DE102011118050A1

DE102011118050A1 - Spindelverdichter-Profilkontur

Info

Publication number: DE102011118050A1
Application number: DE201110118050
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-11-05
Filing date: 2011-11-05
Publication date: 2013-05-08

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Profilkontur bei trockenverdichtenden 2-Wellen-Rotationsverdrängermaschinen für den Überdruckbereich und für Vakuum-Anwendungen, die dank hoher Umschlingungswinkel und bei kleinen Steigungen eine Hintereinanderschaltung mehrerer Arbeitskammern zwischen dem Einlass und dem Auslass bilden und bevorzugt für sogenannte ”Spindelverdichter” zu verwenden sind. Um durch Reduzierung der Fördergas-Rückströmungen als bekannte ”innere Leckage” den Wirkungsgrad zu verbessern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass bei asymmetrisch ausgeführter Profilkontur mit einer zykloidenförmigen Hohlflanke (1) über gezielte Profilanpassung für die Zwischenflanke (4) und für die Ausgleichsflanke (7) sowie für die Gegenflanke (9) mindestens eine Wuchtnut (5) vorzugsweise am Außendurchmesser, der über die Kopfkreisbögen (6) die äußeren Spindelrotorkopfzylinderteile bildet, derart vorgesehen wird, dass in jedem Stirnschnitt der Gesamtprofil-Flächenschwerpunkt hinreichend genau auf dem Spindelrotor-Drehpunkt (8) zu liegen kommt, was im Achsschnitt bei einem gewähltem Werkzeugprofil zur Erzeugung dieser Wuchtnut (5) vorzugsweise durch gezielte Einstellung der Wuchtnut-Tiefe als t1 bzw. t2 je Stirnschnitt durch entsprechende Zustellung des Wuchtnut-Werkzeuges bei zugleich entsprechender Positionierung als μ1 bzw. μ2 in jedem Stirnschnitt für die auf den Kopfkreisbögen (6) umlaufende Wuchtnut-Helix längs der Spindelrotorachse erreicht wird, insbesondere bei veränderlicher Spindelrotor-Steigung und möglicherweise auch noch unterschiedlichen Durchmesser-Werten längs der Rotorachse ergibt sich die erforderliche Wuchtnut für jede Position der Rotorlängsachse. Des weiteren besteht zusätzlich noch die Möglichkeit durch Variation des Zentriwinkels γ1 und/oder γ2 zu jedem Profilzahn die Übereinstimmung zwischen Profilflächenschwerpunkt und Drehpunkt in jeder Stirnschnittebene hinreichend genau zu erreichen. Zudem wird eine zusätzliche Profilierung (16) gemäß 4 für die Kopfkreiszylinderteile an jedem Spindelrotor vorgeschlagen, wobei diese Profilierung mit der Wachtnut (5) vorzugsweise kombiniert wird, so dass sich unterschiedliche Nutungen für die Kopfkreisbögen derart ergeben, dass der Profilflächenschwerpunkt hinreichend nahe zum Rotor-Drehpunkt (8) zu liegen kommt. Außerdem wird jede Profilflanke so ausgeführt, dass an dem Übergang zwischen jeder Profilflanke (4, 7, 9) und ihrem Kopfkreisbogen (6) ein möglichst großer Unterschied beim Steigungswinkel entsteht, um die mit einer Einlauf-Beschichtung versehene Arbeitsraum-Oberfläche des Verdichtergehäuses während der sogen. Einlauf-Phase auf das Idealmaß günstig schneiden zu können.

