des Nebenrotors zum Hauptrotor abhängige konkrete Länge einer Arbeitskammer in Richtung der Rotorachse zwischen der Nebenrotorstirnfläche (20) einerseits und der Begrenzung durch die dreidimensionale Eingriffslinie (10) und Schnittlinie (27) andererseits spielt hierbei keine wesentliche Rolle, weil - wie in der einschlägigen Literatur beschrieben wird - die Gasdrücke auf Bereiche der Rotoroberfläche, die in einer Schnittebene senkrecht zur Achse des Rotors vollständigen Zahnlücken entsprechen (in Fig. 12b gepunktet dargestellt), keinen Beitrag zum Drehmoment leisten. Die Steigung des Nebenrotors wirkt sich nur auf den Betrag, jedoch nicht auf die Wirkrichtung des Drehmoments aus.The specific length of a working chamber in the direction of the rotor axis between the secondary rotor end face (20) on the one hand and the boundary caused by the three-dimensional engagement line (10) and cutting line (27) on the other hand, which depends on the angular position of the secondary rotor to the main rotor, does not play a significant role here because - as in the relevant literature - the gas pressures on areas of the rotor surface that correspond to complete tooth gaps in a section plane perpendicular to the axis of the rotor (in Fig. 12b shown dotted), make no contribution to the torque. The pitch of the secondary rotor only affects the amount, but not the effective direction, of the torque.

Die in Fig. 12b gepunktet dargestellte Fläche (28) und die in Fig. 12b kreuzschraffiert dargestellte Fläche (29) bilden zusammen die Teiloberfläche (22).In the Fig. 12b Area shown dotted (28) and the in Fig. 12b Area (29) shown cross-hatched together form the partial surface (22).

Nur die in Fig. 12b kreuzschraffiert dargestellte Fläche (29) leistet einen Beitrag zum Drehmoment.Only the ones in Fig. 12b The cross-hatched area (29) contributes to the torque.

Somit wird in jeder Arbeitskammer die Wirkrichtung des Drehmoments, das der Gasdruck in der Arbeitskammer (bzw. ein beliebiger Referenzdruck) auf die die Arbeitskammer begrenzende Teiloberfläche des Nebenrotors bewirkt, durch die Stirnschnittgestaltung des Nebenrotors festgelegt.Thus, in each working chamber, the effective direction of the torque that the gas pressure in the working chamber (or any reference pressure) causes on the partial surface of the secondary rotor delimiting the working chamber is determined by the front section design of the secondary rotor.

Die oben beschriebene vorteilhafte Stirnschnittgestaltung des Nebenrotors (NR) führt deshalb für jede eine Arbeitskammer begrenzende Teiloberfläche (22) des Nebenrotors und somit für den gesamten Nebenrotor zu einer Wirkrichtung (25) des Drehmoments aus den Gaskräften, die entgegen der Drehrichtung (24) des Nebenrotors gerichtet ist, wodurch das Rotorklappern wirksam vermieden wird.The advantageous front section design of the secondary rotor (NR) described above therefore leads to an effective direction (25) of the torque from the gas forces for each partial surface (22) of the secondary rotor delimiting a working chamber and thus for the entire secondary rotor, which is opposite to the direction of rotation (24) of the secondary rotor is directed, which effectively prevents rotor chatter.

Die dargestellten Ausführungsbeispiele belegen, dass mit der vorliegenden Erfindung eine erhebliche Effizienzsteigerung für ein in Schraubenmaschinen eingesetztes Rotorpaar bestehend aus Hauptrotor und Nebenrotor mit entsprechender Profilgeometrie erzielt werden konnte.The exemplary embodiments shown demonstrate that with the present invention a significant increase in efficiency could be achieved for a pair of rotors used in screw machines consisting of a main rotor and a secondary rotor with a corresponding profile geometry.

Mit der vorliegenden Erfindung ist es gelungen, unabhängig von einer konkret beanspruchten Profildefinition die Effizienz und Laufruhe von Rotorprofilen gegenüber dem Stand der Technik noch weiter zu verbessern.With the present invention, it has been possible to further improve the efficiency and smooth running of rotor profiles compared to the prior art, regardless of a specifically claimed profile definition.

