Zwillings-Förderschraubenrotoren

Abstract

 In bekannten Ausführungen von Verdrängermaschinen für kompressible Medien arbeiten eingängige Zwillingsschraubenrotoren mit kontinuierlich abnehmender Steigung zur Erzielung einer inneren Kompression. In einigen Fällen wird diese Wirkung durch Variation der Stimprofile verstärkt oder ersetzt. Die Forderung nach kompakten Pumpen mit möglichst kurzen Rotoren sowie die häufige, prozessbedingte Forderung einer schnellen Demontage des Gehäuses zu Reinigungszwecken setzen dort jedoch Grenzen für die Umschlingungswinkel bzw. für die Variation der Stirnprofile, welches wiederum zu extremen Steigungsverhältnissen oder zu ungenügenden Kompressionsraten führt.
Vorliegende Erfindung löst diese Probleme durch Einsatz von Schraubenrotoren (2) mit optimiertem, nicht monotonem Steigungsverlauf Δw_1, Δw₃) und wahlweiser Stirnprofilvariation bei konstanten Durchmessern. Bei gleichem Raumbedarf wird das Saugvermögen verbessert und es werden bei nur vier Umschlingungen mühelos Verdichtungsraten von 3,0 und mehr erzielt. Mit solchen Zwillingsschraubenrotoren bestücke Verdrängermaschinen bieten optimale Verhältnisse bezüglich Energiebedarf, Temperatur, Bauraum, Service mit Einsatzmöglichkeiten in Chemie und Halbleitertechnik.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft Zwillingsschraubenrotoren zum Einbau in Verdrängermaschinen für kompressible Medien, insbesondere Pumpen, welche Rotoren eingängig mit variierender Steigung ausgeführt und dazu bestimmt sind, in achsparallelem, gegenläufigem Ausseneingriff mit Umschlingungswinkeln von mindestens 720° zu stehen und in einem Gehäuse eine axiale Kammersequenz ohne Blaslochverbindungen zu bilden, wobei das Stirnprofil aus einem Kernkreisbogen, einer zykloidenförmigen Hohlflanke, einem Aussenkreisbogen und einer weiteren Flanke besteht.

[0002] Die Patentschrift DE 87685 zeigt eine als Schraubenräderkapselwerk bezeichnete Maschine, bei der die Schraubenrotoren mit veränderlicher Steigung ausgebildet sind. Die Maschine ist sowohl als Motor als auch als Pumpe verwendbar. Um - beim Betrieb als Motor - die Zunahme des Volumens der Arbeitskammern in Richtung des sich entspannenden Mediums zusätzlich zu steigern, sind die Rotoren wahlweise konisch ausgebildet.

[0003] In der Patentschrift DE 609405 ist eine Luftkältemaschine mit Verdichter und Entspanner beschrieben, die beide Schraubenpaare mit veränderlicher Steigung und Gangtiefe aufweisen. Die Hüllflächen der Rotoren sind konisch ausgebildet.

[0004] Beide der vorher genannten Maschinen haben den Nachteil, dass sie konische Zylinder erfordern, wodurch die Rotoren nur auf einer Seite ein-und ausgebaut werden können. Dies erhöht den Aufwand bei der Montage- und Demontage der Maschinen, was insbesondere bei Unterhalts- und Reinigungsarbeiten sehr nachteilig ist.

[0005] Die Patentanmeldung EP 0697523 betrifft eine Schrauben-Verdrängermaschine, bei der die miteinander im Eingriff stehenden Rotoren ungleiche, als "männlich" und "weiblich" bezeichnete Schraubenprofile, sogenannte S.R.M.-Profile mit kontinuierlicher Änderung der Steigung haben. Das Stirnprofil ist dabei derart variiert, dass der Zahnkopfwinkel beziehungsweise die Länge des Aussenkreisbogens eine monoton wachsende Funktion in Abhängigkeit vom Umschlingungswinkel ist. Solche Profile haben den Nachteil, dass eine gute Abschottung der axialen Sequenz von Arbeitszellen wegen des verbleibenden Blasloches nicht möglich ist. Die durch das Blasloch verursachten Vakuumverluste haben Wirkungsgradverluste zur Folge, so dass mit einer solchen Maschine zumindest bei kleinen und mittleren Drehzahlen keine gute innere Verdichtung möglich ist.

