Drehkolbenverdichter

Abstract

 Ein parallel- und aussenachsiger Drehkolbenverdich. ter besitzt wenigstens einen angetriebenen, schrägverzahnten Hauptrotor (16) und einen damit kämmenden Nebenrotor, (18). Zur Vereinfachung der Herstellung und darüber hinaus auch zur Vereinfachung der Endkontrolle der Rotoren sind die Zahnflanken des Hauptrotors (16) Schichtenkreisschraubflächen, die durch Verschraubung eines Kreises, dessen Ebene senkrecht zur Schraubachse steht, erzeugt sind. Die Zahnflanken des Nebenrotors sind dabei von der Relativbahn eines auf einer Kopflinie liegenden Punktes (82) (Hauptrotorkopfpunkt) während des Abrollens von Hauptrotor und Nebenrotor (16, 18) erzeugt und bestimmt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen parallel- und außenachsigen Drehkolbenverdichter mit mindestens einem schräg verzahnten Hauptrotor und jeweils einem damit kämmenden Nebenrotor.

[0002] Ein derartiger Drehkolbenverdichter ist z.B. aus der DE-OS 25₀₅ 113 bekannt geworden. Die Offenlegungsschrift befaßt sich insbesondere mit der Ausbildung der Zahnflanken des Nebenrotors, um das bei Drehkolbenverdichtern vorhandene Blasloch der Verdichterverzahnung , das dadurch entsteht, daß die Berührungslinie , längs derer die Zahnflanken jeweils eines Zahnes von Haupt- und Nebenrotor eines in Eingriff stehenden Zahnpaares aneinander liegen, nicht bis zur Gehäusekante , die als Schnitt der beiden Gehäusebohrungen entsteht, reicht (siehe auch Rinder, Springer-Verlag Wien, New York 1979, S. 72 ff), möglichst klein zu halten.

[0003] In ähnlicher Weise befasst sich auch die US-PS ? 622 787 mit der Verminderung der aufgrund des Blasloches entstehenden Leckage.

[0004] Diese und andere bekannten Drehkolbenverdichter besitzen symmetrische oder asymmetrische Zahnprofile, die aus unterschiedlich bemessen Kurvensegmeten zusammengesetzt und mathematisch häufig nicht einheitlich definierbar sind. Im allgemeinen sind die Zähne tief eingeschnitten, siehe auch Rinder, Schraubenverdichter, Seite 28, Abb. 11, wo die Konstruktion und der Aufbau eines asymmetrischen Rotorprofiles näher beschrieben ist.

[0005] Die Rotoren von Schraubenverdichtern müssen -um die Leckagen möglichst klein zu halten- mit größter Präzis ion hergestellt werden, wozu aufwendige und teure Werkzeuge und Werkmaschinen erforderlich sind. Aufgrund der komplizierten Gestaltung der einzelnen Profile sind eigene Fräser erforderlich, wobei die Herstellung eines Rotors meist mehrere Arbeitsgänge (Vorfräsen mit sogenannten Schruppfräsern und danach Finishing mit Schlicht- oder Feinfräsern)¹. So kostet ein Fräsersatz für ein Rotorpaar jenach Durchmesser zwischen DM 20.000,- bis 50.000,- .

[0006] Hinzu kommt der Aufwand für die notwendigen Endkontrollen.