Obwohl es dem Fachmann anhand der angegebenen Parameterwerte ohne weiteres möglich sein wird, mit den im Stand der Technik üblichen Methoden geeignete Profilverläufe zu erzeugen, werden nachstehend rein exemplarisch die Profilverläufe bei den vorstehend abgehandelten Ausführungsbeispielen nach den Figuren 1 bis 4 näher erläutert. Zur Generierung von Profilverläufen können - wie dem auf dem vorliegenden Gebiet tätigen Fachmann bestens bekannt - Profilverläufe auch mittels öffentlich zugänglicher Computerprogramme erzeugt werden.Although it will be easily possible for a person skilled in the art to generate suitable profile curves using the methods customary in the prior art based on the specified parameter values, the profile curves in the exemplary embodiments discussed above are described below purely as an example Figures 1 to 4 explained in more detail. To generate profile histories, profile histories can also be generated using publicly accessible computer programs - as is well known to those skilled in the art in the present field.

Rein exemplarisch wird in diesem Zusammenhang SV_Win, ein Projekt der TU Wien, wobei diese Software in der eingangs genannten Habilitationsschrift von Grafinger sehr ausführlich beschrieben wird, genannt. Ein alternatives, öffentlich zugängliches Computerprogramm stellt darüber hinaus die DISCO-Software und insbesondere das Modul SCORPATH der City University London (Centre for Positive Displacement Compressor Technology) dar. Allgemeine Informationen ergeben sich hierzu aus http://www.city-compressors.co.uk/. Infos zur Installation der Software ergeben sich aus http://www.staff.city.ac.uk/~ra600/DISCO/DISCO/Instalation%20instructions.pdf. Ein Preview zur DISCO-Software kann unter http://www.staff.city.ac.uk/~ra600/DISCO/DISCO%20Preview.htm gefunden werden.SV_Win, a project at the Vienna University of Technology, is mentioned purely as an example in this context; this software is described in great detail in Grafinger's habilitation thesis mentioned at the beginning. An alternative, publicly accessible computer program is also the DISCO software and in particular the SCORPATH module from City University London (Centre for Positive Displacement Compressor Technology). General information can be found on http://www.city-compressors.co. uk/. Information on installing the software can be found at http://www.staff.city.ac.uk/~ra600/DISCO/DISCO/Instalation%20instructions.pdf. A preview of the DISCO software can be found at http://www.staff.city.ac.uk/~ra600/DISCO/DISCO%20Preview.htm.

Eine weitere alternative Software stellt die Software ScrewView dar, die auch in der Dissertation "Directed Evolutionary Algorithms" von Stefan Berlik, Dortmund 2006 (S. 173 f .) erwähnt wird. Auf der Internetseite http://pi.informatik.uni-siegen.de/Mitarbeiter/berlik/projekte/ wird die ScrewView-Software im Zusammenhang mit dem Projekt "Methode zur Auslegung trockenlaufender Rotationsverdrängermaschinen" näher beschrieben.Another alternative software is the ScrewView software, which is also available in the Dissertation "Directed Evolutionary Algorithms" by Stefan Berlik, Dortmund 2006 (p. 173 f .) mentioned. The ScrewView software is described in more detail in connection with the project “Method for the design of dry-running rotary displacement machines” on the website http://pi.informatik.uni-siegen.de/Arbeiter/berlik/projekte/.

In den Figuren 13 bis 16 wird ein Zahn mit nachlaufender Rotorflanke FN und vorlaufender Rotorflanke FV konkret wie folgt erzeugt: Der Abschnitt S1 bis S2 ergibt sich aus einem Kreisbogen auf dem Nebenrotor NR um den Mittelpunkt C1, erzeugt durch den Kreisbogenabschnitt T1 bis T2 um den Mittelpunkt C2 auf dem Hauptrotor HR. Der Abschnitt S2 bis S3 ergibt sich aus einer Hüllkurve zu einer Trochoiden, erzeugt von Kreisbogenabschnitt T2 bis T3 um den Mittelpunkt M4 auf dem Hauptrotor HR. Der Abschnitt S3 bis S4 ist durch einen Kreisbogen um den Mittelpunkt M1 definiert. Der Abschnitt S4 bis S5 ist durch einen Kreisbogen um den Mittelpunkt M2 vorgegeben.In the Figures 13 to 16 A tooth with a trailing rotor flank F N and a leading rotor flank F V is specifically generated as follows: The section S1 to S2 results from a circular arc on the secondary rotor NR around the center point C1, generated by the circular arc section T1 to T2 around the center point C2 on the Main rotor HR. The section S2 to S3 results from an envelope curve to a trochoid, generated by the circular arc section T2 to T3 around the center point M4 on the main rotor HR. The section S3 to S4 is defined by a circular arc around the center M1. The section S4 to S5 is defined by a circular arc around the center M2.

