[0001] Die Erfindung betrifft ein Rotorpaar für einen Schraubenverdichter, wobei die Rotoren
in kämmendem, berührungslosen Eingriff stehen, die Rotoren jeweils mindestens einen
Gang und eine stetige Steigungsänderung aufweisen, wobei die Form der Rotoren durch
ein Schraubenprofil bestimmt ist.
[0002] Schraubenverdichter werden seit einigen Jahren erfolgreich einerseits im Kompressorenbau
und andererseits zur Erzeugung von Vakuum eingesetzt. In ihnen drehen sich synchron
und gegenläufig zwei Rotoren, die berührungslos ineinander kämmen. Diese Rotoren besitzen
Schraubengänge mit entgegengesetztem Drehsinn, oft auch als linksläufig und rechtsläufig
bezeichnet. Es wird kein Dicht- und Schmiermittel wie beispielsweise Öl im Arbeitsraum
der Maschinen benutzt, womit sich ein Teil des Erfolges erklärt. Eine Änderung der
Steigung der Gewindegänge bewirkt eine Änderung des zwischen Rotoren und Gehäuse eingeschlossenen
Volumens und erzeugt so eine entsprechende Verdichtung des im Volumen eingeschlossenen
Gases. Über die axiale Länge der Rotoren bildet sich ein Druckgefälle aus, d.h. über
die axiale Länge verteilt treten unterschiedliche Drücke auf.
[0003] Die Kenndaten der Verdichter und der zur Fertigung der Rotoren notwendige Aufwand
werden maßgeblich von der Gestaltung der Schraubenrotoren bestimmt. Diese Gestalt
ist durch das Schraubenprofil charakterisiert. Dieses kann durch die Profilumrisslinie
beschrieben werden, die sich beispielsweise im Achs- oder im Stirnschnitt ergibt.
[0004] Die
DE-OS 199 41 787 betrachtet die Profilumrisslinie des Zahnes, die sich im Achsschnitt ergibt. Sie
schlägt vor, entlang der Umrisslinie einen Bereich mit einem geraden Abschnitt zu
versehen, in dem sich ein linksläufiger und ein rechtsläufiger Rotor gegenüberstehen.
Diesen Bereich bezeichnet man auch als Profileingriff. Durch die vorgestellte Maßnahme
wird auf Hinterschneidungen verzichtet, die die Fertigung aufwändig und teuer machen.
Allerdings müssen dafür Abstriche bei der Dichtheit in Kauf genommen werden, d.h.
die vakuumtechnischen Eigenschaften sind schlechter als das Ideal. Die in dieser Druckschrift
vorgeschlagenen und zitierten Zahnprofile basieren auf dem Verzahnungsgesetz.
[0005] Aus der
US-PS 6,371,744 ist bekannt, die Profilumrisslinie im Stirnschnitt abschnittsweise mit einer sogenannten
Quimbykurve zu versehen. Hierdurch ergibt sich eine relativ hohe Dichtheit mit geringen
Rückströmungen. Allerdings sind Rotoren mit solch einem Profil aufwändig herzustellen.
[0006] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik
zu beseitigen, ein in Bezug auf die Kenndaten des Verdichters verbessertes Schraubenrotorpaar
zu entwickeln und einen Spielraum bei der Gestaltung zu schaffen, der über den Stand
der Technik hinausgeht.
[0007] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Rotorpaar für einen Schraubenverdichter,
das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Profiltyp des Schraubenprofils an mindestens
zwei entlang der Rotoren axial beabstandeten Stellen verschieden ist und dass die
an den jeweiligen Druckbereich angepassten Profiltypen stetig ineinander übergehen.
Der Begriff "stetig" ist im mathematischen Sinne zu verstehen. Das heißt, dass die
Funktion, die die Steigung beschreibt, immer ableitbar ist.
[0008] Die kennzeichnenden Merkmale in den abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung auf.