[0007] Im Handel erhältlich sind Drehkolbenverdichter mit unterschiedlichem Fördervolumen, um den jeweiligen gewünschten Bedarf zu befriedigen. Dementsprechend bieten die Hersteller Verdichterreihen an, bei denen der Abstand zwischen den Stufen wegen der teuren Herstellung relativ groß gewählt wird, damit nicht zu viele teure Werkzeuge hergestellt und auf Lager gehalten werden müssen. Dies hat zur Folge, daß die einzelnen Drehkolbenverdichtertypen einer Reihe nicht unmittelbar in ihrem optimalen Bereich oder in der Nähe des optimalen Bereiches, sondern über einen größeren Bereich hinweg betrieben werden. In der Fig. 1 ist die spezifische Leistungsaufnahme in (kW/m³ /min) über dem Fördervolumen (m³/min aufgetragen. Dabei könnte auf der Abzisse auch die Umfangsgeschwindigkeit eines Rotors oder dessen Drehzahl aufgetragen sein; an der qualitativen Aussage würde sich hierbei nichts ändern. Der optimale Betriebspunkt liegt -wie aus der Fig. 1 ersichtlich istbeim spezifischen Kraftbedarfsminimum , also beim Punkt A der eingezeichneten Kurve. Die derzeit auf dem Markt befindlichen Drehkolbenverdichter laufen im Bereich BAC , also nicht ausschließlich im oder nahe am optimalen Bereich, der etwa bei B' AC' liegen würde, um den Fördervolumenstrom einer Type möglichst lückenlos an den der nächstgrößeren Type anschließen zu lassen. Die Ausweitung des Fördermengenbereiches je einer Type muß durch Drehzahländerung mittels Übersetzungsgetriebes (Riemen- oder Zahnradgetrieben oder mittels Drehzahlregelung des Antriebsmotores ) erzielt werden. Wollte man die Drehkolbenverdichter im Bereich B' AC' betreiben, müßte die Fördervolumenstufung verringert werden. Hierdurch müßte aber -wie oben angedeutet- wiederum eine größere Anzahl von Drehkolbenverdichtertypen und damit wieder eine größere Anzahl von teuren Werkzeugen erforderlich werden.

[0008] Aufgabe der Erfindung ist es, einen Drehkolbenverdichter der eingangs genannten Art zu schaffen, der in der Herstellung einfach ist und bei dem relativ preiswerte Werkzeuge zur Herstellung der Profile erforderlich sind. Ferner soll die Maßkontrolle exakt, preiswert und einfach vorgenommen werden können.

[0009] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zahnflanken des Hauptrotors Schichtenkreisschraubflächen sind, die durch die Verschraubung eines Kreises, dessen Ebene senkrecht zur Schraubachse steht, erzeugt sind.

[0010] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann dahin gehen, daß die Zahnflanken des Nebenrotors von der Relativbahn eines auf einer Kopflinie liegenden Punktes (Hauptrotorkopfpunkt) während des Abrollens von Hauptrotor und Nebenrotor erzeugt und bestimmt sind.

[0011] In vorteilhafter Weise besitzt der Hauptrotor mindestens drei Zähne.

[0012] Bei dem gewählten erfindungsgemäßen Profil sind die Zahnflanken des Hauptrotors nicht aus Kurvensegmenten zusammengesetzt, sondern wegen der erzeugenden Kreise durch eine stetige gleichmäßige analytisch definierbare Kurvenform von Kopfpunkt zu Kopfpunkt gebildet, in diesem Falle Kreisbögen. Die Zahnflanken sind hierbei Schichtenkreisschraubflächen, deren Erzeugende Kreise sind (vergl. hierzu Wunderlich, darstellende Geometrie, Band 2 der Reihe B. I. , Hochschultaschenbücher, Band 133, 1967, Seiten 188 ff,). Die Flanken der Zähne werden durch einen Wälzfräsvorgang mit einem Profilfräser hergestellt. Ein derartiger Profilfräser ist ein solcher mit einer geschwungenen Mantellinie, die entsprechend der Stirnschnittform ausgebildet sein kann.

[0013] Aufgrund der Wahl des Profiles des Hauptrotors werden die Zahnflanken des Nebenrotors durch eine Radkurve gebildet, die mit einem Profilfräser mit kreisbogenähnlicher Form hergestellt werden kann.