Der Abschnitt S5 bis S6 ist durch einen Kreisbogen um den Mittelpunkt C1 festgelegt. Der sich anschließende Abschnitt S6 bis S7 wird durch einen Kreisbogen um den Mittelpunkt M3 vorgegeben. Der Abschnitt S7 bis S1 schließlich ist durch eine Hüllkurve zu einer Trochoiden, erzeugt vom Kreisbogenabschnitt T7 bis T1 um den Mittelpunkt M5 auf dem Hauptrotor HR vorgegeben. Die vorbeschriebenen Abschnitte schließen jeweils in der angegebenen Reihenfolge nahtlos aneinander an. Die Tangenten am Ende eines Abschnitts und am Beginn des benachbarten Abschnitts sind jeweils gleich. Die Abschnitte gehen insofern unmittelbar, stufenlos sowie knickfrei ineinander über.The section S5 to S6 is defined by a circular arc around the center point C1. The subsequent section S6 to S7 is defined by a circular arc around the center point M3. Finally, the section S7 to S1 is predetermined by an envelope to a trochoid, generated by the circular arc section T7 to T1 around the center point M5 on the main rotor HR. The sections described above follow each other seamlessly in the order given. The tangents at the end of a section and at the beginning of the adjacent section are the same. The sections merge into one another directly, smoothly and without kinks.

Der Profilverlauf der Zähne des Hauptrotors HR wird für das Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 bis 4 ebenfalls anhand der Figuren 13 bis 16 nachstehend kurz erläutert. Der Abschnitt T1-T2 ergibt sich durch einen Kreisbogen auf dem Hauptrotor HR um den Mittelpunkt C2 auf dem Hauptrotor HR. Der Abschnitt T2-T3 wird durch den Kreisbogen auf dem Hauptrotor HR um den Mittelpunkt M4 definiert. Der Abschnitt T3-T4 ergibt sich aus einer Hüllkurve zu einer Trochoiden, erzeugt vom Abschnitt S3-S4 auf dem Nebenrotor NR. Der Abschnitt T4-T5 ist durch eine Hüllkurve zu einer Trochoiden, erzeugt vom Abschnitt S4-S5 auf dem Nebenrotor vorgegeben. Der Abschnitt T5-T6 ist durch einen Kreisbogen um den Mittelpunkt C2, erzeugt durch den Kreisbogenabschnitt S5-S6 um den Mittelpunkt C1 auf dem Nebenrotor NR definiert. Der Abschnitt T6-T7 ergibt sich durch eine Hüllkurve zu einer Trochoiden, erzeugt vom Abschnitt S6-S7 auf dem Nebenrotor NR. Der Abschnitt T7-T1 schließlich ist durch einen Kreisbogen um den Mittelpunkt M5 festgelegt. Auch hier gilt: Die vorbeschriebenen Abschnitte schließen jeweils in der angegebenen Reihenfolge nahtlos aneinander an. Die Tangenten am Ende eines Abschnitts und am Beginn des benachbarten Abschnitts sind jeweils gleich. Die Abschnitte gehen insofern unmittelbar, stufenlos sowie knickfrei ineinander über.The profile of the teeth of the main rotor HR is for the exemplary embodiment according to Figures 1 to 4 also based on the Figures 13 to 16 briefly explained below. The section T1-T2 results from a circular arc on the main rotor HR around the center point C2 on the main rotor HR. The section T2-T3 is defined by the circular arc on the main rotor HR around the center point M4. The section T3-T4 results from an envelope to a trochoid, generated by section S3-S4 on the secondary rotor NR. The section T4-T5 is specified by an envelope to a trochoid, generated by section S4-S5 on the secondary rotor. The section T5-T6 is created by a circular arc around the center point C2, created by the circular arc section S5-S6 around the center point C1 defined on the secondary rotor NR. The section T6-T7 results from an envelope to a trochoid, generated by section S6-S7 on the secondary rotor NR. Finally, the section T7-T1 is defined by a circular arc around the center point M5. The same applies here: The sections described above follow each other seamlessly in the order specified. The tangents at the end of a section and at the beginning of the adjacent section are the same. The sections merge into one another directly, smoothly and without kinks.

