WO2002008609A1

WO2002008609A1 - Zwillingsschraubenrotoren und solche enthaltende verdrängermaschinen

Info

Publication number: WO2002008609A1
Application number: PCT/CH2001/000421
Authority: WO
Inventors: Ulrich Becher
Original assignee: Ateliers Busch Sa
Priority date: 2000-07-25
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2002-01-31
Also published as: AU6724701A; KR20030026988A; CY1110996T1; PL202364B1; PT1303702E; CZ20024019A3; JP2004504546A; AU2001267247B2; HUP0301145A2; CN1242172C; HK1058814A1; TW587128B; PL362974A1; JP4162485B2; ATE483110T1; DE50115648D1; ES2353460T3; CA2417051A1; CA2417051C; BR0112776A

Abstract

Die Zwillingsschraubenrotoren zum achsparallelen Einbau in Verdrängermaschinen für kompressible Medien besitzen asymmetrische Stirnprofile und Umschlingungszahlen, die >/= 2 sind. Abhängig vom Umschlingungswinkel ( alpha ) variiert die Steigung (L), welche in einem ersten Teilbereich (T1) vom saugseitigen Schraubenende her zunimmt, nach einer Umschlingung einen Maximalwert (Lmax) erreicht, in einem zweiten Teilbereich (T2) abnimmt bis zu einem minimalen Wert (Lmin) und in einem dritten Teilbereich (T3) konstant ist. Der Steigungsverlauf im ersten Teilbereich (T1) ist vorzugsweise spiegelsymmetrisch zu demjenigen im zweiten Teilbereich (T2); innerhalb der Teilbereiche T1 zu T2 ist er in fast allen Fällen jeweils punktsymmetrisch zu den Mittelwerten. Auch ohne Profilvariation lassen sich dadurch vollständig unwuchtfreie kompakte Schraubenrotoren mit Verdichtungsraten von 1,0 ... 10,0 realisieren. Solche Rotoren bieten beste Voraussetzungen für die Reduktion von Energiebedarf, Temperatur, Bauraum, Kosten sowie für die freie Werkstoffauswahl mit Anwendungen in Chemie, Pharmazie, Verpackung und Halbleitertechnik.

Description

Zwillingsschraubenrotoren und solche enthaltende Verdrängermaschinen

Die Erfindung betrifft Zwillingsschraubenrotoren zum achsparallelen Einbau in Verdrängermaschinen für kompressible Medien, mit asymmetrischen Stirnprofilen mit exzentrischer Schwerpunktlage sowie mit Umschlingungszahlen > 2 sowie mit abhängig vom Umschlingungswinkel (α) variierender Steigung, welche in einem ersten Teilbereich vom saugseitigen Schraubenende her zunimmt, nach einer Umschlingung bei α = 0 einen Maximalwert erreicht, in einem zweiten Teilbereich abnimmt bis zu einem minimalen Wert und in einem dritten Teilbereich konstant ist.

Aus den Publikationen SE 85331 , DE 2434782, DE 2434784 sind innenachsige Schraubenmaschinen mit nicht konstanter Steigung der Schrauben oder variierenden Stirnprofilen bekannt. Der teilweise 1 -gängige Innenrotor wird mit Hilfe von Gegengewichten ausgewuchtet. Der hierfür zu betreibende Bauaufwand ist hoch und die Montage aufwendig. Ein weiterer genereller Nachteil gegenüber aussenachsigen Maschinen ist die saugseitige Dichtung, welche nicht eliminiert werden kann.

Ferner werden in den Patentdokumenten DE 2934065, DE 2944714,

DE 3332707 und AU 261792 zwei-wellige Verdichter mit schraubenähnlichen

Rotoren beschrieben, bei welchen Rotoren und/oder Gehäuse aus axial hinter- einander angeordneten Profilscheiben unterschiedlicher Dicke und/oder Kontur zusammengesetzt sind, und solchermassen eine innere Verdichtung bewirken. Da durch den gestuften Aufbau Schadräume und Wirbelzonen entstehen, entsteht ein verminderter Wirkungsgrad gegenüber Schraubenrotoren. Im weiteren sind Probleme bezüglich der Formkonstanz bei der Erwärmung im Betrieb zu erwarten.

Schraubenverdichter mit Ausseneingriff der gegenläufig rotierenden Schraubenrotoren sind durch mehrere Publikationen repräsentiert:

DE 594691 beschreibt einen Schraubenverdichter mit zwei aussen kämmenden, gegenläufigen Rotoren mit veränderlicher Steigung und Gangtiefe sowie Durchmesservariation. Das Profil wird als 1 -gängig dargestellt mit Trapezform im Axialschnitt. Hinweise auf Auswuchtung fehlen jedoch.

DE 609405 beschreibt Schraubenpaare mit veränderlicher Steigung und Gangtiefe zum Betrieb von Verdichter und Entspanner in Luftkältemaschinen. Ein spezielles Stirnprofil ist nicht angegeben, wobei der optische Eindruck auf einen 1 -gängigen trapezförmigen Axialschnitt hindeutet. Es besteht kein Hinweis auf Auswuchtung, obwohl mit hohen Drehzahlen gearbeitet werden soll.