[0009] Schraubenprofile lassen sich nicht nur wie im Stand der Technik über die Profilumrisslinie
charakterisieren. Im Rahmen der Erfindung erwies es sich als vorteilhaft, die Schraubenprofile
in Profiltypen einzuordnen. Diese Einordnung erfolgt über die Dichtwirkung am Profileingriff,
die sich aus dem jeweiligen Profiltyp ergibt. Unterschiedliche Profile erzeugen die
Dichtwirkung an radial unterschiedlichen Stellen des Rotors. Es gibt solche, die an
einem äußeren radialen Bereich die optimale Dichtwirkung in Umfangsrichtung erzielen
(beispielsweise sogenannte Quimby-Profile). Andere Profile dichten nahezu vollständig
in radialer Richtung aber über einen geringen Teil des Umfangs ab. Der Abstand beider
Rotoren in axialer Richtung an diesen Dichtstellen, auch als Spalthöhe bezeichnet,
bestimmt die Güte der Dichtung, nicht aber den prinzipiellen Typ.
[0010] Erfindungsgemäß werden nun an verschiedenen axialen Stellen der Rotoren unterschiedliche
Profiltypen eingesetzt. Hierdurch wird erreicht, dass der für einen Druckbereich am
besten geeignete Profiltyp verwendet wird. Dies erlaubt es, kostengünstig zu fertigende
Profiltypen dort einzusetzen, wo ihre Unzulänglichkeiten in Bezug auf die Kenndaten
des Verdichters vertretbar sind.
[0011] Die vorgestellten Maßnahmen erlauben es, die Form des Spaltes, welcher am Profileingriff
zwischen den Rotoren existiert, entlang der Rotorachse zu verändern und jeweils optimal
an die Druckverhältnisse und Dichtigkeitsanforderungen anzupassen. Grundlage der Gestaltung
ist damit der Spalttyp und nicht das Verzahnungsgesetz wie im Stand der Technik.
[0012] Durch den stetigen Übergang von einem Profiltyp in den nächsten können die Rotoren
einstückig hergestellt werden. Vor allem entstehen so keine Stufen und Kanten im Inneren
der Schraubengänge, die sich ungünstig auf deren gasfördernde und -verdichtende Leistung
auswirken würden.
[0013] In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Steigungsänderung der Schraubengänge
derart, dass sie bereichsweise Null ist. Dies ermöglicht eine Anpassung des Verdichtungsverlaufes
entlang der Rotorachse an den Strömungs- bzw. Druckbereich. Da die Verdichtung unter
anderem über die Steigung geregelt wird und bei der Verdichtung von Gasen Wärme entsteht,
kann über die Steigungsänderung der Wärmehaushalt des Verdichters beeinflusst werden.
[0014] In einer weiteren Ausführungsform ist die stetige Steigungsänderung derart, dass
der Steigungsverlauf durch eine Kurve dritten Grades beschrieben wird. Dies erlaubt
einen möglichst einfachen Übergang von einer Steigung zur nächsten.
[0015] Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn Steigungsänderung und Profiländerung mindestens
abschnittsweise entlang der Achse nicht gleichzeitig geschehen. Diese Maßnahme führt
zu einer teilweisen Entkopplung der Änderung der Verdichtung von der Steigungsänderung.
[0016] Der Profiltyp kann über einen axialen Bereich konstant sein, wobei auch eine Mehrzahl
solcher Bereiche über die Rotorlänge vorhanden sein können. Dies stellt eine weitere
Vereinfachung der Herstellung dar, ohne dass auf die Vorteile verzichtet werden muss,
die durch die Kombination der Profiltypen entstehen.
[0017] Für manche geförderten Fluide ist es sinnvoll, Beschichtungen der Rotoren vorzusehen,
damit diese nicht durch reaktive Bestandteile des Fluids zerstört werden.
