DE10129341A1

DE10129341A1 - Profilkontur einer Spindelpumpe

Info

Publication number: DE10129341A1
Application number: DE2001129341
Authority: DE
Inventors: Ralf Steffens
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-06-19
Filing date: 2001-06-19
Publication date: 2003-01-02
Also published as: WO2002103205A1

Abstract

Die Erfindung betrifft die Profilkontur für das Rotorpaar einer trockenverdichtenden Spindelpumpe als 2-Wellenverdrängermaschine zur Förderung und Verdichtung von Gasen. Um zur Reduzierung der Verdichterleistung über eine veränderliche Rotorspindelsteigung eine hinreichend hohe innere Verdichtung ohne den Einsatz von Bypass-Ventilen zu ermöglichen und gleichzeitig eine gleichmäßigere Verteilung der Verdichterleistung längs der Rotorachse zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass die Profilkontur in jedem Stirnschnitt gegenüber der verzahnungsgesetzspezifischen Profilkontur mit einer zunehmenden Flankenrücknahme bei abnehmender Spindelsteigung versehen wird. Vorzugsweise erfolgt diese Flankenrücknahme im Kopfprofilbereich oberhalb des Wälzkreises für das Spindelrotorpaar, wobei im Einlaßbereich des Spindelrotors bei geringen z-Werten keine Flankenrücknahme vorgesehen ist.

Description

Stand der Technik

Trockenverdichtende Pumpen gewinnen insbesondere in der Vakuumtechnik verstärkt an Bedeutung, denn durch zunehmende Verpflichtungen bei Umweltschutzvorschriften und steigende Betriebs- und Entsorgungskosten sowie erhöhte Anforderungen an die Reinheit des Fördermediums werden die bekannten naßlaufenden Vakuumsysteme, wie Flüssigkeitsringmaschinen und Drehschieberpumpen, immer häufiger durch trockenverdichtende Pumpen ersetzt. Zu diesen trockenverdichtenden Maschinen gehören Schraubenspindelpumpen, Klauenpumpen, Membranpumpen, Kolbenpumpen, Scroll-Maschinen sowie Wälzkolbenpumpen. Diesen Maschinen ist jedoch gemeinsam, dass sie die heutigen Ansprüche hinsichtlich Zuverlässigkeit und Robustheit sowie Baugröße und Gewicht bei gleichzeitig niedrigem Preisniveau immer noch nicht erreichen. Zur Zeit wird der Markt noch eindeutig von den genannten naßlaufenden Vakuumpumpen der Flüssigkeitsringmaschinen und der ölgeschmierten Drehschieberpumpen beherrscht.
Trockenverdichtende Vakuumpumpen haben gegenüber diesen naßlaufenden Maschinen jedoch den prinzipiellen Vorteil in ihrer Rotordrehzahl nicht so stark eingeschränkt zu sein, wie die Verdrängermaschinen mit einer Betriebsflüssigkeit im Arbeitsraum. Damit kann neben einer Verbesserung des volumetrischen Wirkungsgrades vorrangig eine deutliche Reduzierung der Kosten der Maschine erreicht werden. Gleichzeitig ist eine Verminderung der erforderlichen Antriebsleistung erstrebenswert, was bei den trockenverdichtenden Spindelpumpen als 2-Wellenverdrängermaschinen bekanntermaßen durch eine innere Verdichtung realisiert wird. Dabei wird das einlaßseitig eingeschlossene Arbeitskammervolumen während des Transportes längs der Rotorachse in Richtung Fördermediumauslaß um einen gewissen Faktor verringert, beispielsweise durch eine Reduzierung der Rotorspindelsteigung und/oder der Profilzahnhöhe. Je höher das Verhältnis von einlaß- zu auslaßseitigem Arbeitskammervolumen ist, desto geringer ist die Leistungsaufnahme im thermisch besonders kritischen Enddruckbetrieb, also bei der sogenannten "Nullförderung", wenn es keinen Massenstrom des Fördermedium gibt, aber die volle Druckdifferenz anliegt. Allerdings ergibt ein sehr hohes inneres Verdichtungsverhältnis (etwa ab Faktor 2 bis 3) eine kritische Überverdichtung für höhere Ansaugdrücke, weil weiterhin das Arbeitskammervolumen geometrisch längs der Rotorachse reduziert wird, so dass dann in Richtung Gasaustritt Arbeitskammerdrücke deutlich oberhalb Atmosphärendruck abhängig von der Höhe der inneren Verdichtung entstehen. Damit steigen sowohl die Leistungsaufnahme als auch die Lagerbelastung und das Geräuschniveau unzumutbar an. Als bekannte Abhilfe werden Bypass-Ventile vorgesehen, die bei höheren Drücken längs der Rotorachse automatisch, beispielsweise über federbelastete Ventilkugeln, öffnen und dadurch den Überdruck in Auslaßrichtung ablassen. Allerdings haben die Bypass-Ventile bei Trockenläufern häufig Probleme mit Verkleben und Materialablagerung, so dass die Funktion beeinträchtigt wird.
Des weiteren ist bei den bekannten trockenverdichtenden Spindelpumpen die Leistungsumsetzung längs der Rotorachse so ungünstig verteilt, dass der größte Teil der Verdichtungsleistung erst im letzten ausgangsseitigen Rotorendbereich umgesetzt wird, so dass dort entsprechend hohe Temperaturen bei der Verdichtung auftreten.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine möglichst einfache und robuste sowie besonders preiswerte Lösung für eine Trockenverdichtende Spindelpumpe zu finden, die einerseits auf Bypass-Ventile verzichtet und andererseits dennoch ein hohes inneres Verdichtungsverhältnis ermöglicht bei gleichzeitig günstigerer Verteilung der Verdichterleistung längs der Rotorachse.