[0014] Die Vorteile der erfindungsgemäßen Ausgestaltung bestehen somit insbesondere darin, daß die Herstellung sowohl des Hauptrotors als auch des Nebenrotors vereinfacht und damit insgesamt verbilligt wird. Auch die Maßkontrolle bei der Endkontrolle wird vereinfacht, weil die Kurven der Profile des Haupt- und Nebenrotors viel einfacher zu beschreiben sind als die der bekannten Profile. Es wird ferner auch die Zerspanungsarbeit geringer.

[0015] Infolge der geringeren Werkzeugkosten und der einfachen Geometrie ist darüber hinaus eine große Typenvielfalt möglich, so daß eine Drehkolbenverdichterreihe mit im Vergleich zu be kannten Verdichterreihen deutlich vefeinerter Abstufung angeboten werden kann. Dabei ist eine Optimierung des Wirkungsgrades des einzelnen Drehkolbenverdichters der Reihe möglich, in dem optimale Umfangsgeschwindigkeiten bei Wegfall von Getrieben (Zahnrädern und Ritzeln oder Bänder, angepaßt an die elektrische Normdrehzahl des beispielsweise als Elektromotor ausgebildeten Antriebes), gewählt werden können. Der einzelne Drehkolbenverdichter kann dabei im Direktantrieb im Bereich B' A C' (Fig. 1) betrieben werden, sodaß dadurch der optimale Arbeitsbereich ausgenutzt werden kann.

[0016] Durch die Vereinfachung des Profiles ist auch die Geometrie des gefertigten Rotors wesentlich einfacher zu messen, wodurch -wie oben erwähnt- die Endkontrolle verbilligt werden kann. Wie oben erwähnt, kann der einzelne Drehkolbenverdichter einer solchen Reihe direkt ohne Zwischenfiigung eines Zwischengetriebes angetrieben werden, sodaß schon hierdurch eine Wirkungsgradverbesserung erzielt werden kann.

[0017] Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung besteht auch im folgenden: bei bekannten Rotoren ist die Zahntiefe, d.h. die Nuttiefe zwischen zwei benachbarten Kopflinien groß. Dies hat zur Folge, daß das Verhältnis Kerndurchmesser zu Außendurchmesser ebenfalls groß ist. Bei bekannten Rotoren beträgt dieser Wert zwischen o,4 bis o,5. Pei dem erfindungsgemäßen Rotor jedoch , der durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1 definiert ist, liegt das Verhältnis Kerndurchmesser zu Außendurchmesser etwa bei o,95. Damit sind die zu erwartenden Durchbiegungen bei dem erfindungsgemäßen Hauptrotor im Vergleich zu den bekannten Hauptrotoren praktisch 0. Dadurch können die Toleranzen sehr klein gehalten werden und ferner ist der einzelne Hauptrotor sehr robust. Aufgrund dieser Toleranzen kann der Wirkungsgrad zusätzlich noch verbessert werden.

[0018] Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.

[0019] Es zeigt:

Fig. 1 ein Diagramm, bei dem der spezifische Energiebedarf in kW/m³/min, über der Fördermenger m³/min. aufgetragen ist,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Drehkolbenverdichter,

Fig. 3 eine Schnittansicht gemäß Linie III-III der Fig. 1,

Fig. 4 bis 7 je eine Darstellung der Zuordnung von Haupt- und Nebenrotor in unterschiedlichen Stellungen zueinander.

[0020] Es sei zunächst bezuggenommen auf die Fig. 2.Der Drehkolbenverdichter, der im allgemeinen mit 1o bezeichnet ist, besitzt in einem Gehäuse 1? einen Verdichtungsraum 14, in dem ein Hauptrotor 16 und ein damit kämmender Nebenrotor 18 angeordnet sind. Der Hauptrotor 16 besitzt an einem Ende einen in zwei Bereichen 2o und 22 mit unterschiedlichen Durchmessern unterteilten Fortsatz 24, von denen der eine Pereich 20 mit größerem Durchmesser der Lagerung mittels Wälzlagern 26 und der andere Bereich 22 mit kleinerem Durchmesser zum Anschluß eines nicht weiter dargestellten Antriebes dient. Das Lager 26 befindet sich in einer lagerausnehmung 28 in einer Lagerscheibe 30, die mit dem Gehäuse 12 zusammen mit einem Abschlußdeckel 32 über eine Schraubverbindung 34 fest verbunden ist. Zur Abdichtung des lagers 26 nach außen ist ein Dichtring 36 vorgesehen.

