Drehkolbenverdichter

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 2505113 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 aneinanderliegen, 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 2622787 mit der Verminderung der aufgrund des Blasloches entstehenden Leckage.

[0004] Diese und andere bekannte Drehkolbenverdichter besitzen symmetrische oder asymmetrische Zahnprofile, die aus unterschiedlich bemessenen Kurvensegmenten zusammengesetzt und mathematisch häufig nicht einheitlich definierbar sind. Im allgemeinen sind die Zähne tief eingeschnitten, siehe auch Rinder, Schraubenverdichter, S. 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 Präzision 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) erfordert. So kostet ein Fräsersatz für ein Rotorpaar je nach Durchmesser zwischen DM 20000.- bis 50000.-. Hinzu kommtder Aufwand für die notwendigen Endkontrollen.

[0006] 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 ist - beim 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.

[0007] 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.

[0008] 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.

[0009] 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.

[0010] In vorteilhafter Weise besitzt der Hauptrotor mindestens drei Zähne.

[0011] 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 (vgl. hierzu Wunderlich, darstellende Geometrie, Bd. 2 der Reihe B.I., Hochschultaschenbücher, Bd. 133,1967, S. 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.

[0012] 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.

[0013] 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.

[0014] Infolge der geringeren Werkzeugkosten und der einfachen Geometrie ist darüber hinaus eine grosse Typenvielfalt möglich, so dass eine Drehkolbenverdichterreihe mit im Vergleich zu bekannten Verdichterreihen deutlich verfeinerter 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 Bändern, angepasst an die elektrische Normdrehzahl des beispielsweise als Elektromotor ausgebildeten Antriebes), gewählt werden können. Der einzelne Drehkolbenverdichter kann dabei im Direktantrieb im Bereich B' AC' (Fig. 1) betrieben werden, so dass dadurch der optimale Arbeitsbereich ausgenutzt werden kann.

[0015] 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 Zwischenfügung eines Zwischengetriebes angetrieben werden, so dass schon hierdurch eine Wirkungsgradverbesserung erzielt werden kann.

[0016] Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Ausgestaltung besteht auch im folgenden: bei bekannten Rotoren ist die Zahntiefe, d. h. die N uttiefe zwischen zwei benachbarten Kopflinien gross. Dies hat zur Folge, dass das Verhältnis Kerndurchmesser zu Aussendurchmesser ebenfalls gross ist. Bei bekannten Rotoren beträgt dieser Wert zwi_- schen 0,4 bis 0,5. Bei dem erfindungsgemässen Rotor jedoch, der durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1 definiert ist, liegt das Verhältnis Kerndurchmesser zu Aussendurchmesser etwa bei 0,95. 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.

[0017] 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. Es zeigt:

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

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemässen Drehkolbenverdichter,

Fig. 3 eine Schnittansicht gemäss Linie 111-111 der Fig. 1,

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

[0018] Es sei zunächst Bezug genommen auf die Fig. 2. Der Drehkolbenverdichter, der im allgemeinen mit 10 bezeichnet ist, besitzt in einem Gehäuse 12 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 20 und 22 mit unterschiedlichen Durchmessern unterteilten Fortsatz 24, von denen der eine Bereich 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. ZurAbdichtung des Lagers 26 nach aussen ist ein Dichtring 36 vorgesehen.

[0019] Am gegenüberliegenden Ende besitzt der Hauptrotor 16 einen weiteren Lagerzapfen 38, der in einem Wälzlager 40 und in einem Kugellager 42 in einer ersten Lageröffnung 44 des Gehäuses 12 gelagert ist. Die Halterung der Lager 40 und 42 erfolgt innen über eine auf dem Lagerzapfen 38 aufgeschraubte Mutter 46 und aussen über eine Druckfeder 48, die sich an einem zweiten Abschlussdeckel 50, der mit dem Gehäuse über Schraubenbolzen 52 fest verbunden ist, unter Zwischenfügung einer Fixierhülse 53 abstützt.