Grundlage der folgenden Erfindung ist die Deutsche Patentanmeldung 101 02 341.3 mit einem durch das Bearbeitungswerkzeug bestimmten Profilkonturverlauf für das Rotorpaar einer Schraubenspindelpumpe.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Profilkonturverlauf für das Spindelrotorpaar im Stirnschnitt längs der Rotorachse derart verändert wird, dass die Profilkontur in Rotorlängsrichtung zur Auslaßseite hin mit zunehmend größeren Flankenlückenöffnungen als partielle Flankenrücknahmen bei der Profilkonturabwälzung des Rotorpaares im Sinne der Gasrückströmung ausgeführt wird. Dazu wird vorzugsweise in dem oberhalb des Wälzkreises liegenden Kopfprofilbereich die tatsächlich gefertigte Flankenkontur gegenüber dem gemäß Verzahnungsgesetz bestimmten theoretischen SOLL-Profilverlauf im jeweiligen Stirnschnitt so zurückgenommen, dass über diese partielle Flankenrücknahme in Rotorlängsachsrichtung zum Auslaß hin eine zunehmende Lückenbildung zwischen den abwälzenden Profilflanken des Rotorspindelpaares im Stirnschnitt entsteht. Damit ergeben sich unterschiedliche Stirnschnittverläufe längs der Rotorachse. Vorteilhafterweise läßt sich diese gezielte Flankenrücknahme mit sehr geringem Aufwand durch den in der Deutschen Patentanmeldung 101 02 341.3 beschriebenen Ansatz der werkzeugbestimmten Profilkontur sehr einfach erreichen.

Grundsätzlich wird die Rotorprofilabwälzung im Stirnschnitt über das Verzahnungsgesetz beurteilt. Ausgehend vom Wälzkreis unterscheidet man zwischen einem Fußprofilbereich unterhalb des Wälzkreises und einem Kopfprofilbereich oberhalb des Wälzkreises. Im Stirnschnitt unterliegen dem Verzahnungsgesetz jeweils der Fußbereich des einen Spindelrotors dem Kopfbereich des Gegenrotors und umgekehrt. Gegenüber dem bisherigen Stand der Technik wird jedoch diese Profilkontur im Stirnschnitt über die gesamte Rotorlängsachse nicht konstant beibehalten, sondern in Achsrichtung zum Auslaß hin wird das Flankenprofil vorzugsweise im Kopfprofilbereich zunehmend mehr zurückgenommen, so daß über die Gasrückströmung zwischen den einzelnen Arbeitskammern ein Druckabbau erfolgen kann. Damit wird eine gewisse innere Bypass-Funktion erzeugt, so dass die bekannten äußeren Bypass-Ventile entfallen können. Der Betrag der inneren Verdichtung kann hingegen im Sinne der gewünschten Leistungseinsparung erhöht werden. Des weiteren vereinfacht sich durch den Wegfall der Bypass-Ventile das Pumpengehäuse derartig, dass die Herstellung der Pumpengehäuse problemlos auf einfaches Strangpressprofil umgestellt werden kann.