DE 87 685 beschreibt Schraubenrotoren mit wachsender Steigung. Sie sind für den Einbau in Arbeitsmaschinen für expandierende Gase oder Dämpfe vorge- sehen. Sie werden als 1 -gängige oder mehrgängige Schrauben ausgestaltet, wobei kein Hinweis auf Auswuchtung besteht.

DE 4 445 958 beschreibt einen Schraubenverdichter mit gegenläufig rotierenden, aussenkämmenden Schraubenelementen, "die vom einen axialen Ende zum davon entfernten zweiten axialen Ende hin kontinuierlich kleiner werden ...". Sie werden in Vakuumpumpen, Motoren oder Gasturbinen verwendet. Das Profil wird als Rechteckprofil dargestellt, wahlweise wird eine Ausführungsform mit einem Trapezgewinde vorgeschlagen. Auch hier besteht kein Hinweis auf eine Auswuchtung.

EP 0697523 beschreibt einen Verdichtertyp mit Schraubenrotoren mit mehr- gängigen aussenkämmenden Profilen und kontinuierlicher Änderung der Steigung. Die punktsymmetrischen Profile (S.R.M. -Profile) bewirken direkt eine statische und dynamische Auswuchtung.

In EP 1 070 848 werden schraubenförmige Profilkörper mit variabler Steigung gezeigt, in zweigängiger Ausführung, "... um besser ausgewuchtet werden zu können ...". Der Hinweis auf eine besondere Profilgeometrie fehlt, die Zeichnung zeigt im Axialschnitt ein symmetrisches Rechteckprofil.

In einigen der vorstehenden vorbekannten Dokumente des Standes der Technik variieren die Aussendurchmesser, was zu Problemen bei Fertigung und Montage führt. Allen in den erwähnten Publikationen vorgeschlagenen Lösun- gen gemeinsam sind die hohen Leckageverluste durch Verwendung ungünstiger Profile: eine axiale Sequenz von gut abgeschotteten Arbeitszellen ist mit solchen Profilen nicht möglich; eine gute innere Verdichtung ist nicht möglich bei kleinen und mittleren Drehzahlen (Blasloch führt zu Vakuumverlusten und Verlusten bezüglich Wirkungsgrad).

Profile mit guter Abschottung sind in den Druckschriften GB 527339 (2-gängig, asymmetrisch), GB 112104, GB 670395, EP0736667, EP0866918 (1 -gängig) offenbart.

Gemäss den nachstehenden zwei Publikationen werden 1 -gängige Profile mit guter Abschottung verwendet. Ihre Steigung variiert, jedoch werden die Aus- sendurchmesser konstant gehalten:

DE19530662 offenbart eine Schraubensaugpumpe mit aussenkämmenden Schraubenelementen, "wobei die Steigung der Schraubenelemente kontinuierlich von ihrem Einlassende zu ihrem Auslassende abnimmt, um die Kompres- sion des abzugebenden Gases zu veranlassen". Die Form der Zähne des Schraubenrotors weist eine epitrochoidale und/oder archimedische Kurve auf. Der Nachteil derartiger Rotoren besteht darin, dass die erreichbare innere Verdichtung massig ist.

In WO 00/25004 werden Zwillingsschrauben vorgeschlagen, deren Steigungs- verlauf nicht monoton, sondern zuerst ansteigend, danach abfallend und zuletzt gleichbleibend ist. Das Stirnprofil ist eingängig und asymmetrisch und weist eine Hohlflanke auf. Der Aussendurchmesser ist konstant, wobei eine Profilvariation möglich ist.

In keiner der beiden vorstehenden Publikationen wird das Problem der Aus- wuchtung angeschnitten.

In WO 00/47897 werden mehrgängige Zwillings-Förderschrauben mit gleichen asymmetrischen Stimprofilen mit jeweils einer zykloidenförmigen Hohlflanke offenbart, wobei wahlweise die Steigung oder die Steigung und das Stirnprofil längs der Achse variieren können und "... durch entsprechende Ausbildung der einzelnen Stirnprofilbegrenzungskurven wird Übereinstimmung von Profilschwerpunkt und Drehpunkt erreicht." (= Auswuchtung). Im Schraubeninneren (in den Bereichen der Zähne) sind schraubenförmige Kanäle vorgesehen, die dazu bestimmt sind, von einem Kühlmedium durchströmt zu werden.

Herstellungsbedingt ist das Verhältnis Gangtiefe/Ganghöhe auf Werte c/d < 4 begrenzt, was zur Einschränkung der erzielbaren Kompressionsraten oder zur Bauraumvergrösserung führt. Das Problem verschärft sich mit zunehmender Gangzahl. Ausserdem wächst der Fertigungsaufwand mit zunehmender Gangzahl, so dass prinzipiell 1 -gängige Rotoren erwünscht wären, sofern das Prob- lem Auswuchtung dann noch zufriedenstellend gelöst werden kann, und nicht aus anderen Gründen (beispielsweise Rotorkühlung) mehrgängige Rotoren insgesamt vorteilhafter oder erforderlich sind.

In den Dokumenten JP 62291486, WO 97/21925 und WO 98/11351 werden Verfahren zur Auswuchtung 1 -gängiger Rotoren beschrieben, wobei die Stei- gungen als konstant vorausgesetzt werden. Bei modifizierten Massnahmen können ähnliche Methoden zur Auswuchtung von Rotoren mit variabler Steigung verwendet werden, allerdings unter sehr starker Einschränkung der zulässigen Geometrie, da eine Auswuchtung durch Hohlräume im Guss Zusatzprobleme schafft, die wegen der durch die Steigungsvariation bedingten asymmetri- sehen Massenverteilung noch grösser werden.