[0020] 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 60 und 62 erfolgt am Innendurchmesser bzw. am Innenring der Lager mittels einer auf den Lagerzapfen 56 aufgeschraubten Mutter 66 und aussen am Lageraussenring über eine Druckfeder 68 unter Zwischenfügung einer Fixierhülse 70.

[0021] Mit der Bezugsziffer 72 ist die -...-dargestellte Kehllinie des Hauptrotors und mit der Bezugsziffer 74 die strichliert dargestellte Linie des Nebenrotors bezeichnet. Die Bezugsziffern 76 und 78 bezeichnen die Kopflinien des Haupt- bzw. Nebenrotors.

[0022] In der Fig. 3 ist ein Querschnitt gemäss der Linie A-B der Fig. 2 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 _"Schraub- ausschlag" entsprechend dem Radius der Kopflinie gewählt.

[0023] Die Herstellung des Hauptrotors erfolgt mittels eines Wälzfräsvorganges mit einem profilierten Fräser.

[0024] 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 sind. 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.

[0025] Die Fig. 4 zeigt eine erste Stellung von Haupt-und Nebenrotor zueinander, in der der Kopfpunkt 82 des Hauptrotors 16 in der gezeichneten Stellung , d. h. die Kopfpunktmittellinie 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 läuft, dergestalt, dass die Zahnflanke des Nebenrotors durch die Bahn des Kopfpunktes 82 bestimmt wird. Der Kopfpunkt 90 des Nebenrotors 18 liegt an der anderen Zahnflanke immer noch an. Die Kehlpunktmittellinie des Nebenrotors 18 ist dabei entsprechend des Drehzahlverhältnisses zwischen Haupt- und Nebenrotor um einen geringeren Betrag entgegen dem Uhrzeigersinn aus der Verbindungslinie der Mittelpunkte der beiden Rotoren ausgewandert.

[0026] In der Fig. 6 befindet sich der Kopfpunkt 82 des Hauptrotors in dem Bereich des Kopfpunktes 88 des Nebenrotors, wobei der Kopfpunkt 90 nach wie vor auf der Zahnflanke des Hauptrotores liegt. In der Fig. 7 erkennt man, dass der Kopfpunkt 82 vom Nebenrotor freigekommen ist, dabei jedoch bleibt der Kopfpunkt 90 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 Hauptrotors zwischen zwei Kopfpunkten des Nebenrotors befindet, die beiden genannten Kopfpunkte auf der Zahnflanke bzw. den Zahnflanken des Hauptrotors aufliegen.

[0027] 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.

[0028] 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.

Claims

1. A parallel and outer axial rotating piston compressor comprising at least one driven helical main rotor and an auxiliary rotor meshing therewith, characterised in that the tooth surfaces of the main rotor are layered circular screw surfaces produced by screwing of a circle with a plane which is perpendicular to the screw axis.

2. A rotating piston compressor according to Claim 1, characterised in that the tooth surfaces of the auxiliary rotor are defined by the travel path of a point lying on the head line (the main rotor head point) during the relative rolling motion of the main rotor and auxiliary rotor.

3. A rotating piston compressor according to Claim 1, characterised in that the main rotor has at least three teeth.

Revendications

1. Compresseur à pistons rotatifs parallèles et excentrés, comprenant au moins un rotor principal mené à denture oblique et un rotor auxiliaire engrenant dans ce dernier, caractérisé par le fait que les flancs des dents du rotor principal sont des surfaces hélicoïdales circonférentielles agencées par étages, qui sont engendrées par le vrillage d'un centre dont le plan est perpendiculaire à l'axe de l'hélice.

2. Compresseur à pistons rotatifs selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les flancs des dents du rotor auxiliaire sont engendrés et déterminés par la trajectoire relative d'un point situé sur une ligne des crêtes (point de crête du rotor principal) lors de la dérive du rotor principal et du rotor auxiliaire.

3. Compresseur à pistons rotatifs selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que le rotor principal comporte au moins trois dents.

Zeichnung