Des weiteren wird durch diese erhöhte innere Leckage gleichzeitig die Verdichterleistung längs der Spindelrotorachse im gewünschten Sinne besser verteilt, indem nicht mehr nur am auslaßseitigen Rotorende der wesentliche Teil der Verdichterleistung umgesetzt wird, sondern die Verdichterleistung über einen längeren Rotorbereich besser verteilt wird, so dass die Wärmeabführung günstiger wird und die bekannten extremen Temperaturspitzen besser vermieden werden können. Zur Gewährleistung des gewünschten Kompressionsvermögens der Spindelpumpe wird die erhöhte innere Leckage durch eine höhere Stufenzahl ausgeglichen. Damit steigt die Anzahl der abgeschlossenen Arbeitskammern zwischen Ein- und Auslaß der Spindelpumpe, außerdem erhöht sich in der Regel die Rotorlänge.

Im folgenden Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1 ein Spindelrotor (1) dargestellt, der in der eigentlichen Spindelpumpe gegenläufig mit einem Gegenspindelrotor abwälzt, dessen Steigung genau invers orientiert ist, ansonsten aber aus Gründen der einfachen Herstellung genau die gleichen Abmessungen und Profilflanken hat (= bekannter Stand der Technik). Der Spindelrotor (1) hat die Länge l, den Außendurchmesser ∅D und die Profilzahntiefe h. Einlaßseitig hat der Rotor die Spindelsteigung m_EIN und auslaßseitig die Steigung m_AUS mit den jeweiligen Steigungswinkeln β_EIN/AUS und einem Zwischenbereich, in dem die Steigung m_EIN auf die Steigung m_AUS reduziert wird (= bekannter Stand der Technik).
Das rotorfeste Koordinatensystem definiert in der x-y-Ebene den Stirnschnitt, wohingegen die z-Achse längs der Rotorachse verläuft, wobei bei z = 0 die einlaßseitige Rotorstirnseite und bei z = l die auslaßseitige Rotorstirnseite eindeutig definiert sind. In Anlehnung an die Deutsche Patentanmeldung 101 02 341.3 ist beispielhaft das Werkzeug WZ zur Fertigung der Profilflanken dargestellt, mit dem die erfindungsgemäße Profilgestaltung im Stirnschnitt gemäß Fig. 2 besonders günstig umgesetzt werden kann.
In der Fig. 2 sind beispielhaft verschiedene Stirnschnitte für einzelne z-Positionen dargestellt, wobei vereinfachend jeweils lediglich eine einzelne Profilflankenseite dargestellt ist. Durch einfache symmetrische Spiegelung wird entsprechend der Zähnezahl der komplette Stirnschnitt erzeugt. In dieser Fig. 2 wird die Erfindung ganz anschaulich, indem die Profilstirnschnittflanken der verschiedenen z-Positionen alle derart gedreht sind, dass sie in dieser Darstellung alle gemeinsam durch den Profilpunkt C auf dem Wälzkreis (3) gehen. Die Fußprofilflanke (5) verläuft zwischen dem Profilpunkt A auf dem Fußkreis (2) und dem Punkt C auf dem Wälzkreis (3), wohingegen die zugehörige Kopfprofilkontur (6) zwischen dem Punkt C und dem Profilpunkt E auf dem Kopfkreis (4) mit Durchmesser ∅D verläuft. Beispielhaft ist die Erfindung für die Abwandlung am Kopfprofilvelauf dargestellt.
Auf der Rotorspindeleingangsseite bei z = 0 entspricht der Stirnschnitt der Profilflanke über Fußkontur (5) und Kopfprofil (6) noch exakt dem Verlauf gemäß Verzahnungsgesetz, es gibt also noch keine Flankenrücknahme, so dass die Kopfprofilflanke des einen Spindelrotors genau mit dem Fußverlauf des Gegenrotors gemäß Verzahnungsgesetz abwälzt.
Für den folgenden Stirnschnitt bei z = z₁ wird für den Kopfprofilverlauf (7) zwischen den Profilpunkten C und E₁ erfindungsgemäß schon deutlich die Flankenrücknahme erkennbar, die mit im nächsten Stirnschnitt bei z = z₂ für den Kopfprofilverlauf (8) zwischen den Profilpunkten C und E₂ bereits deutlich erhöht ist, um bei der geringsten Spindelsteigung m_AUS im letzten Stirnschnitt bei z = l für den Kopfprofilverlauf (9) zwischen den Punkten C und E_l den maximalen Wert erreicht zu haben.
Diese Rücknahme der Kopfprofilflanke kann beispielsweise im Stirnschnitt über den Zentriwinkel γ beschrieben und erfasst werden. Diese Rücknahme der Profitflanke abhängig von der z-Position im Stirnschnitt über den Wert für den Zentriwinkel γ umfasst in der x-y-Ebene mehrere Winkelgrad und liegt vorzugsweise in einem Winkelbereich zwischen 5° und 25°.
Selbstverständlich kann die Flankenrücknahme auch auf den Fußprofilbereich angesetzt werden: separat oder kombiniert mit dem Kopfprofilbereich. Erfindungsgemäß entscheidend ist jedoch in jedem Fall, dass diese Form der Flankenrücknahme in Abhängigkeit von der z-Position mit abnehmender Spindelsteigung längs der Spindelrotorachse zunimmt. Damit wird einerseits die Bypass-Funktion gezielt in das Spindelprofil verlagert, so dass höhere Werte für das innere Verdichtungsverhältnis realisiert werden können, und gleichzeitig eine neuartige Leistungsverteilung längs der Spindelrotorachse erreicht, indem nicht mehr wie bisher einseitig am Rotorende der größte Teil der Verdichtungsleistung umgesetzt wird.
Die Herstellung dieser erfindungsgemäßen Profilkontur erfolgt vorzugsweise entsprechend der Deutschen Patentanmeldung 101 02 341.3 mit einem besonders einfachen Werkzeug zur Profilbearbeitung. Bezugszeichenliste 1 Spindelrotor mit unterschiedlicher Steigung von m_EIN auf m_AUS abfallend
Rotorlänge l
Außendurchmesser ∅D
Profilzahntiefe h
2 Fußkreis des Spindelrotors
3 Wälzkreis des Spindelrotorpaares
4 Kopfkreis des Spindelrotors
5 Fußprofilflanke von Profilpunkt A bis Profilpunkt C
6 Kopfprofilflanke bei z = 0 ohne Flankenrücknahme gemäß Verzahnungsgesetz von Profilpunkt C bis Profilpunkt E
7 Kopfprofilflanke bei z = z₁ mit geringer Flankenrücknahme von Profilpunkt C bis Profilpunkt E₁
8 Kopfprofilflanke bei z = z₂ mit höherer Flankenrücknahme von Profilpunkt C bis Profilpunkt E₂
9 Kopfprofilflanke bei z = l mit höchster Flankenrücknahme von Profilpunkt C bis Profilpunkt E_l