Generell ist festzuhalten, dass die Profilverläufe von Nebenrotor NR und Hauptrotor HR natürlich aufeinander abgestimmt sind und insofern die Hüllkurven zu einer Trochoiden jeweils Kreisbogenabschnitten auf dem Gegenrotor entsprechen. Darüber hinaus ist jeweils, wie bereits erwähnt, ein tangentialer Übergang von einem zum nächsten Abschnitt gewährleistet. Eine generelle Vorgehensweise bei der Berechnung des Profilverlaufs des Gegenrotors ist beispielsweise in der Dissertation von Helpertz, "Methode zur stochastischem Optimierung von Schraubenrotorprofilen", Dortmund, 2003, S. 60 ff . beschrieben.In general, it should be noted that the profile curves of the secondary rotor NR and main rotor HR are of course coordinated with one another and in this respect the envelope curves of a trochoid correspond to circular arc sections on the counter rotor. In addition, as already mentioned, a tangential transition from one section to the next is guaranteed. A general procedure for calculating the profile of the counter rotor is, for example, in Dissertation by Helpertz, "Method for the stochastic optimization of screw rotor profiles", Dortmund, 2003, p. 60 ff . described.

Claims (14)

  1. Rotor pair for a compressor block of a screw machine, wherein the rotor pair is comprised of a secondary rotor (NR) that rotates about a first axis (C1) and a main rotor (HR) that rotates about a second axis (C2),
    wherein the number of teeth (z2) in the main rotor (HR) is 3 and the number of teeth (z1) in the secondary rotor (NR) is 4, wherein the relative profile depth of the secondary rotor PT rel = rk 1 rf 1 rk 1
    Figure imgb0037
    is at least 0.5, preferably at least 0.515, and at most 0.65, preferably at most 0.595, wherein rk1 is an addendum circle radius drawn around the outer circumference of the secondary rotor (NR) and rf1 is a dedendum circle radius starting at the profile base of the secondary rotor,
    wherein the ratio of the axis distance a of the first axis (C1) to the second axis (C2) and the addendum circle radius rk1 a rk 1
    Figure imgb0038
    is at least 1.636 and at most 1.8, preferably at most 1.733, wherein preferably the main rotor is configured with a wrap-around angle ΦHR, for which it holds that 240° ≤ ΦHR ≤ 360°, and wherein, in a transverse sectional view, a point C is defined on the connecting line ( C1C2 ) between the first axis (C1) and the second axis (C2), at which the pitch circles WK1 of the secondary rotor (NR) and WK2 of the main rotor (HR) touch, that K5 defines the point of intersection of the dedendum circle FK1 of the secondary rotor (NR) with the connecting line ( C1C2 ), wherein r1 is the distance between K5 and C,
    and that K4 designates the point of the suction-side part of the line of engagement which lies farthest spaced apart from the connecting line ( C1C2 ) between C1 and C2, wherein r2 is the distance between K4 and C, and wherein it holds that: 0.9 r 1 r 2 0.875 × z 1 z 2 + 0.22
    Figure imgb0039
    with z1: number of teeth in the secondary rotor (NR) and z2: number of teeth in the main rotor (HR), and wherein, in a transverse sectional view, circular arcs B25, B50, B75 extending within a secondary rotor tooth are defined, the common center point of which is given by the axis C1, wherein the radius r25 of B25 has the value r25 = rf1+0.25*(rk1-rf1), the radius r50 of B50 has the value r50 = rf1+0.5*(rk1-rf1), and the radius r75 of B75 has the value rf1+0.75*(rk1-rf1), and wherein the circular arcs B25, B50, B75 are each delimited by the leading tooth flank FV and trailing tooth flank FN,
    wherein tooth thickness ratios are defined as ratios of the arc lengths b25, b50, b75 of the circular arcs B25, B50, B75 with ε1 = b50/b25 and ε2 = b75/b25, and the following rating is satisfied: 0.65 ≤ ε1 < 1.0 and/or 0.50 ≤ ε2 ≤ 0.85, preferably 0.80 ≤ ε1 < 1.0 and/or 0.50 ≤ ε2 ≤ 0.79.
  2. Rotor pair according to claim 1, characterized in that, for a rotor length ratio LHR/a, it holds that: 1.4 L HR / a 3.4
    Figure imgb0040
    wherein the rotor length ratio is formed from the ratio of the rotor length LHR of the main rotor and the axis distance a, and the rotor length LHR of the main rotor is formed by the distance of a suction-side main-rotor rotor end face to an opposite pressure-side main-rotor rotor end face.
  3. Rotor pair according to any one of claims 1 or 2, characterized in that, in a transverse sectional view, foot points F1 and F2 are defined between the tooth in question of the secondary rotor (NR) and the respectively adjacent tooth of the secondary rotor, and an apex point F5 is defined at the radially outermost point of the tooth,
    wherein a triangle DZ is defined by F1, F2 and F5, and
    wherein, in a radially outer region, the tooth projects beyond the triangle DZ by an area A1 with its leading tooth flank FV formed between F5 and F2 and by an area A2 with its trailing tooth flank FN formed between F1 and F5, and
