WO1997021926A1 - Zwillings-förderschrauben - Google Patents

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WO1997021926A1
WO1997021926A1 PCT/CH1996/000251 CH9600251W WO9721926A1 WO 1997021926 A1 WO1997021926 A1 WO 1997021926A1 CH 9600251 W CH9600251 W CH 9600251W WO 9721926 A1 WO9721926 A1 WO 9721926A1
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Ulrich Becher
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    • F04C18/16—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons with helical teeth, e.g. chevron-shaped, screw type

Definitions

  • the invention relates to the profile geometries of twin feed screws for axially parallel, off-axis operation in pumps with a pilot gear for guiding the screws in opposite directions.
  • Profile geometry, wrap angle, pitch, gap width, medium control and speed determine the pump parameters such as flow rate, efficiency, final pressure, leak rate, temperature, noise and the manufacturing effort.
  • SRM profile The geometries from SRM, Sweden, known as the SRM profile, are suitable for the construction of fast-rotating twin-feed screws with unequal profiles in multiple threads and small wrap angles for pumps with medium final pressure.
  • the screws are manufactured with wrap angles of 1080 °, 1440 °, 1800 °, etc. and have the same end profiles.
  • the outlet is controlled at the end by one of the screws with an opening along the second, involute-shaped profile flank. While maintaining the working principle of the axially moving work cells with twice the length of the slope, the profile geometry should be redesigned and defined in terms of modern series production and an improvement in the volumetric efficiency, the dynamics and the control of the medium should be achieved.
  • This object is achieved according to the invention in the case of twin-conveying screws with profile contours made of an arc of a core, a cycloid-shaped hollow flank, an outer circular arc and a second flank in that, in deviation from the known, the second flank 6, called the flank flank, connects to the core circular arc 4 at the base without kinks and that the flank 6 is at least a central, non-rising area, the saddle 7, which connects the partial side flanks thus formed, the inner flank 8 and the outer flank 9 without kinks.
  • Fig.l A set of twin feed screws in a single version with pilot gear
  • Fig.2 An execution of the profile geometry
  • Fig. 3 An embodiment of the twin feed screws in a section along the line AA of Fig. 1, installed in a housing, shown on the same scale as Fig.l.
  • Fig. 4 An embodiment of the feed screws in an axial section, in sections.
  • the feed screws 1, 2 (Fig.l and 3). Wrap angle of approx. 1600 ° and the same end profiles with a jacket flank that is composed of several flank partial curves:
  • the saddle 7 (Fig. 1 and 2) is designed in a circular arc with a radius the size of half the center distance and corresponds in installation to the saddle of the counter screw .
  • the inner flank 8 (FIG. 2) consists of an eccentric circular arc, which here is called flank circle 10 (FIG. 2), which adjoins the saddle 7 without a kink, and an extended cycloid, the root cycloid 11 (FIG. 2), which connects without kinking the core arc 4 (Fig.2 and 3).
  • the center of the flank circle of the counter screw moves with respect to the profile under consideration on a shortened epicycloid 12 (FIG. 2), the inner parallel curve of which, at a distance from the flank circle radius f, is the outer flank 9 (FIG. 2) of the profile under consideration.
  • the hollow-side cycloid 5 (FIGS. 2 and 3) is calculated with a and b.
  • the root cycloid 11 is generated by the top corner at the joint outer circle / outer flank of the counter profile and is congruent to part of the hollow flank 5 due to the same levers a, b.

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Abstract

Das berührungsfreie Fördern von Medien in Schraubenpumpen erfolgt in bekannten Ausführungsformen durch über Pilotgetriebe geführte eingängige Zwillings-Förderschrauben gleichen Stirnprofils mit Kernkreis, Kopfkreis, Evolventen-Flanke und Hohlflanke, das ein Aufteilen des Pumpenraums in axial gestaffelte Zellen und somit Erzielung hoher Druckdifferenzen einstufig ermöglicht. Neben Dynamik, Wirkungsgrad sowie Fertigung wird auch die Mediumsteuerung durch die Stirnprofilkontur bestimmt, durch deren Variation alle diese abhängigen Größen verbessert werden sollen. Hier wird die Evolvente durch eine nicht stetig steigende Kurve mit einem mittleren Sattelbereich sowie mit knickfreiem Anschluß an den Kernkreis ersetzt. Die dadurch erreichten Veränderungen der Stirnfläche bewirken Verbesserung von Dynamik und volumetrischem Wirkungsgrad und erweitern die Möglichkeiten der stirnseitigen Mediumsteuerung. Die detaillierte Abstimmung der neuen Kurve zusammen mit dem knickfreien Anschluß im Fußpunkt ermöglicht gemeinsame Fertigung von Kern und Flanken mit nur einem Werkzeug. Förderschrauben mit solchen Profilen eignen sich für Größen von 100..1000 m3/h und Enddruck < 0,05 mbar bei Drehzahlen um 3000 min-1 und einem Wirkungsgrad um 50 %.