Es ist demzufolge Aufgabe der vorliegenden Erfindung, technische Lösungen zur Auswuchtung von Seh rauben rotoren mit veränderlicher Steigung und exzentrischer Lage des Stirnprofilschwerpunktes vorzuschlagen, wobei folgende Forderungen erfüllt werden müssen: - Verhältnis Gangtiefe/Ganghöhe c/d< 4 (Fertigung)

- Kurze Baulänge (Steif igkeit, Baugrösse)

- 7>Umschlingungszahl > 2 (Fertigung Endvakuum)

- Volumetrischer Wirkungsgrad: möglichst gross (Baugrösse)

- Kompressionsrate möglichst frei wählbar (Temperatur, Energie) zwischen 1 ,0 ... 10,0 - Stirnprofil: verlustfrei (Energie)

Aussendurchmesser = Konstant (Fertigung Montage)

- Werkstoff möglichst frei wählbar (Fertigung, Anwendung).

Die oben genannte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei den Zwillingsschrau- benrotoren statische und dynamische Auswuchtung durch den rechnerischen Abgleich von Gesamtumschlingungswinkel, definiertem Steigungsverlauf und Relation Maximale Steigung zu minimaler Steigung erreicht ist oder mindestens zu 80% erreicht und durch Veränderungen der Geometrie im Bereich der Schraubenenden ergänzt ist.

Die sinnvolle Kürzung der spitz auslaufenden Schraubenwendelflanken erfolgt unter Abstimmung mit einer beidseitigen Umschlingungswinkelvergrösserung (μ) und der Steigung. Aussparungen im Bereich der Schraubenstirnflächen kommen als Zusatzmassnahmen für die Auswuchtung zur Anwendung, falls extreme Bedingungen dies erfordern.

Solche Rotoren bieten beste Voraussetzungen für die Reduktion des Energiebedarfs, der Temperatur, der Baugrösse und der Kosten, sowie für eine freie Werkstoffwahl mit Anwendung in Chemie und Halbleitertechnik. Die nachstehenden Berechnungen stellen die theoretischen Grundlagen dar, welche zeigen, dass ein Schraubenrotor gemäss der vorliegenden Erfindung die Bedin- gung der Auswuchtung auf Grund seiner Form erfüllt.

Besondere Ausführungsarten der erfindungsgemässen Zwillingsschraubenrotoren sind in den abhängigen Ansprüchen umschrieben.

Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielhaft dargelegt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Satz von eingängigen Zwillingsschraubenrotoren in einem ersten Ausführungsbeispiel gemäss der Erfindung in einer Ansicht von vorne,

Fig. 2 den Satz von Zwillingsschraubenrotoren der Figur 1 in einer stirnseitigen Ansicht, Fig. 3 den rechtsgängigen Schraubenrotor in einem axialen Schnitt gemäss der Linie A - A von Fig. 2.,

Fig. 4 den rechtsgängigen Seh rauben rotor von Figur 1 in einer Ansicht von vorne sowie die zugehörige Abwicklung der Stirnprofilschwerpunkt-Ortskurve, welche die Abhängigkeit der Axialposition (w) vom Umschlingungswinkel (α) zeigt,

Fig. 5 die Änderungen der Axialposition (w¹) in Abhängigkeit vom Umschlingungswinkel (α), welche proportional der dynamischen Steigung verläuft gemäss L yn = 2π • w',

Fig. 6 die spiralige Stirnprofilschwerpunkt-Ortskurve eines erfindungsgemässen rechtsgängigen Schraubenrotors mit einer Umschlingungszahl von K=4 in einer perspektivischen Darstellung,

Fig. 7 die Querschnittswerte einer abgeschlossenen Kammer in Abhängigkeit vom Winkel (α₀) der geometrischen Referenzspirale sowie vom Drehwinkel (θ),

Fig. 8 den Kompressionsverlauf in Abhängigkeit vom Drehwinkel (θ),

Fig. 9 den symmetrischen Verlauf einzelner Teilfunktionen der Steigung und Auswuchtungsberechnung,

Fig. 10 ein Blockdiagramm mit Einflussgrössen und Zusammenhängen bei der Rotordimensionierung,

Fig. 11 einen Satz von Zwillingsschraubenrotoren gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Ansicht von vorne,

Fig. 12 den Satz von Zwillingsschraubenrotoren von Figur 11 in einer stirnseitigen Ansicht,

Fig. 13 den allgemeinsten Fall eines Steigungsverlaufs gemäss der Erfindung, Fig. 14 einen möglichen Steigungsverlauf eines Paares von Zwillingsschraubenrotoren gemäss Figur 11 ,

Fig. 15 eine zusätzliche Variationsmöglichkeit des Steigungsverlaufs,

Fig. 16 einen Satz von zweigängigen Zwillingsschraubenrotoren gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Ansicht von vorne,

Fig. 17 das Schraubenpaar von Figur 16 in einer stirnseitigen Ansicht von der Druckseite her gesehen,

Fig. 18 das Schraubenpaar von Figur 16 in einer stirnseitigen Ansicht von der Saugseite her gesehen, und

Fig. 19 das Schraubenpaar von Figur 16 in einem axialen Schnitt gemäss der Linie B - B von Fig. 17.