    wherein 8 ≤ A2/A1 ≤ 60 is satisfied.
  4. Rotor pair according to any one of claims 1 to 3, characterized in that, in a transverse sectional view, foot points F1 and F2 are defined between the tooth in question of the secondary rotor (NR) and the respectively adjacent tooth of the secondary rotor (NR), and an apex point F5 is defined at the radially outermost point of the tooth,
    wherein the circular arc B extending between F1 and F2 around the center point defined by the axis C1 defines a tooth partition angle γ corresponding to 360°/number of teeth of the secondary rotor (NR),
    wherein a point F11 is defined on the half circular arc B between F1 and F2,
    wherein a radial line R drawn from the center point of the secondary rotor (NR) defined by the first axis C1 through the apex point F5 intersects the circular arc B at a point F12, wherein an offset angle β is defined by the offset of F11 to F12 viewed in the direction of rotation of the secondary rotor (NR), and
    wherein 14 % δ 25 %
    Figure imgb0041
    is satisfied, with δ = β γ 100 % .
    Figure imgb0042
  5. Rotor pair according to any one of claims 1 to 4, characterized in that, in a transverse sectional view, the trailing tooth flank FN of a tooth of the secondary rotor (NR) formed between F1 and F5 has a convex length component of at least 45% to at most 95%.
  6. Rotor pair according to any one of claims 1 to 5, characterized in that, for a diameter ratio defined by the ratio of the addendum circle radii of main rotor (HR) and secondary rotor (NR), D v = Dk 2 Dk 1 = rk 2 rk 1
    Figure imgb0043
    1.145 D v 1.30
    Figure imgb0044
    is satisfied, wherein Dk1 designates the diameter of the addendum circle KK1 of the secondary rotor (NR) and Dk2 designates the diameter of the addendum circle KK2 of the main rotor (HR).
  7. Rotor pair according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the main rotor HR is formed with a wrap-around angle ΦHR, for which it holds that: 290° ≤ ΦHR ≤ 360°, preferably 320° ≤ ΦHR ≤ 360°.
  8. Rotor pair for a compressor block of a screw machine, wherein the rotor pair is comprised of a secondary rotor (NR) that rotates about a first axis (C1) and a main rotor (HR) that rotates about a second axis (C2),
    wherein the number of teeth (z2) in the main rotor (HR) is 4 and the number of teeth (z1) in the secondary rotor (NR) is 5,
    wherein the relative profile depth of the secondary rotor PT rel = rk 1 rf 1 rk 1
    Figure imgb0045
    is at least 0.5, preferably at least 0.515, and at most 0.58, wherein rk1 is an addendum circle radius drawn around the outer circumference of the secondary rotor (NR) and rf1 is a dedendum circle radius starting at the profile base of the secondary rotor,
    wherein the ratio of the axis distance a of the first axis (C1) to the second axis (C2) and the addendum radius rk1 a rk 1
    Figure imgb0046
    is at least 1.683 and at most 1.836, preferably at most 1.782,
    wherein preferably the main rotor is configured with a wrap-around angle ΦHR, for which it holds that 240° ≤ ΦHR ≤ 360°, and wherein, in a transverse sectional view, a point C is defined on the connecting line ( C1C2) between the first axis (C1) and the second axis (C2), at which the pitch circles WK1 of the secondary rotor (NR) and WK2 of the main rotor (HR) touch, that K5 defines the point of intersection of the dedendum circle FK1 of the secondary rotor (NR) with the connecting line ( C1C2), wherein r1 is the distance between K5 and C,
    and that K4 designates the point of the suction-side part of the line of engagement which lies farthest spaced apart from the connecting line ( C1C2) between C1 and C2, wherein r2 is the distance between K4 and C, and wherein it holds that: 0.9 r 1 r 2 0.875 × z 1 z 2 + 0.22
    Figure imgb0047
    with z1: number of teeth in the secondary rotor (NR) and z2: number of teeth in the main rotor (HR), and wherein, in a transverse sectional view, circular arcs B25, B50, B75 extending within a secondary rotor tooth are defined, the common center point of which is C1, wherein the radius r25 of B25 has the value rf1+0.25*(rk1-rf1), the radius r50 of B50 has the value rf1+0.5*(rk1-rf1), and the radius r75 of B75 has the value rf1+0.75*(rk1-rf1), and wherein the circular arcs B25, B50, B75 are each delimited by the leading tooth flank FV and trailing tooth flank FN,
    wherein tooth thickness ratios are defined as ratios of the arc lengths b25, b50, b75 of the circular arcs B25, B50, B75 with ε1 = b50/b25 and ε2 = b75/b25, and the following rating is satisfied: 0.75 ≤ ε1 ≤ 0.85 and/or 0.65 ≤ ε2 ≤ 0.74.
  9. Rotor pair according to claim 8, characterized in that, for a rotor length ratio LHR/a, it holds that: 1.4 L HR / a 3.3
    Figure imgb0048