[0021] Am gegeniiberliegenden Ende besitzt der Hauptrotor 16 einen weiteren Lagerzapfen 38, der in einem Wälzlager 4o und in einem Kugellager 42 in einer ersten Lageröffnung 44 des Gehäuses 12 gelagert ist. Die Halterung der lager 4o und 42 erfolgt innen üher eine auf dem Lagerzapfen 38 aufgeschraubte Mutter 46 und außen über eine Druckfeder 48, die sich an einem zweiten Abschlußdeckel 5o, der mit dem Gehäuse iiber Schraubenbolzen 52 festverbunden ist, unter Zwischenfügung einer Fixierhülse 53 abstützt.

[0022] In ähnlicher Weise besitzt der Nebenrotor 18 stirnseitig je einen Lagerzapfen 54 und 56, von denen der Lagerzapfen 54 in einem Wälzlager 58 in der Lagerscheibe 30 und der Lagerzapfen 56 in einem Wälzlager 60 und einem Kugellager 62 in einer zweiten Lageröffnung 64 im Gehäuse 12 aufgelagert ist. Die Halterung bzw. axiale Fixierung der Lager 6o und 62 erfolgt am Innendurchmesser bezw. am Innenring der Lager mittels einer auf den Lagerzapfen 56 aufgeschraubten Mutter66 und außen an Lageraußenring über eine Druckfeder 68 unter Zwischenfügung einer Fixierhülse 70.

[0023] Mit der Bezugsziffer 72 ist die -.-.-.-dargestellte Kehllinie des Hauptrotors und mit der Bezugsziffer 74 die strichliert dargestellte Linie des Nebenrotors bezeichnet. Die Bezugsziffer 76 und 78 bezeichnen die Kopflinien des Haupt- bzw. Nebenrotors.

[0024] In der Fig. 3 ist ein Querschnitt gemäß der Linie III-III der Fig. 1 dargestellt. Der Hauptrotor 16 besitzt insgesamt vier Zähne, deren Kopfpunkte in dem Schnitt gemäß Fig. 3 durch die Bezugsziffern 80, 82, 84 und 86 dargestellt sind. Die Zähne des Hauptrotors sind durch eine Verschraubung eines Kreises mit dem Radius der Projektion der Kehlschraublinie auf eine Ebene senkrecht zur Schraubachse gebildet; dabei ist der "Schraubausschlag" entsprechend dem Radius der Kopflinie gewählt.

[0025] Die Herstellung des Hauptrotors erfolgt mittels eines Wälzfräsvorganges mit einem profilierten Fräser.

[0026] Der Nebenrotor 18 besitzt neun Zähne (die nicht im einzelnen beziffert sind), wobei, wie aus den Fig. 4 bis 7 ersichtlich ist, die Zahnflanken zwischen den Zähnen durch die Relativbahn der Kopfpunkte 80 bis 84 des Hauptrotors 16 bestimmt ist. Genau genommen sind die Nebenrotorzahnflanken bei spitzen Nebenrotorzähnen keine Kreise, sondern verschlungene Epitrochoiden, die allerdings näherungsweise bei der Herstellung durch ihre Krümmungskreise, also durch Kreisbögen ersetzt werden können.