Description

Zwillinσs-Förderschrauben
Die Erfindung betrifft die Profilgeometrien von Zwillings- Förderschrauben zum achsparallelen, auβenachsigen Betrieb in Pumpen mit Pilotgetriebe zum gegenläufigen Führen der Schrauben. Profilgeometrie, Umschlingungswinkel, Steigung, Spaltbreite, Medium-Steuerung und Drehzahl bestimmen hierbei die Pumpenkennwerte wie Fördermenge, Wirkungsgrad, Enddruck, Leckrate, Temperatur, Geräusche sowie den Fertigungsaufwand.
Die als SRM-Profil bekannten Geometrieen der Fa. SRM, Schweden, eignen sich zum Bau von schnelldrehenden Zwillings- Förderschrauben mit ungleichen Profilen in mehrgängiger Ausführung und kleinen Umschlingungswinkeln für Pumpen mit mittlerem Enddruck. Konstruktionsbedingte Lücken zwischen Eingriffslinie und Gehäuseinnenkante, allgemein als "Blasloch" bekannt, verhindern höheren Enddruck oder guten volumetrischen Wirkungsgrad bei kleinen und mittleren Drehzahlen.
Im vorliegenden Fall gilt das Interesse jedoch Pumpen höherer Enddrücke bei mittleren Drehzahlen, wofür eingängige Zwillingsschrauben mit axialer Sequenz der Arbeitszellen und Umschlingungswinkeln >720° besser geeignet sind : Durch die Ausbildung jeweils einer Flanke der eingängigen Profile als verlängerte Zykloide werden wechselweise symmetrische Eingriffslinien gebildet, die von den Gehäuseinnenkanten zu den Kernkreisen entlang der Schraubenaußenkonturen verlaufen. Diese Eingriffslinien unterteilen den Innenraum der Pumpe in axial wandernde Arbeitszellen mit zweifacher Länge der Steigung in überlappender Anordnung.
In bekannten Ausführungsformen, wie beispielsweise durch die Fa. Taiko, Japan, lieferbar, sind die Schrauben mit Umschlingungswinkeln von 1080°, 1440°, 1800°, etc. gefertigt und weisen gleiche Stirnprofile auf. Der Auslaß wird stirnseitig durch eine der Schrauben gesteuert mit Öffnung entlang der zweiten, dort evolventenförmigen Profilflanke. Unter Beibehaltung des Arbeitsprinzips der axial wandernden Arbeitszellen mit zweifacher Länge der Steigung soll die Profilgeometrie neu gestaltet und definiert werden im Sinne einer modernen Serienfertigung und es soll eine Verbesserung des volumetrischen Wirkungsgrades, der Dynamik und der Steuerung des Mediums erreicht werden.
Diese Aufgabe wird bei Zwillings-Förderschrauben mit Profilkonturen aus Kernkreisbogen, zykloidenförmiger Hohlflanke, Außenkreisbogen und zweiter Flanke erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß abweichend von Bekanntem auch die zweite Flanke 6, Mantelflanke genannt, im Fußpunkt knickfrei an den Kernkreisbogen 4 anschließt und daß die Mantelflanke 6 zumindest einen mittleren, nicht ansteigenden Bereich, den Sattel 7 enthält, der die solchermaßen gebildeten Teil- Manfelflanken, die Innenflanke 8 und die Außenflanke 9 knickfrei verbindet.
Anhand des in den Abbildungen dargestellten und in den Unteransprüchen 2, 3 gekennzeichneten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung anschließend näher erläutert.
Es zeigen :
Fig.l : Einen Satz Zwillings-Förderschrauben in eingängiger Ausführung mit Pilotgetriebe und mit
Umschlingungswinkeln von ca. 1600° nach der Erfindung mit einem mittleren Sattelbereich in der Mantelflanke, in verkleinertem Maßstab.
Fig.2 : Eine Ausführung der Profilgeometrie und
Eingriffsverhältnisse mit dem Gegenprofil eines Zwillings-Förderschraubensatzes von Fig.l.
Fig.3 : Eine Ausführung der Zwillings-Förderschrauben in einem Schnitt entsprechend der Linie A-A von Fig.1, eingebaut in einem Gehäuse, im gleichen Maßstab dargestellt wie Fig.l. Fig.4 : Eine Ausführung der Förderschrauben in einem axialen Schnitt, ausschnittweise.
In der gewählten Ausführung haben die Förderschrauben 1, 2 (Fig.l und 3). Umschlingungswinkel von ca. 1600° und gleiche Stirnprofile mit einer Mantelflanke, die aus mehreren Flankenteilkurven zusammengesetzt ist : Der Sattel 7 (Fig.l und 2) ist kreisbogenförmig mit einem Radius der Größe des halben Achsabstands ausgeführt und korrespondiert im Einbau mit dem Sattel der Gegenschraube. Die Innenflanke 8 (Fig.2) besteht aus einem an den Sattel 7 knickfrei anschließenden, exzentrischen Kreisbogen, hier Flankenkreis 10 (Fig.2) genannt, und einer knickfrei anschließenden verlängerten Zykloide, der Wurzelzykloide 11 (Fig.2), zur Anbindung an den Kernkreisbogen 4 (Fig.2 und 3). Der Mittelpunkt des Flankenkreises der Gegenschraube bewegt sich bezüglich des betrachteten Profils auf einer verkürzten Epizykloide 12 (Fig.2), deren innere Parallelkurve im Abstand des Flankenkreisradius f die Außenflanke 9 (Fig.2) des betrachteten Profils ist.