[0006] Die Offenlegungsschrift DE 19530662 offenbart eine Schraubensaugpumpe mit aussen kämmenden Schraubenelementen, bei der die Steigung der Schraubenelemente kontinuierlich von ihrem Einlassende zu ihrem Auslassende abnimmt, um die Kompression des abzugebenden Gases zu veranlassen. Die Form der Zähne des Schraubenrotors weist eine epitrochoidale und/oder archimedische Kurve auf. Diese Maschine hat den Nachteil, dass die erreichbare innere Verdichtungsrate bei den gezeigten geometrischen Verhältnissen mässig ist. Zudem fixiert die fehlende Stirnprofil-Variation das ohnehin nicht gute Verdichtungsverhältnis und führt wegen der Verringerung der Tiefe des Spaltes zwischen Schraubenaussendurchmesser und Gehäuse zum Schraubenende hin zu einer erhöhten Leckrate.

[0007] Die Offenlegungsschrift DE 4445958 beschreibt einen Schraubenverdichter mit gegenläufig rotierenden, aussenkämmenden Schraubenelementen. Die Gewindewendeln der Schraubenelemente werden vom einen axialen Ende zum davon entfernten zweiten axialen Ende hin kontinuierlich kleiner. Als Profil wird ein Rechteck- oder Trapezprofil vorgeschlagen. Ein Nachteil solcher Profilgeometrien besteht darin, dass sie nur genügend verlustfrei arbeiten, wenn die Gangtiefe in Relation zum Durchmesser gering ist, wie dies in der genannten Publikation ausgeführt ist. Eine solche Maschine weist somit ein grosses Bauvolumen und ein grosses Gewicht auf. Es ist ein weiterer Nachteil solcher Profilgeometrien, dass extrem hohe Steigungsänderungen erforderlich sind, wenn eine befriedigende innere Verdichtungsrate erreicht werden soll. Wie bei der erwähnten DE 19530662 fixiert auch hier die fehlende Stirnprofilvariation dieses Manko und dieses führt zu einer erhöhten Leckrate wegen Verringerung der Tiefe des Spaltes zwischen Schraubenaussendurchmesser und Gehäuse zum Schraubenende hin.

[0008] Weitere Publikationen, wie beispielsweise SE 85331, DE 2434782 und DE 2434784 betreffen innenachsige Schraubenmaschinen mit nicht konstanter Steigung der Schrauben oder variierenden Stirnprofilen. Diese Maschinen weisen alle den Nachteil auf, dass der Bauaufwand hoch ist und dass in jedem Fall auch saugseitig dynamische Dichtungen benötigt werden.

[0009] Ferner gibt es einige Publikationen, beispielsweise DE 2934065, DE2944714, DE 3332707 und AU 261792, welche zweiwellige Verdichter mit schraubenähnlichen Rotoren beschreiben. Dort sind die Rotoren und in einigen Fällen auch das Gehäuse aus axial hintereinander angeordneten Profilscheiben unterschiedlicher Dicke und/oder Kontur zusammengesetzt und bewirken solchermassen innere Verdichtung. Alle Maschinen mit schraubenähnlichen Rotoren haben den Nachteil, dass ihr Wirkungsgrad gegenüber demjenigen von Maschinen mit schraubenförmigen Rotoren vermindert ist, weil durch den gestuften Aufbau Schadräume und Wirbelzonen entstehen. Ferner sind bei schraubenähnlichen Rotoren Probleme bezüglich Formkonstanz zu erwarten, da sie sich im Betrieb erwärmen.

[0010] Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Zwillingsschraubenrotoren vorzuschlagen, welche die oben erwähnten Nachteile nicht aufweisen.

[0011] Diese Aufgaben werden gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass die Steigung nicht monoton verläuft und als abhängige Variable vom Umschlingungswinkel definiert ist, dass die Steigung in einem ersten Teilbereich vom saugseitigen Schraubenende her zunimmt und nach ca. einer Umschlingung einen Maximalwert erreicht, dass die Steigung in einem an den ersten Teilbereich anschliessenden zweiten Teilbereich abnimmt und ca. eine Umschlingung vor dem druckseitigen Schraubenende einen Minimalwert erreicht und dass die Steigung in einem an den zweiten Teilbereich anschliessenden dritten Teilbereich im wesentlichen konstant ist.