Vorerst werden die für die Berechnung erforderlichen Symbole angegeben. Die entsprechenden Einheiten sind in eckigen Klammern angegeben.

j = Umschlingungszahl des Bereichs T_z (abnehmende Steigung) [-]

K = Umschlingungszahl - [-]

Δα = Totalumschlingungswinkel der Schwerpunktspirale = K-2π [Rad]

α = aktueller Umschlingungswinkel der Schwerpunktspirale =

Parameter [Rad]

α o = aktueller Umschlingungswinkel der geometrischen Bezugs- spirale (Hohlflankenfuss) [Rad]

U, V, W = rechtwinkliges Koordinatensystem [cm, cm, cm]

U-Achse = Bezugsrichtung

W-Achse = Rotationsachse identisch geometrischer Mittelachse w = w <α> = Axialposition [cm] aw w'= — = Änderung der Axialposition [cm/Rad] da

"Steigung": allgemeine Definition: Axialfortschritt während 1 Umdrehung Lo = mittlere Steigung = konstant => w <co = L₀ • α / 2π [cm] w oder L₀ = 2π — α δw dynamische Steigung = L_dyn = 2π . — = 2π w' => L_dyn ~ W [cm] da

Li, L₂ mittlere Steigungen der Bereiche Tι, T₂ [cm]

g <w> = f <w> • r<w> [cm³]

f <w> = Rotorstirnschnittfläche als Funktion von w [cn

r <w> = Schwerpunktmittenabstand als Funktion von w [cm]

θ = Rotordrehwinkel = 2πt/T [Rad]

θ = — = ω = 2π/T = Rotordrehzahl [Rad/sec] 3t

π = Kreiszahl = 3,1415... [-]

T = Umlaufzeit [sec]

t = Zeit [sec]

τ = γ/b [g sec²/cm⁴]

γ = spezifisches Gewicht [g/cm³]

b = Erdbeschleunigung = 981 [cm/sec²]

P_u, P_v = Kraftkomponenten

M_v,w, M_u,_w = Momentkomponenten μ = Umschlingungswinkelvergrösserung [Rad]

η = relativer Positionswinkel des Auswuchtvolumens [Rad]

Q = g_Q • r_Q Trägheitsmoment [cm⁴]

go_. = Auswuchtvolumen [cm³]

r_© = Schwerpunktmittenabstand des Auswuchtvolumens [cm]

Berechnungen

Allgemein gilt:

— = T(f(g< > '<α >sinα)dα) (2)

-^f- = ∑(f(g< > w<α> w'<α>sin )d ) (3) τω

-^!γ- = ∑({(g< w > w<α> w'<α>cosα)d ) (4) τω'

Profil konstant => g<w> = konst. = g₀ Umschlingungszahl ganzzahlig K = 2, 3, 4, 5, 6, 7

Der allgemeinste Fall eines Steigungsverlaufs, der eine Auswuchtung bewirkt im Sinne der Erfindung ist in Fig.13 dargestellt:

1. Steigung am saugseitigen Ende ist nicht gleich der Steigung am druckseitigen Ende. (L (1-A) ≠ L₂(1-B)).

2. Der Bereich T₂ der abnehmenden Steigung erstreckt sich über j Umschlin- gungen. j = 1, 2, 3, .... Es lassen sich Funktionen w'<α> finden, die in Abstimmung mit A, B, Li und L₂ aus den Gleichungen (1), (2), (3), (4) für alle 4 Teilkomponenten den Wert "0" ergeben, was bedeutet, dass damit statische und dynamische Auswuchtung erreicht ist.

Für die hier spezielle Anwendung i. e. Seh rauben rotoren zum Einbau in Verdrängermaschinen für kompressible Medien, lassen sich indes keine Vorteile für j>1 und ungleiche Steigungen an den Schraubenenden finden, so dass für die weiteren Berechnungen der erläuterten Ausführungsbeispiele folgende Vereinfachungen getroffen werden:

T₂ = spiegelbildlich zu Ti; Spiegelachse ≡ α = 0 = 1) L_{1 =} L₂ = L₀ 2) B = A 3) j = 1 vergleiche Figuren 5 und 9

Bei einem Mittelwert von w'<-π> = w'<+π> = Lo 2π (entspricht der Steigung L₀) und einer Schwankung +A-100% = w'_maχ = L₀(1 +A)/2π w'_min = Lo(1-A)/2π Die Berechnung nach einschlägig bekannten Methoden liefert hiermit aus (1), (2), (3), (4):

M ^+2π

— ^ = -(K - 2)L₀ ²(l - A)² /2π+ fw < α > w'< α >sinα dα (3a) τω²g₀ _₂ ^J _π

M ⁺² _f ^π

— — - w < α > w'< α >cosαdα (4a) τω²g_{0 π} Zur Vereinfachung der weiteren Berechnung wird die Funktion h = h <α> eingeführt, so dass:

w ^•= (ι₊h-)

_w"= -^h"

2π zeichnerische Darstellung siehe Figur 9.