Zur quantitativen Festlegung wird wie folgt vorgegangen :
1. Festsetzung des Achsabstandes: a= 100 L.E. (Längeneinheiten) .
2. Hieraus folgt direkt der Sattelkreisradius: d = a/2 = 50 L.E.
3. Festsetzung des Kernkreisradius: c - 23 L.E.
4. Hieraus folgt direkt der Außenkreisradius: b = a-c = 77 L.E.
5. Mit a und b wird die Hohlflanken-Zykloide 5 (Fig.2 und 3) berechnet.
Einige Zahlenwerte sind in Tabelle I aufgeführt, wobei u, v die Koordinaten eines recht winkligen Koordinatensystems mit Ursprung in der Achsmitte sind.
6. Aus a und b erhält man den Eintauchwinkel α, der den Bereich der gegenseitigen Durchdringung der kämmenden Förderschrauben 1, 2 (Fig.3) angibt: α/2 = 49,51°
7. Festlegung des Außenkreissektorwinkels ß: Zur Aufrechterhaltung der Funktion muß ß > α/2 werden. Festlegung ß -» 76°.
Wegen Gegeneingriff des gleichen Profils ist der Kernkreissektorwinkel ebenfalls = ß ■ 76°.
8. Festlegung der Schraubensteigung : 1 = 100 L.E.
9. Die Werte 1, a, b, und die Forderung gemeinsamer Bearbeitung der Flanken 5, 6 und Kern 4 mit einem Werkzeug führt über Berechnungen am Axialschnitt (Fig.4) zu einer Bedingung für den Flankenkreisradius von f ≥ 22 L.E. Festlegung : f - 22 L.E., woraus sich die Exzentrizität e der Flankenkreismitte ergibt: e == d-f = 28 L.E.
10. Die Wurzelzykloide 11 wird durch die Kopfecke am Stoßpunkt Außenkreis/Außenflanke des Gegenprofils erzeugt und ist wegen gleicher Hebel a, b deckungsgleich zu einem Teil der Hohlflanke 5. Bei knickfreier Verbindung von Flankenkreis 10 und Kernkreis 4 durch die Wurzelzykloide ll ergibt sich der Innenflankensektorwinkel : γ = 65,94°.
Wegen Gegeneingriff des gleichen Profils ist der Außenflankensektorwinkel ebenfalls γ = 65,94°.
11. Der Sattelsektorwinkel wird somit δ = 360°- 2ß-2γ = 76,12°.
12. Die Werte a, e, f führen zu der Kontur der Außenflanke 9, ein Abschnitt einer Innenparallelkurve zu einer verkürzten Epizykloide. Einige Zahlenwerte sind in Tabelle II aufgeführt, wobei u, v der Definition von Tabelle I entsprechen.
Nach Festlegung der Profilkontur folgt nunmehr:
13. Schwerpunktmittenabstand g = 21,58 L.E.
14. Rotorfläche - Z = 8295,4 (L.E.)2 und somit g-z = l,79*105 (L.E.)3.
15 Wirkungsgrad η = 49,51 %.
16. Aus Betriebsdrehzahl und Geometriedaten erhält man die relative Förderleistung in (L.E. )3/Zeiteinheit, woraus sich durch Gleichsetzen mit der korrigierten Soll- Förderleistung der Wert für 1 L.E. ergibt. Bei einer Soll- Förderleistung von 250 m /h (unkorrigiert) und einer Drehzahl von 3000 UpM ergibt sich: 1 L.E. = 1 mm.
Die danach jetzt am Profil für berührungsfreien Betrieb noch durchgeführten Maßkorrekturen sind zwar für einwandfreie Funktion und Fertigung unerläßlich und mit erheblichem Aufwand verbunden, spielen jedoch bei der Profilauswahl nur eine untergeordnete Rolle.
Der Vergleich mit bekannten Profilen zeigt eine Verbesserung des volumetrischen Wirkungsgrades um ca. 6,5%-Punkte, eine Verbesserung der Dynamik (g-z veringert um 27,2 %) und eine gemeinsame Fertigungsmöglichkeit der gesamten Ganginnenfläche, gebildet durch Kern 4, Hohlflanke 5, Innenflanke 8, Sattel 7 und Außenflanke 9. Der Flächenanteil im Bereich des Flankenkreises erlaubt eine bessere Anpassung der Steuerung des Mediums, geführt über Kanäle 13 (Fig.3) in der Gehäusestirnwand.
Tabelle I Tabelle II
(L.E.) v (L.E.) u (L.E) v (L.E.)
0 -39,37 -30,82 ,63 - 4,18 -33,98 -38,03 ,97 - 7,24 -31,69 -41,22 ,40 - 9,32 -29,85 -43,79 ,92 -10,97 -28,20 -46,05 ,71 -11,68 -26,64 -48,12 ,53 -12,34 -25,12 -50,05 ,21 -13,48 -23,62 -51,88 ,98 -14,44 -22,10 -53,63 ,81 -15,23 -20,55 -55,30 ,72 -15,86 -18,97 -56,92 ,69 -16,34 -17,33 -58,49 ,72 -16,67 -15,64 -59,99 ,80 -16,86 -14,78 -60,73 ,93 -16,90 -12,08 -62,85 ,10 -16,78 -10,20 -64,20 ,30 -16,52 - 8,24 -65,48 ,54 -16,11 - 6,20 -66,71 ,80 -15,55 - 4,09 -67,88 ,07 -14,83 - 1,90 -68,97 ,35 -13,96 + 0,37 -70,00 ,64 -12,92 + 1,54 -70,48 ,92 -11,73 + 2,73 -70,95 ,18 -10,38 + 5,17 -71,81 ,42 - 8,86 + 7,69 -72,59 ,63 - 7,18 + 10,30 -73,28 ,80 - 5,34 + 12,99 -73,87 ,92 - 3,33 + 15,77 -74,35 ,99 - 1,15 + 17,19 -74,54
0 + 18,63 -74,71