[0018] Die oben genannten Vorteile dieses Rotorpaares sind besonders ausgeprägt, wenn das
Rotorpaar in einer trocken verdichtenden Schraubenvakuumpumpe eingesetzt wird. In
solchen Pumpen ist der Förderraum frei von Ölen und ähnlichen Stoffen, welche in anderen
Vakuumpumpen u.a. zum Abdichten verwendet werden. Damit bestimmen die Spalte zwischen
den Rotoren untereinander sowie zwischen Rotor und Gehäuse die schädlichen Gasströmungen
entgegen der Förderrichtung. Diese Strömungen beeinflussen erheblich die Kenndaten
der Vakuumpumpe. Hinzu kommt, dass Vakuumpumpen über verschiedene Druckbereiche hinweg
arbeiten, in denen unterschiedliche Gasströmungsarten vorliegen. Die Wirkung der Spalte
auf die Gasströmung ist von der Gasstömungsart abhängig. So wirkt eine gegebene Kombination
aus Gestalt und Maßen eines Spaltes in verschiedenen Druckbereichen unterschiedlich.
Die Profiltypen bedingen Gestalt und Maße der Spalte, die im Gasförderbereich auftreten.
Somit ist beispielsweise möglich, kostengünstig zu fertigende Profiltypen dort einzusetzen,
wo ihre Spaltcharakteristik mit dem Druckbereich vereinbar ist. Im gleichen Zug werden
die kostenaufwändigen Profiltypen nur in den Druck- und damit auch axialen Bereichen
der Rotoren angewendet, wo geringe Rückströmungen und gute Vakuumdaten gefordert sind.
Gerade in Vakuumpumpen spielt der Wärmehaushalt eine große Rolle. Wärme entsteht auch
hier durch die Verdichtung des geförderten Gases. Da die Wärmeleitung über das Gas
mit zunehmender Verdünnung schlechter wird, muss die Entstehung der Verdichtungswärme
kontrolliert werden, beispielsweise durch eine Verteilung der Verdichtung auf mehrere
axiale Bereiche des Rotors. Auch kann es sinnvoll sein, mittels des Profiltypes die
Verteilung des verdichteten und erwärmten Gases zu beeinflussen.
[0019] Im folgenden soll die Erfindung am Beispiel eines Rotorpaars für einen Schraubenverdichter
erläutert werden, welches vier verschiedene Profiltypen aufweist. Dieser Schraubenverdichter
ist insbesondere als Vakuumpumpe einsetzbar. Anhand der Zeichnungen soll dieses Ausführungsbeispiel
der Erfindung veranschaulicht werden.
Fig. 1: Rotorpaar in der Draufsicht auf die durch die Rotorenachsen aufgespannte Ebene.
Fig. 2:
- a) Partieller Stirnschnitt entlang I-I' mit einem ersten Profiltyp.
- b) Partieller Stirnschnitt entlang II-II' mit einem zweiten Profiltyp.
- c) Partieller Stirnschnitt entlang III-III' mit einem dritten Profiltyp.
- d) Partieller Stirnschnitt entlang IV-IV' mit einem vierten Profiltyp.
Fig. 3: Partieller Achsschnitt durch die Ebene der Rotorachsen im Bereich zwischen
den Wellen.
[0020] Die Figur 1 zeigt das Rotorenpaar in einer Sicht auf die durch die Rotorenachsen
aufgespannte Ebene. Das Rotorpaar wird gebildet durch einen linken Rotor 1 und ein
rechten Rotor 2, wobei diese jeweils eine Welle 3, 4 aufweisen. Auf dieser Welle sind
als pumpaktive Strukturen Schraubengänge aufgebracht, wobei diese rechtsläufig 5 und
linksläufig 6 ausgebildet sind. Durch eine Verringerung der Steigung der Schraubengänge
g auf g' kann eine Verdichtung des geförderten Mediums, beispielsweise eines Gasgemisches,
erreicht werden. Die Rotoren stehen in kämmendem, berührungslosen Eingriff. An diesem
Eingriff befindet sich zwischen den Rotoren der Profileingriffsspalt. Das Medium wird
in der Figur von unten nach oben gefordert und verdichtet. Dies ist durch den Blockpfeil
gekennzeichnet.
[0021] Figur 2a zeigt den partiellen Stirnschnitt durch das Rotorpaar auf Höhe I-I'. Die
Rotoren 1 und 2 kämmen ineinander, d.h. in diesem Anblick überdecken sich die Schraubengänge
5 und 6 und stoßen jeweils bis nahezu an die Welle 3 bzw. 4. Dunkel eingefärbt und
mit 8 gekennzeichnet ist der Bereich der höchsten Dichtwirkung zwischen den Rotoren.