Die mathematisch formulierten Symmetrieeigenschaften eines Schraubenrotors gemäss der Erfindung lauten:

I. Grundsymmetrien:

h<-α> = -h<α> (a-i) h'<-α> = -h'<α> (a₂) h"<-α> = -h"<α> (a₃) h<2π-α> = h<α> (bi) h'<2π-α> = -h'<α> (b₂) h"<2π-α> = h"<α> (b₃) h_max = h<π> = (je nach Funktion) h'<0> = A = h'_max hmin = h<-π> = -(hmax) h'<2π> = -A = h'min

II. Hergeleitete Symmetrien:

(-α)(h<-α>)cos<-α> = α(h<α>)cos<α> (e) => Funktion symmetrisch zu α = 0 (h<-α>)(h'<-α>)sin<-α> = h<α> h'<α> sin<α> (f) => Funktion symm. zu α= 0

Aus (1 a), (2a), (3a), (4a) folgt somit:

(wegen Symmetrie zu a = π; a = -π) (1 b)

(wegen Symmetrie) (2b)

² cosα dα (3b

² sinα dα = 0 (wegen Symmetrie) (4b)

Die einzige Grosse, die nicht allein durch die Fixierung der Symmetrieeigenschaften und des Umschlingungswinkels verschwindet, ist M_V)W, was aber zur 100%igen Auswuchtung erforderlich ist. =

2π

Die Funktion h = h <a> ist unter Einhaltung der oben stehenden Symmetrieei- genschaften und Randbedingungen beliebig wählbar. Nach ihrer Bestimmung kann A aus (*) allgemein berechnet werden.

Entsprechend den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen ist

α h = 2A ■ sin

(3K - 9)A² - 2(3K - 2)A + 3K = 0 D A = (3K - 2 - /15K + 4)/(3K - 9) für K ≠ 3

A = 3K/(6K-4) = 9/14 f ür K = 3

Für variierende Umschlingungszahlen K ergeben sich somit unterschiedliche Werte A, mit welchen wiederum die Verdichtungsrate variiert.

Nachstehende Tabelle zeigt einige Zahlenwerte:

Für andere Funktionen h = h <α> erhält man unterschiedliche Werte für A und V . So erlaubt beispielsweise die Funktion

h = A - eine Variation des Faktors D, wodurch unter

Beibehaltung der Symmetrieeigenschaften sowie der Anschlusspunkte und der Minimal / Maximalwerte der Steigungsverlauf im Detail und als Folge wahlweise A oder V_d variabel sind (Figur 15).

Für Anwendungen, die grosse Umschlingungszahlen K aber nur geringe Ver- dichtungsraten V_d erfordern, ist auch unter Ausschöpfung der extremen Variation des Steigungsverlaufs die Forderung Mv, w/τω² = 0 nicht mehr ohne weitere Zusatzmassnahmen realisierbar. Generell und formelmässig lassen sich die hierbei zur Anwendung kommenden Massnahmen in einer Form definieren, die auch für die oben erwähnten Kürzungskorrekturen der spitz auslaufenden Schraubenwendelflanken gilt.

Massnahme 1 : Zusatzwerte durch beidseitige Umschlingungswinkelvergrösse- rung μ.

Massnahme 2: Korrektur durch Entfernen (Anbringen) von Material in den beiden Axialpositionen der Schraubenenden; zwei gleiche Werte (Q[cm⁴]); Positionen der Schwerpunkte SCh, SQ₂ = winkelsymmetrisch (±(μ+η)) zur U - W - Ebene. Allgemein gilt für die vier stat. Grossen

Faktor {[Grundwert] + [Zusatzwert] - [Korrekturwert]} = 0

Für die Komponenten im Detail

=^ 0 + 0 -0 = 0 (trivial) (2c) τw

Aus Symmetrie des Steigungsverlaufs in α = -π, α = +π (Gleichungen (bi), (b₂), (b₃)) => (1 b), so dass die Gleichungen (1c) und (4c) identisch werden. Aus dem Gleichungssystem der beiden Gleichungen (1c) und (3c) (Gleichung (2c) ist trivial) erhält man nach der Variablentrennung: Qs_oll = Q<K, A, μ> sowie η_son = η<K, A, μ>

Hier ist μ noch frei variierbar.

Da nicht beliebig überall Material entfernt oder angebracht werden kann, ergibt sich insbesondere im Fall der Kürzungskorrekturen der spitz auslaufenden Schraubenwendelflanken eine Abhängigkeit Q = Q<η> ^ η = η<Q>, so dass die Werte η, μ, Q bestimmt sind. Imaginäre Lösungen erfordern eine Nachkorrektur des Wertes A.

Für Kurzschrauben (K = 2) ist Gleichung (4c) für alle η, μ, Q erfüllt. Somit entfällt in diesem Fall der Zwang, (4c) = (1c) zu erreichen. Weiter folgt daraus, dass (1b) zwar möglich, aber nicht zwangsläufig erforderlich ist, das heisst, die Gleichungen (bi), (b₂), (b₃) (= Symmetrie in α = -π; α = +π) sind für K = 2 kein Zwang (Figur 14).

Bei nicht konstanten Stirnprofilen wird die Berechnung aufwendiger: Die geometrische Bezugsspirale am Hohlflankenfuss korrespondiert nicht mehr mit der Schwerpunktspirale, was letztlich Folgen quer durch alle Formeln hat.