Claims

Patentansprüche
1. Zwillings-Förderschrauben für achsparallelen, gegenläufigen Außeneingriff mit Umschlingungswinkeln von mindestens 720° und eingängig ausgeführt mit Stirnprofilkonturen, gebildet aus Kernkreisbogen, erster, zykloidenförmiger Hohlflanke, Außenkreisbogen und zweiter Flanke, dadurch gekennzeichnet, daß auch die zweite Flanke, Mantelflanke genannt, im Fußpunkt knickfrei an den Kernkreisbogen (4) anschließt, sodaß die Hohlflanke (5) und die Mantelflanke (6) mit dem Kern (4) zusammen eine knickfreie Fläche mit gemeinsamer Bearbeitungsmöglichkeit bilden; und/ oder daß die Mantelflanke (6) zumindest einen mittleren, nicht ansteigenden Bereich, den Sattel (7) enthält, der die solchermaßen gebildeten Teil-Mantelflanken, die Innenflanke (8) und die Außenflanke (9) verbindet, wodurch gegenüber bekannten Profilen günstigere Flächenverteilung erzielt wird, derart daß Erhöhung des Volumetrischen Wirkungsgrades, Verbesserung der Dynamik sowie bessere Steuerung des Mediumaustritts und Ballastgaseintritts erreicht werden.
2. Zwillings-Förderschrauben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelflanke (6) aus mehreren Flankenteilkurven zusammengesetzt ist, derart daß der Sattel (7) kreisbogenförmig ausgeführt ist.
3. Zwillings-Förderschrauben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenflanke (8) aus einem exzentrischen Kreisbogen, dem hier sog. Flankenkreis (10) und einer verlängerten Zykloide, als Wurzelzykloide bezeichnet, zusammengesetzt ist, derart daß die Wurzelzykloide (11) an den Kernkreisbogen (4) anschließt und knickfrei durch den Flankenkreiε (10) mit dem Sattel (7) verbunden ist, sodaß die Außenflanke (9) , bedingt durch den jeweiligen Eingriff der Gegenschraube, die Form der Innenparallelkurve einer verkürzten Epizykloide erhält.
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