    wherein the rotor length ratio is formed from the ratio of the rotor length LHR of the main rotor and the axis distance a, and the rotor length LHR of the main rotor is formed by the distance of a suction-side main-rotor rotor end face to an opposite pressure-side main-rotor rotor end face.
  10. Rotor pair according to any one of claims 8 or 9, characterized in that, in a transverse sectional view, foot points F1 and F2 are defined between the tooth in question of the secondary rotor (NR) and the respectively adjacent tooth of the secondary rotor (NR), and an apex point F5 is defined at the radially outermost point of the tooth,
    wherein a triangle DZ is defined by F1, F2 and F5, and
    wherein, in a radially outer region of the tooth, the leading tooth flank FV formed between F5 and F2 projects beyond the triangle DZ by an area A1, and in a radially inner region is set back with respect to the triangle DZ by an area A3, and wherein 9.0 ≤ A3/A1 ≤ 18 is satisfied.
  11. Rotor pair according to any one of claims 8 to 10, characterized in that, in a transverse sectional view, the trailing tooth flank FN of a tooth of the secondary rotor (NR) formed between F1 and F5 has a convex length component of at least 55% to at most 95%.
  12. Rotor pair according to any one of claims 1 to 11, characterized in that, in a transverse sectional view, the arc lengths b(r), extending inside a tooth of the secondary rotor, of the respective associated concentric circular arcs having the radius rf1 < r < rk1 and the common center point defined by the axis C1 are each delimited by the leading tooth flank FV and the trailing tooth flank FN, and the arc lengths b(r) decrease monotonically as the radius r increases.
  13. Rotor pair according to any one of claims 1 to 11, characterized in that, in a transverse sectional view, the tooth profile of the secondary rotor (NR), on its radially outer section, follows in part a circular arc ARC1 having a radius rk1, thus a plurality of points of the leading tooth flank FV and of the trailing tooth flank FN lie on the circular arc having the radius rk1 around the center point defined by the axis C1, wherein preferably the circular arc ARC1 encloses an angle relative to the axis C1 of between 0.5° and 5°, more preferably of between 0.5° and 2.5°,
    wherein F10 is the point on the leading tooth flank on this circular arc that is farthest spaced apart from F5, and
    wherein the radial line R10 drawn between F10 and the center point of the secondary rotor (NR) defined by the axis C1 touches the leading tooth flank FV at least at one point or intersects it at two points.
  14. Rotor pair according to any one of claims 8 to 13, characterized in that the main rotor HR is formed with a wrap-around angle ΦHR, for which it holds that: 320° ≤ ΦHR ≤ 360°, preferably 330° ≤ ΦHR ≤ 360°.
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