Der mit 9 bezeichnete Bereich besitzt nur eine geringe Dichtwirkung, was durch die
beiden breiten Pfeile angedeutet ist, die Gasströmung symbolisieren. Die Gestalt des
Bereichs mit hoher Dichtwirkung ist charakteristisch für den Profiltyp. Die gezeigte
Gestalt des Bereichs 8 liegt nahezu ausschließlich radial zwischen den beiden Wellen.
Die hohe Dichtwirkung in diesem Bereich wird durch ein stärkeres Überströmen an den
Bereichen 9 erkauft. Solch ein Profiltyp ist einfach und kostengünstig herzustellen.
Er wird im Ausführungsbeispiel an einer Stelle hohen Drucks eingesetzt, wo das Überströmen
in 9 zu einer Verteilung des durch die Verdichtung erwärmten Gases führt. Dadurch
wird der Wärmehaushalt der Vakuumpumpe beeinflusst.
[0022] Der in Figur 3 gezeigte Achsschnitt verdeutlicht die Bedeutung von Profiltyp und
Spalthöhe. In diesem Schnitt beschreiben die Kurven 10 und 11 das Schraubenprofil
der Rotoren 1 und 2. Zwischen den Rotoren gibt es mindestens einen Spalt S. Zum Vergleich
sind die Kurven 10' und 11' eingezeichnet, die einer anderen Gestaltung der Rotoren
entsprechen. Durch den höheren Abstand der Kurven ergibt sich eine größere Spaltweite
S'. Dadurch wird zwar die Güte der Dichtung verschlechtert, es handelt sich in beiden
Fällen aber um denselben Profiltyp.
[0023] Die Figuren 2b bis 2d, die jeweils den partiellen Stirnschnitt an drei weiteren axialen
Stellen der Rotoren zeigen, verdeutlichen die verschiedenen Profiltypen. Figur 2b
zeigt in einem Schnitt auf der Rotorhöhe II-II' einen "S"-förmigen Verlauf des Bereichs
höchster Dichtwirkung 8 während es zwei Bereiche 9 gibt, in denen Gas zwischen den
Rotoren überströmen kann. Dieser Profiltyp stellt einen Kompromiss aus fertigungs-
und vakuumtechnischen Anforderungen dar.
[0024] Figur 2c als Schnitt durch die Rotoren auf Höhe III-III' zeigt eine Übergangsform
oder Mischform zwischen den Profiltypen 2b und 2d. Der Dichtbereich 8 ist vornehmlich
entlang des Umfangs (wie in 2d) ausgebildet, besitzt aber auch eine Ausdehnung in
radialer Richtung, wobei letztere nicht unmittelbar zwischen den Wellenachsen liegt
(daher wie in 2b).
[0025] Figur 2d als Schnitt durch die Rotoren auf Höhe IV-IV' wiederum zeigt einen Profiltyp
mit einem in zwei Teilbereiche aufgeteilten Dichtbereich 8. Er ist entlang der sich
berührenden Umfangslinien der Rotoren ausgebildet. Die gezeigte Gestalt des Bereichs
8 wird durch eine sogenannte Quimbykurve im Profil des Zahnes am Eingriffsspalt erzeugt.
Die auftretenden Spalte sind klein, die Dichtwirkung ist insgesamt hoch, weshalb dieser
Profiltyp sehr gut für hohe Drücke geeignet ist. Dieser Profiltyp ist allerdings vergleichsweise
aufwändig und teuer in der Herstellung.
[0026] Die vier in den Figuren 2a bis 2d gezeigten Profiltypen gehen nun erfindungsgemäß
stetig ineinander über, so dass an mindestens zwei axialen Stellen der Rotoren unterschiedliche
Profiltypen vorliegen. Dabei kann ein Profiltyp über einen längeren axialen Abschnitt
konstant sein, bevor der Übergang zu einem anderen Profiltyp beginnt. Durch den stetigen
Übergang der Profiltypen ergeben sich Mischvarianten der Profiltypen.