[0012] Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen umschrieben.

[0013] Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsarten näher beschrieben. Es zeigt

Figur 1

ein Paar miteinander in Eingriff stehende Schraubenrotoren,

Figur 2

den rechtsgängigen Rotor,

Figur 3

den linksgängigen Rotor,

Figur 4

einen Stirnschnitt eines Schraubenrotors mit variierendem Profil,

Figur 5

die Abwicklung der Referenzspirale eines erfindungsgemässen Rotors,

Figur 6

den Steigungsverlauf der Abwicklung gemäss Figur 4,

Figur 7

den Verlauf des Arbeitskammerquerschnitts bei einer Maschine ohne und mit Profilvariation,

Figur 8a bis 8c

Gehäuse-, Rotor-, und Arbeitskammerquerschnitt eines mit erfindungsgemässen Rotoren ausgestatteten Verdichters und

Figur 9a bis 9p

Stirnschnitte durch ein Rotorenpaar, welche die Entwicklung des Arbeitskammerquerschnitts gemäss Figur 7 veranschaulichen.

[0014] Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Paars miteinander in achsparallelem Ausseneingriff stehender Schraubenrotoren 1 und 2. Die Figuren 2 und 3 zeigen jeden der Rotoren 1 und 2 gemäss Figur 1 separat. Es ist in diesen Figuren deutlich zu erkennen, dass der Aussenmantel und der Kern zylindrisch sind und somit die Gangtiefe über die Schraubenlänge konstant ist. In Figur 3 zeigen die Masse Δw₁ und Δw_3, dass die Steigung der Schraube entlang der Achse variiert, dass dabei aber die Höhe h der schraubenförmigen äusseren zylindrischen Rotorfläche konstant bleibt, wodurch Leckageverluste zwischen Rotor und Gehäuseinnenwand gegen die Druckseite hin, wie sie bei einigen der eingangs erwähnten Maschinen nach dem Stand der Technik in unerwünschter Weise auftreten, vermieden werden. Mit der Bezugszahl 7 ist in dieser Figur die Referenzspirale bezeichnet, auf die später noch näher eingegangen wird und 8 ist die zweite Begrenzungsspirale der äusseren, zylindrischen Rotorfläche.

[0015] In Figur 4 ist ein Rotor in einem Schnitt rechtwinklig zur Rotorachse dargestellt. Das so entstehende Stirnprofil weist einen Kernkreisbogen 3 mit einem über die ganze Schraubenlänge konstanten Radius Rb auf, der - im Uhrzeigersinn - nach einem Sektorwinkel γ in eine zykloidenförmige Hohlflanke 4 übergeht. Die Geometrie der Hohlflanke 4 ist über die ganze Schraubenlänge unverändert. An die Hohlflanke 4 schliesst im Punkt B mit einem spitzen Winkel ein Aussenkreisbogen 5 mit einem über die ganze Schraubenlänge konstanten Radius Ra an, welcher nach einem Sektorwinkel γ im Punkt C in eine weitere Flanke 6 übergeht. Diese mündet schliesslich mit tangentialem Übergang in den Kernkreisbogen 3. Die Variation der Stirnprofilkontur entlang der Schraubenachse basiert auf einer Änderung der Sektorwinkel γ sowie auf einer Änderung der Geometrie der weiteren Flanke 6. Die Variation der Sektorwinkel γ entlang der Schraubenachse ist vorzugsweise durch einen räumlich mindestens annähernd äquidistanten Verlauf einer durch die äussersten Punkte der Hohlflanke B_α gebildeten Referenzspirale (7 in Figur 3) und der zweiten Begrenzungsspirale (Punkte C) (8 in Figur 3) der äusseren, zylindrischen Rotorfläche bestimmt.