[0027] Die Fig. 4 zeigt eine erste Stellung von Haunt- und Nebenrotor zueinander, in der der Kopfpunkt 8₂ des Hauptrotors 16 in der gezeichneten Stellung , d.h. die Eopfuunktmittellinie exakt auf der Verbindungslinie V-V der Mittelachsen der Rotoren liegt. Der Kopfpunkt 82 fluchtet dabei auch mit dem Kehlpunkt 82 des Nebenrotors 18, der ebenfalls auf der Verbindungslinie zwischen den Mittelpunkten der beiden Rotoren liegt. Die Kopfpunktmittellinie und die Kehlpunktmittellinie fallen dabei zusammen. Die Kopfpunkte 88 und 90 des Nebenrotors ₁8 liegen genau auf der Zahnflanke des Zahnes auf, der den Kopfpunkt 82 besitzt. Verdreht man den Hauptrotor gemäß Pfeilrichtung C, dann bewegt sich die Kopfpunktmittellinie mit dem Kopfpunkt 82 (in der Fig. 5 nach unten) im Uhrzeigersinn, wobei der Kopfpunkt 82 genau auf der Zahnflanke des Nebenrotors lä.uft, dergestalt, daß die Zahnflanke des Nebenrotors durch die Bahn des kopfpunktes 82 bestimmt wird. Der Kopfpunkt 9o des Nebenrotors 18 liegt an der anderen Zahnflanke immer noch an. Die Kehlpunktmittellinie des Neben rotors 18 istdabei entsprechend des Drehzahl Verhältnisses zwischen Haupt- und Nebenrotor um einen geringeren betrag entgegen dem Uhrzeigersinn aus der Verbindungslinie der Mittelpunkte der beiden Rotoren ausgewandert.

[0028] In der Fig. 6 befindet sich der Kopfpunkt 82 des Hauptrotors in dem Bereich des Kopfpunktes 88 des Nebenrotors , wobei der Kopfpunkt 90 nch wie vor auf der Zahnflanke des Hauptrotore liegt. In der Fig. 7 erkennt man, daß der Kopfpunkt 82 vom Nebenrotor freigekommen ist, dabei jedoch bleibt der Kopfpunkt 9o immer noch auf der Zahnflanke liegen. Bei weiterer Verdrehung gelangt der Kopfpunkt 84 in Eingriff mit dem Nebenrotor, und der Ablauf bzw. die Geometrie ist die gleiche wie in den Fig. 4 bis 7: die Zahnflanken des Nebenrotors werden durch den jeweiligen Kopfpunkt des Hauptrotors gebildet, wobei dann, wenn sich ein Kopfpunkt des

[0029] Hauptrotors zwischen zwei Kopfpunkten des Nebenrotors befindet, die beiden genannten Kopfpunkte auf der Zahnflanke bzw. den Zahnflanken des Hauptrotors aufliegen.

[0030] Da bei spitzen Nebenrotorzähnen die Zahnflanken des Nebenrotors durch den Kopfpunkt des Hauptrotors gebildet werden, ist eine explizite Berechnung der Zahnflanken des Nebenrotors, die als verschlungene Aufradlinie anzusehen ist, durch Berechnung mit elektronischer Datenverarbeitung möglich.

[0031] Es ist noch festzuhalten, daß aufgrund der Profilform von Haupt- und Nebenrotor das Blasloch praktisch Null ist. Dies ist ein weiterer, besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung und die Profilform ist aus diesem Grunde auch besonders günstig geeignet für kleine Fördervolumina, wo schon kleinste Leckagen zu einer deutlichen Verringerung des Wirkungsgrades führen können.

Ansprüche

1. Parallel- und außenachsiger Drehkolbenverdichter mit wenigstens einem angetriebenen, schrägverzahnten Hauptrotor und einem damit kämmenden Nebenrotor, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnflanken des Hauptrotors Schichtenkreisschraubflächen sind, die durch die Verschraubung eines Kreises, dessen Ebene senkrecht zur Schraubachse steht, erzeugt sind.

2. Drehkolbenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnflanken des Nebenrotors von der Relativbahn eines auf einer Kopflinie liegenden Punktes (Hauptrotorkopfpunkt) während des Abrollens von Hauptrotor und Nebenrotor erzeugt und bestimmt sind.

3. Drehkolbenverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptrotor mindestens drei Zähne aufweist.

Zeichnung