Fig. 1 zeigt eine Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Zwillingsschraubenrotoren 1 und 1', wobei sich die Achsen 2 und 2' in der Zeichnungsebene befinden. Die beiden Rotoren 1 und 1' sind zylindrisch ausgebildet und weisen Gewindewendeln 3 und 3' auf, die einen konstanten Aussendurchmes- ser definieren, der durch die Mantelflächen 6 und 6' begrenzt wird. Die Zwillingsrotoren sind parallel in solcher Weise angeordnet, dass die Gewindewendeln kämmend ineinander eingreifen. Die Mantelflächen 6 bzw. 6' der Rotoren, welche bei der Rotation zwei parallele sich schneidende Zylinderflächen beschreiben, bewegen sich angrenzend an das Gehäuse 9 (dargestellt in Fig. 2). Innerhalb des Gehäuses 9 wird zwischen den Kernzylinderflächen 5, 5' den Flanken 4, 4' und der Gehäusewand 10 eine Sequenz von Kammern definiert, welche sich bei der gegenläufigen Rotation der Rotoren vom einen axialen Ende zum andern bewegt, wobei sich das Kammervolumen in Abhängigkeit vom Drehwinkel und vom Steigungsverlauf verändert: in der Ansaugphase ver- grössert sich das Volumen bis zu einem maximalen Wert, dann in der Kompressionsphase wird das Volumen reduziert und schliesslich wird nach dem Öffnen der Kammer bei der Ausstossphase das Volumen bis null reduziert. Die Stirnseiten der Rotoren sind auf der Ansaugseite mit 7 und 7' und auf der Aus- stossseite mit 8 und 8' bezeichnet.

Fig. 2 zeigt eine Ansicht der Stirnseiten der Zwillingsrotoren auf der Ausstoss- seite (Ansicht von oben in Fig. 1). Die Darstellung zeigt eine Projektion von zwei sich schneidenden parallelen Zylindern. 2 und 2' stellen die parallelen Drehachsen der Rotoren 1 und 1 ' dar. Die Flanken sind mit 4 und 4' bezeichnet, während 8 und 8' die angrenzenden Stirnseiten sind, welche die Rotoren in der Längsrichtung abgrenzen. 5 und 5' sind die Kernzylinderflächen der Rotoren, die einen konstanten Durchmesser aufweisen. In einer Verdrängermaschine sind die Rotoren in ein Gehäuse 9 mit einer Innenwand 10 eingebaut; für den berührungsfreien Betrieb solcher Maschinen betragen die Spaltenhöhen zwischen den beiden Rotoren sowie zwischen den Rotoren und der Innenwand 10 jeweils ca. 1/10 mm. Die Ebene A - A ist eine Schnittebene, die einen Längs- schnitt des Rotors gemäss Fig. 3 definiert.

Fig. 3 ist die erwähnte Längsschnittdarstellung durch die Ebene A - A von Fig. 2. Die Bezugszeichen entsprechen denjenigen der Fig. 1 und 2. Die Drehachse ist hier mit W bezeichnet (2¹ in Fig. 1 und 2). W und U gehören zum Koordinatensystem U,V,W, welches für die Berechnungen verwendet wurde. Der Null- punkt des Koordinatensystems befindet sich an derjenigen Stelle der Achse W, wo die Steigung einen maximalen Wert aufweist (Wendepunkt im Diagramm Figur 4, w<α>). Die Gangtiefe c ist konstant, während die Ganghöhe d, abhängig von der Steigung der Wendel, variabel ist.

Fig. 4 zeigt den rechtsgängigen Schraubenrotor in einer Ansicht von vorne ent- sprechend dem rechts positionierten Rotor von Fig. 1 , sowie die zugehörige Abwicklung der Stirnprofilschwerpunkt-Ortskurve, welche die Abhängigkeit der Axialposition (w) vom Umschlingungswinkel (α) darstellt. Da der Querschnitt des Seh rauben rotors unabhängig von der Steigung der Wendel konstant ist, unterscheiden sich die Querschnitte über die gesamte Länge des Rotors einzig durch die Winkelposition α bezüglich der U-Achse. Der Schwerpunkt der Querschnitte ist im weiteren nicht mit der Achsposition W identisch, sondern ist in konstanten Abstand ro positioniert. Deshalb beschreibt der gemeinsame Ort aller Schwerpunkte der Querschnitte eine Spirallinie (vgl. Fig. 6) mit einer Steigung entsprechend derjenigen der Umschlingung des Rotors. Aus dem Diagramm mit deren Abwicklung ist ersichtlich, dass die Steigung der Spirale während der ersten Umschlingung von Position -2π stetig zunimmt, bis zum Wen- depunkt, bei Position 0, wonach die Steigung bis zum Ende der zweiten Umschlingung bis zur Position 2π stetig abnimmt, und schliesslich bis zur Position 6π konstant bleibt.

Fig. 5 stellt die Änderungen der Axialposition (w¹) in Abhängigkeit vom Umschlingungswinkel (α) dar, welche proportional der dynamischen Steigung ver- läuft gemäss L_dyn = 2π • w'. Hier sind die Spiegelsymmetrie zu α=0 sowie die Punktsymmetrien zu Si bei α = -π und S₂ bei α= +π im Bereich -2π bis +2π ersichtlich, welche für die Behebung der Unwucht der Rotoren erfindungswesentliche Merkmale darstellen.