[0016] Figur 5 zeigt in einem Diagramm die Abwicklung w der im Zusammenhang mit Figur 4 erwähnten Referenzspirale in Abhängigkeit vom Umschlingungswinkel α. Zum Vergleich sind noch eine Gerade g und entsprechende Abschnitte P₀, 2P₀ etc. der Abwicklung einer Spirale mit konstanter Steigung eingezeichnet. Der Verlauf der Steigung ist deutlicher erkennbar, wenn man die in Figur 6 dargestellte erste Ableitung

der Abwicklung w betrachtet. Dieser Wert w' ist die dynamische Steigung der oben erwähnten Referenzspirale. Man sieht in dieser Figur, dass die Steigung bei α=0 mit dem Wert

beginnt, wobei L₀ eine der mittleren Steigungshöhe entsprechende Konstante ist. In einem ersten Teilbereich T₁ nimmt w' zu und erreicht bei

den Maximalwert

wobei A der Amplitudenmoderator ist. Im zweiten Teilbereich T₂, der sich von 2π bis 6π erstreckt, nimmt die Steigung ab und erreicht bei

den Minimalwert

den sie im dritten Teilbereich T₃ bis zum Ende der Schraube beibehält.

[0017] Figur 7 zeigt den Kammerquerschnitt F in Funktion des Umschlingungswinkels α, wobei die mit einer durchgezogenen Linie dargestellte Kurve F_o den Kammerquerschnitt ohne Profilvariation und die gestrichelt gezeichnete Kurve F_m den Kammerquerschnitt mit Profilvariation zeigt.

[0018] In Figur 8a ist der Querschnitt eines zur Aufnahme erfindungsgemässer Zwillingsschraubenrotoren bestimmten Gehäuses dargestellt, Figur 8b zeigt einen der Darstellung von Figur 4 entsprechenden Schnitt durch die Rotoren und in Figur 8c ist der Kammerquerschnitt F_o schraffiert dargestellt.

[0019] In den Figuren 9a bis 9p ist in Stirnschnitten die Entwicklung des Arbeitskammerquerschnitts in Abhängigkeit vom Umschlingungswinkel dargestellt. Letzterer ist in den Figuren in Winkelgraden angegeben.

Ansprüche

1. Zwillingsschraubenrotoren zum Einbau in Verdrängermaschinen für kompressible Medien, welche Rotoren eingängig mit variierender Steigung ausgeführt und dazu bestimmt sind, in achsparallelem, gegenläufigem Ausseneingriff mit Umschlingungswinkeln von mindestens 720° zu stehen und in einem Gehäuse eine axiale Kammersequenz ohne Blaslochverbindungen zu bilden, wobei das Stirnprofil aus einem Kernkreisbogen (3), einer zykloidenförmigen Hohlflanke (4), einem Aussenkreisbogen (5) und einer weiteren Flanke (6) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung nicht monoton verläuft und als abhängige Variable vom Umschlingungswinkel definiert ist, dass die Steigung in einem ersten Teilbereich (T₁) vom saugseitigen Schraubenende her zunimmt und nach ca. einer Umschlingung einen Maximalwert erreicht, dass die Steigung in einem an den ersten Teilbereich anschliessenden zweiten Teilbereich (T₂) abnimmt und ca. eine Umschlingung vor dem druckseitigen Schraubenende einen Minimalwert erreicht und dass die Steigung in einem an den zweiten Teilbereich anschliessenden dritten Teilbereich (T₃) im wesentlichen konstant ist.

2. Zwillingsschraubenrotoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnprofilkonturen entlang der Schraubenachse variieren, indem sich die Sektorwinkel (γ) von Kernkreisbogen (3) und Aussenkreisbogen (5) verändern und indem sich die Geometrie der weiteren Flanke (6) verändert, wobei der Kernkreisradius (Rb), der Aussenkreisradius (Ra) und die Geometrie der Hohlflanke konstant sind und wobei die äussersten Punkte der Hohlflanke die Referenz-Spirale (7) zur Definition des Steigungsverlaufs bilden.

3. Zwillingsschraubenrotoren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation der Sektorwinkel (γ) von Kernkreisbogen (3) und Aussenkreisbogen (5) entlang der Schraubenachse bestimmt ist durch einen räumlich mindestens annähernd äquidistanten Verlauf der Referenzspirale (7) und der zweiten Begrenzungsspirale (8) der äusseren, zylindrischen Rotorfläche.

Zeichnung