1. Rotorpaar für einen Schraubenverdichter, wobei die Rotoren (1, 2) in kämmendem, berührungslosen
Eingriff stehen, mit jeweils mindestens einem Gang, mit einer stetigen Steigungsänderung,
wobei die Form der Rotoren durch ein Schraubenprofil bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Profiltyp des Schraubenprofils an mindestens zwei entlang der Rotoren axial beabstandeten
Stellen (20, 21, 22) verschieden ist und dass die an den jeweiligen Druckbereich angepassten
Profiltypen stetig ineinander übergehen.
2. Rotorpaar für einen Schraubenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigungsänderung bereichsweise Null ist.
3. Rotorpaar für einen Schraubenverdichter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stetige Steigung durch eine Kurve dritten Grades beschrieben wird.
4. Rotorpaar für einen Schraubenverdichter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Steigungsänderung und Profiländerung mindestens abschnittsweise entlang der Achse
nicht gleichzeitig geschehen.
5. Rotorpaar für einen Schraubenverdichter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Profiltyp über mindestens einen axialen Bereich konstant ist.
6. Rotorpaar für einen Schraubenverdichter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren eine Beschichtung ihrer Oberfläche aufweisen.
7. Rotorpaar für einen Schraubenverdichter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorpaar (1, 2) in einer trocken verdichtenden Schraubenvakuumpumpe verwendet
wird.
1. A rotor pair for a screw compressor, wherein the rotors (1, 2) are in intermeshing
contactless arrangement, each with at least one gear, with a continuous variation
in pitch, wherein the shape of the rotor is defined by a screw profile, characterised in that the profile type of the screw profile is different at at least two axially-spaced
positions. (20, 21, 22) along the rotors and in that the profile types adapted to the respective pressure region merge continuously into
one other.
2. A rotor pair for a screw compressor according to claim 1, characterised in that the variation in pitch is zero in some regions.
3. A rotor pair for a screw compressor according to any of the preceding claims, characterised in that the pitch is described by a curve of the third degree.
4. A rotor pair for a screw compressor according to any of the preceding claims, characterised in that pitch variation and profile variation do not occur simultaneously at least in sections
along the axis.
5. A rotor pair for a screw compressor according to any of the preceding claims, characterised in that the profile type is constant over at least one axial region.
6. A rotor pair for a screw compressor according to any of the preceding claims, characterised in that the rotors have a coating of their surfaces.
7. A rotor pair for a screw compressor according to any of the preceding claims, characterised in that the rotor pair (1, 2) is used in a dry-sealed screw vacuum pump.
1. Paire de rotors pour un compresseur à vis, les rotors (1, 2) étant en prise d'engrènement
sans contact, avec à chaque fois au moins un filet, avec une variation de pas constante,
la forme des rotors étant déterminée par un profil hélicoïdal, caractérisée en ce que le type de profil du profil hélicoïdal est différent en au moins deux endroits (20,
21, 22) espacés axialement le long des rotors et en ce que les types de profils adaptés à la région de pression respective se prolongent les
uns dans les autres de manière continue.
2. Paire de rotors pour un compresseur à vis selon la revendication 1, caractérisée en ce que la variation de pas est nulle dans certaines sections.
3. Paire de rotors pour un compresseur à vis selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisée en ce que le pas constant est décrit par une courbe de troisième degré.
4. Paire de rotors pour un compresseur à vis selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisée en ce que la variation de pas et la variation de profil ne se produisent pas simultanément
le long de l'axe au moins dans certaines sections.
5. Paire de rotors pour un compresseur à vis selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisée en ce que le type de profil est constant sur au moins une région axiale.
6. Paire de rotors pour un compresseur à vis selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisée en ce que les rotors présentent un revêtement sur leur surface.
7. Paire de rotors pour un compresseur à vis selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisée en ce que la paire de rotors (1, 2) est utilisée dans une pompe à vide à vis à compression
à sec.