Description

Stand der Technik:
Kompressoren nach dem Prinzip der 2-Wellen-Verdrängermaschinen zur Verdichtung gasförmiger Medien für Vakuum und Überdruck benötigen heutzutage meist noch ein Betriebsfluid im Arbeitsraum, um sowohl die Spalte zwischen den Verdrängerrotoren sowie dem umgebenden Verdichtergehäuse abzudichten als auch die während der Verdichtung entstehende Kompressionswärme abzuführen. Nicht nur aus Gründen des Umweltschutzes und wegen des zusätzlichen Aufwandes zur Ölabscheidung aus dem Fördermedium nach der Verdichtung möchte der Anwender jedoch auf dieses Betriebsfluid (meist Öl) verzichten, so dass trockenverdichtende Kompressoren zunehmend an Bedeutung gewinnen, bei denen im Arbeitsraum also kein Betriebsfluid benötigt wird. Derartige ”Trockenläufer” haben heutzutage jedoch das Problem, dass gerade durch den definitionsgemäßen Wegfall des Betriebsfluids wegen der inneren Gasrückströmungen zwischen den Arbeitskammern, allgemein als ”innere Leckage” bezeichnet, der Wirkungsgrad meist zu schlecht ist. Zur Minderung dieser konzeptionellen Schwäche werden daher Schraubenspindelmaschinen, kurz auch Spindel-Verdichter genannt, bevorzugt, weil dort wegen der höheren Profilumschlingungswinkel mehrere Arbeitskammern zwischen dem Ein- und Auslass gebildet werden, so dass die Druckdifferenz-Belastung je Spalt geringer wird. Außerdem ist die Profilkontur bei diesen 2-welligen Verdrängerrotoren für diese innere Leckage ausschlaggebend, wobei wegen der Wuchtgüte vorzugsweise 2-zähnige Profile zum Einsatz kommen. Diese werden unterschieden in ”asymmetrische” und ”symmetrische” Profilkonturen:
Die einfachen symmetrischen Profile haben den großen Vorteil, dass in jedem Stirnschnitt der Drehpunkt mit dem Profilschwerpunkt übereinstimmt, so dass eine befriedigende Wuchtgüte erreicht wird, um auch bei höheren Drehzahlen einfach und sicher betrieben werden zu können. Allerdings haben symmetrische Profilkonturen den Nachteil, dass sie stets ein sogenanntes ”Blasloch” (auch als ”Kopfrundungsöffnung” bezeichnet) im Eingriff mit dem Gegenrotor bilden, was den Wirkungsgrad verschlechtert und erst über hohe Drehzahlen mehr oder weniger befriedigend wieder kompensiert wird.
Wie bereits in den Schriften EP 1026399 A1 und WO 02/08609 A1 beschrieben erreichen die bekannten asymmetrischen Profilkonturen bereits bei geringen Drehzahlen ein brauchbares Kompressionsvermögen, insbes. für Maschinen zur Erzeugung von Vakuum. Dies wird erreicht, weil die bekannte zykloidenförmige Hohlflanke bei der asymmetrischen Profilkontur eine Eingriffslinie bis zur Gehäuse-Verschneidungskante ergibt, so dass das sogen. ”Blasloch” in diesem Eingriffsgebiet zwischen den beiden Verdrängerrotoren vermieden wird. Allerdings können höhere Drehzahlen wegen der unzureichenden Wuchtgüte noch nicht erreicht werden, weil die im Dokument EP 1026399 A1 beschriebenen Maßnahmen nicht ausreichen, um eine zufriedenstellende Übereinstimmung zwischen Drehpunkt und Profilschwerpunkt in jedem Stirnschnitt zu erreichen. Bekanntermaßen sind aber gerade höhere Drehzahlen insbesondere für den Wirkungsgrad günstig, so dass dieser Stand der Technik verbessert werden sollte.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin für trockenverdichtende 2-Wellen-Rotations-Verdrängermaschinen zur Förderung und Verdichtung gasförmiger Fördermedien für den Überdruck- und für den Vakuumbereich eine Profilkontur derart zu gestalten, dass einerseits das Blasloch vermieden wird und andererseits in jedem Stirnschnitt der Profilschwerpunkt hinreichend genau auf dem Drehpunkt des Spindelrotors zu liegen kommt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass zusätzlich zur gezielten Anpassung der Profilkontur, die bei vorzugsweise 2-zähniger Spindelrotor-Ausführung aus insgesamt 4 Flanken besteht, nämlich

• zykloidenförmige Hohlflanke (1)	= hinlänglich bekannt,
• Zwischenflanke (4)	= wählbar bzgl. Fertigung, Wuchtung, Arbeitskammerbildung ...
• Ausgleichsflanke (7)	= vorzugsweise zur Flächenschwerpunkt-Positionierung genutzt,
• Gegenflanke (9)	= vorzugsweise kongruent zur Zwischenflanke (4) ausgeführt,

beim Spindelrotor vorzugsweise am Außendurchmesser, der über die Kopfkreisbögen (6) die äußeren Kopfzylinderteile bildet, mindestens eine umlaufende ”Wuchtnut” (5) derart geschnitten wird, dass mit dieser Wuchtnut in jedem Stirnschnitt der Gesamtprofil-Flächenschwerpunkt hinreichend nahe bei dem Rotor-Drehpunkt (8) zu liegen kommt, was im Achsschnitt bei einem gewählten Werkzeugprofil zur Erzeugung dieser Wuchtnut vorzugsweise durch gezielte Änderung der Wuchtnut-Tiefe als t₁ bzw. t₂ durch entsprechende Zustellung des Wuchtnut-Werkzeuges bei zugleich entsprechender Positionierung als μ₁ bzw. μ₂ in jedem Stirnschnitt für die auf den Kopfkreisbögen (6) umlaufende Wuchtnut-Helix längs der Spindelrotorachse erreicht wird, so dass sich insbes. bei veränderlicher Spindelrotor-Steigung und gegebenenfalls auch noch unterschiedlichen Durchmesser-Werten längs der Rotorachse die erforderliche Wuchtnut für jede Position der Rotorlängsachse zur Herbeiführung der gewünschten Wuchtgüte ergibt. Das Werkzeug-Profil zur Wuchtnut kann beispielsweise als Dreieck- oder Rechtecknut ausgeführt werden. Die gesamte Herstellung erfolgt vorzugsweise per Drehen.