Fig. 6 zeigt die spiralige Stirnprofilschwerpunkt-Ortskurve eines erfindungsge- mässen rechtsgängigen Schraubenrotors mit einer Umschlingungszahl von K=4 in einer perspektivischen Darstellung entsprechend der Abwicklung gemäss Fig. 4. Die angegebenen Symbole entsprechen den Definitionen, die an früherer Stelle für die Berechnungen angegeben sind. Zusätzlich sind oben und unten die Umschlingungswinkelvergrösserung μ und der relative Positionswinkel η des Auswuchtvolumens go eingezeichnet.

Fig. 7 ist ein Diagramm, das die Querschnittswerte (Fläche F) einer abgeschlossenen Kammer in Abhängigkeit vom Winkel (α₀) der geometrischen Referenzspirale sowie vom Drehwinkel (θ) zeigt.

Fig. 8 ist ein Diagramm, das den Kompressionsverlauf (% des Anfangsvolu- mens) in einer abgeschlossenen Kammer in Abhängigkeit vom Drehwinkel (θ) darstellt.

Fig. 9 zeigt den symmetrischen Verlauf einzelner Teilfunktionen der Steigung und Auswuchtungsberechnung (cosα, sinα, h<α> , h'<α>, h"<α>). Bezüglich der Bedeutung der Symbole wird auf die Berechnungen und die entsprechen- den Definitionen in dieser Beschreibung verwiesen. Die Figuren 11 und 12 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel in der Form eines Paares von Kurzschrauben mit einer Umschlingungszahl K = 2 (sowie mit einer Reduktion des Teilbereichs T₃ auf "Null"). Für gleiche Teile wurden die gleichen Bezugszahlen verwendet wie in den Figuren 1 und 2. Bei diesen Schrauben fallen die Zeitpunkte des Schliessens gegen die Saugseite und des Öffnens zur Druckseite für die zentrale, komplett gebildete Kammer zusammen, so dass eine derart ausgestattete Verdrängermaschine isochor arbeitet. Der Zeitpunkt des Öffnens zur Druckseite kann durch eine stirnseitige Endplatte 11 mit einer Austrittsöffnung 12, die durch den Rotor 1 verschlossen und freigege- ben wird, verzögert werden, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Somit kann auch bei diesem Ausführungsbeispiel eine innere Verdichtung realisiert werden.

In einer Untervariante des zweiten Ausführungsbeispiels sind die Kurzschrauben (Figuren 11 , 12) gemäss einem Steigungsverlauf von Figur 14 ausgebildet, der bezüglich α=0 in den Bereichen Ti und T₂ ebenfalls symmetrisch verläuft, jedoch von dem in Zusammenhang mit Figur 5 erläuterten Verlauf dahingehend abweicht, dass hier die genannten Punktsymmetrien nicht vorhanden sind.

Die Figuren 16 bis 19 zeigen als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Rotorsatz mit zweigängigen, asymmetrischen Stirnprofilen mit exzentri- scher Schwerpunktlage und einer Umschlingungszahl K = 4. Verlängerung des

Umschlingungswinkels beidseitig (μ = — ). Das Profil ist an jeder Stirnseite an je zwei spitz auslaufenden Schraubenwendelflanken korrigiert, indem dort Material abgetragen wurde. Die Bezugszahl 13' in Figur 16 bezeichnet eine solchermas- sen bearbeitete Fläche. Die grosse Rotoroberfläche, hier durch Mehrgängigkeit und grosse Umschlingungszahl realisiert sowie koaxiale Zylinderbohrungen (14, 14') in den Rotoren (1 , 1 '), durch welche ein Kühlmittel strömt, schaffen hier die Voraussetzungen für spezielle Einsatzfälle in Verdrängerpumpen für die Chemie, bei welchen tiefe Gastemperaturen gefordert werden. Der Steigungsverlauf ist ähnlich wie beim ersten der beschriebenen Ausführungsbeispiele, wobei hier anwendungsbedingt abweichend A = 0,4 mit V_d = 2,0 ist. Die Werte Q und η in den Formeln (1 c), (3c) und (4c) setzen sich zusammen, weil bei den zweigängigen Schrauben an jedem Ende an zwei Stellen 13' Material entfernt wurde. Fig. 10 zeigt ein Blockdiagramm, das Einflussgrössen und Zusammenhänge darstellt, die bei der Rotordimensionierung von Bedeutung sind.

Claims

Patentansprüche

1. Zwillingsschraubenrotoren zum achsparallelen Einbau in Verdrängermaschinen für kompressible Medien, mit asymmetrischen Stirnprofilen mit exzentrischer Schwerpunktlage sowie mit Umschlingungszahlen > 2 sowie mit abhängig vom Umschlingungswinkel (α) variierender Steigung (L), welche in einem ersten Teilbereich (Ti) vom saugseitigen Schraubenende her zunimmt, nach einer Umschlingung bei α = 0 einen Maximalwert (L_maχ) erreicht, in einem zweiten Teilbereich (T₂) abnimmt bis zu einem minimalen Wert (L_mj_n) und in einem dritten Teilbereich (T₃) konstant ist, dadurch gekennzeichnet, dass statische und dynamische Auswuchtung durch den rechnerischen Abgleich von Gesamtum- schlingungswinkel, definiertem Steigungsverlauf und Relation Maximale Steigung zu minimaler Steigung erreicht ist oder mindestens zu 80% erreicht und durch Veränderungen der Geometrie im Bereich der Schraubenenden ergänzt ist.