Claims

1. Profilkontur einer Spindelpumpe als 2-Wellenverdrängermaschine zur Förderung und Verdichtung von Gasen mit einem Paar gegensinnig gleicher Spindelrotore (1) mit innerer Verdichtung über veränderliche Spindelsteigung längs der Spindelrotorachse dadurch gekennzeichnet, dass die Profilkontur in jedem Stirnschnitt gegenüber der verzahnungsgesetzspezifischen Profilkontur mit einer zunehmenden Flankenrücknahme bei abnehmender Spindelsteigung ausgeführt wird.

2. Trockenverdichtende Spindelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Einlaßbereich des Spindelrotors bei geringen z-Werten keine Flankenrücknahme erfolgt.

3. Trockenverdichtende Spindelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flankenrücknahme im Kopfprofilbereich (7, 8, 9) oberhalb des Wälzkreises (3) für das Spindelrotorpaar erfolgt.

4. Trockenverdichtende Spindelpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentriwinkel γ als Maß für den Umfang der Flankenrücknahme im Stirnschnitt im Winkelbereich zwischen 5° und 25° liegt.

5. Trockenverdichtende Spindelpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion für die Flankenrücknahme über der Rotorlängsachse bis zum Zentriwinkel γ von dem Werkzeug zur Profilbearbeitung bestimmt wird.

6. Trockenverdichtende Spindelpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Spindelrotor (1) die Stufenzahl und Rotorlänge erhöht werden.