2. Zwillingsschraubenrotoren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Relation maximale Steigung zu minimaler Steigung und der Steigungsverlauf in solcherweise festgelegt sind, dass die Kompressionsrate der Verdrängermaschine für kompressible Medien, in welche die Zwillingsrotoren eingebaut sind, einen gewünschten Wert im Bereich von 1 ,0 bis 10,0 annimmt.

3. Zwillingsschraubenrotoren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Steigung, die minimale Steigung und der Steigungsverlauf in solcher Weise festgelegt sind, dass das Saugvermögen der Verdrängermaschine für kompressible Medien, in welche die Zwillingsrotoren eingebaut sind, dem gewünschten Wert entspricht.

4. Zwillingsschraubenrotoren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorlänge durch die Umschlingungszahl sowie durch die maximale und die minimale Steigung bestimmt ist.

5. Zwillingsschraubenrotoren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigungsänderung an den Bereichsübergängen bei α = -360°, 0°, +j-360° = "Null" ist.

6. Zwillingsschraubenrotoren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steigungsverläufe in den ersten beiden Teilbereichen (Ti , T₂) zueinander spiegelbildlich ausgebildet sind und dass der Umschlingungswinkel des dritten Teilbereichs (T3) gleich "Null" ist, wobei die statische und dynamische Aus- wuchtung durch die oben definierten Symmetrieeigenschaften des Steigungsverlaufs, die Festlegung der Relation maximale Steigung zu minimaler Steigung, des definierten Steigungsverlaufs sowie durch Veränderungen der Geometrie im Bereich der Schraubenenden erreicht ist.

7. Zwillingsschraubenrotoren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steigungsverläufe in den ersten beiden Teilbereichen (T-ι, T₂) zueinander spiegelbildlich ausgebildet sind und dass die Steigung in jedem der beiden Teilbereiche (Ti, T₂) in je einem Symmetriepunkt, nämlich Si bei α = -180° und S₂ bei α = +180°, den arithmetischen Mittelwert (L₀) aus der maximalen Steigung und der minimalen Steigung in punktsymmetrischer Manier durchläuft, und dass der dritte Teilbereich (T₃) sich über einen Umschlingungswinkel von ganzzahligen Vielfachen von 360° erstreckt, wobei die statische Auswuchtung erreicht ist durch die oben definierten Symmetrieeigenschaften des Steigungsverlaufs und die Festlegung des Gesamtumschlingungswinkels und die dynamische Auswuchtung erreicht ist durch die oben genannten Symmetrieeigenschaften des Steigungsverlaufs und durch die Festlegung des Gesamtumschlingungswinkels sowie der Relation maximale Steigung zu minimaler Steigung und des definierten Steigungsverlaufs.

8. Zwillingsschraubenrotoren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steigungsverläufe in den ersten beiden Teilbereichen (Ti, T₂) zueinander spiegelbildlich ausgebildet sind und dass die Steigung in jedem der beiden Teilbereiche (Ti, T₂) in je einem Symmetriepunkt, nämlich Si bei α = -180° und S₂ bei α = +180°, den arithmetischen Mittelwert (L₀) aus der maximalen Steigung und der minimalen Steigung in punktsymmetrischer Manier durchläuft, und dass der dritte Teilbereich (T₃) sich über einen Umschlingungswinkel von ganzzahli- gen Vielfachen von 360° erstreckt, wobei die statische Auswuchtung erreicht ist durch die oben definierten Symmetrieeigenschaften des Steigungsverlaufs und die Festlegung des Gesamtumschlingungswinkels und durch Veränderungen der Geometrie im Bereich der Schraubenenden und die dynamische Auswuch- tung erreicht ist durch die oben genannten Symmetrieeigenschaften des Steigungsverlaufs und durch die Festlegung des Gesamtumschlingungswinkels sowie der Relation maximale Steigung zu minimaler Steigung und des definierten Steigungsverlaufs und durch Veränderungen der Geometrie im Bereich der Schraubenenden.

9. Zwillingsschraubenrotoren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stirnprofil konstant ist.

10. Zwillingsschraubenrotoren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stirnprofil in Funktion des Umschlingungswinkels (α) variabel ist.

11. Zwillingsschraubenrotoren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stirnprofil eingängig ist.

12. Zwillingsschraubenrotoren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stirnprofil mehrgängig ist.

13. Verdrängermaschine für kompressible Medien, umfassend ein Gehäuse, einen Einlass und einen Auslass für den Zutritt bzw. für den Auslass des kom- pressiblen Mediums, ein Paar von in kämmendem Eingriff stehenden, im wesentlichen unwuchtfreie Zwillingsschraubenrotoren, welche mit dem Gehäuse zusammen eine axiale Kammersequenz definieren, wobei die Rotoren drehbar im Gehäuse gelagert sind und mit einem Antrieb sowie einer Synchronisie- rungseinrichtung versehen sind, um die Rotoren in entgegengesetzter Richtung zu drehen, solcherart, dass das Medium vom Einlass zum Auslass transportiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass im wesentlichen unwuchtfreie Zwillingsschraubenrotoren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 eingebaut sind.

14. Verdrängermaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Vakuumpumpe ausgebildet ist.