Außerdem kann erfindungsgemäß auch der Zentriwinkel γ derart variiert werden, dass statt der bisherigen 90°-Aufteilung entsprechend 1 ein abweichender Winkelwert für die einzelnen Profilbereiche gewählt wird, wie es in 3 dargestellt ist, um somit den Profilschwerpunkt hinreichend benachbart zum Drehpunkt (8) zu legen.
Zur Erzielung einer je Stirnschnitt hinreichend gut ausgewuchteten Gesamtprofilkontur durch genügend gute Annäherung zwischen Gesamtprofil-Flächenschwerpunkt und Rotordrehpunkt sind diese Maßnahmen über:

• Profilkontur-Anpassung
• Wuchtnut-Ausführung
• Zentriwinkel-Variation

Des weiteren wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass jede der genannten Profilflanken so ausgeführt wird, dass an dem Übergang zwischen jeder Profilflanke und ihrem Kopfkreisbogen ein möglichst großer Unterschied beim Steigungswinkel entsteht, um die mit einer Einlauf-Beschichtung versehene Arbeitsraum-Oberfläche des Verdichtergehäuses während der sogen. Einlauf-Phase ordentlich schneiden zu können. Die Höhe des Steigungswinkel-Unterschiedes sollte über 30° Winkelgrad betragen.
Außerdem wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass zur Erhöhung des Strömungswiderstandes bei der inneren Leckage-Rückströmung eine Profilierung (16) für die Kopfkreiszylinderteile an jedem Spindelrotor vorgenommen wird, wobei vorzugsweise diese Profilierung mit der Wuchtnut kombiniert wird, so dass sich unterschiedliche Nutungen für die Kopfkreisbögen derart ergeben, dass der Gesamtprofil-Flächenschwerpunkt hinreichend nahe zum Rotor-Drehpunkt (8) zu liegen kommt.
Zudem wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass bei Änderung der Profilzahnhöhe als Radien-Differenz zwischen Kopf- und Fußkreisbögen die Durchmesser-Änderung monoton linear erfolgt, so dass sich für den betreffenden Bereich eine konstant kegelige Rotorform im Verdichtungsabschnitt ergibt.
Indem die Profilkontur asymmetrisch ist, liegt der Flächen-Schwerpunkt im Stirnschnitt zunächst einmal nicht auf dem Spindelrotor-Drehpunkt, wodurch die gewünschte Wuchtqualität insbesondere für höhere Drehzahlen nicht erreicht wird. Jetzt wird im Stirnschnitt mit gezielter Anpassung der Ausgleichsflanke (7) der Abstand zwischen dem Flächenschwerpunkt und dem Rotordrehpunkt gezielt reduziert. Weil die beiden Profillinien der Zwischenflanke (4) und der Gegenflanke (9) wegen der Zielsetzung spiegelbildlich identischer Spindelrotore kongruent sind und folglich bei dieser Wucht-Aufgabe praktisch neutral sind, erfolgt die Anpassung dieser beiden Flanken (4) und (9) nach den Kriterien der Arbeitskammer-Bildung sowie der einfachen Herstellbarkeit. Indem durch Anpassung der Ausgleichsflanke (7) die gewünschte Wuchtqualität üblicherweise noch nicht erreicht wird, erfolgt dies jetzt über die Wuchtnut (5). Dazu wird ein Wuchtnut-Werkzeug-Profil gewählt, beispielsweise als Dreieck- oder Rechteck-Nut, welches üblicherweise im Achsschnitt längs der Rotorachse bewegt wird und in jedem Stirnschnitt gemäß der Profilsteigung sowie der Werkzeug-Positionierung und der Werkzeug-Tiefen-Zustellung in jedem Stirnschnitt den Gesamtprofil-Flächenschwerpunkt nun derart verändert, dass dessen Abstand zum Spindelrotor-Drehpunkt so erzeugt wird, dass die gewünschte Wuchtgüte erreicht wird. Dafür sind nun Berechnungsvorgänge entsprechend der gewünschten Wuchtgüte je Stirnschnitt erforderlich, insbesondere bei veränderlicher Steigung und unterschiedlichen Profilhöhen-Werten durch verschiedene Durchmesserwerte zur Erzeugung der inneren Verdichtung als gezielte Verringerung der Arbeitskammmer-Volumina während der Verdichtung.

1 zeigt für die vorliegende Erfindung eine komplette Profilkontur im Stirnschnitt für einen 2-zähnigen Spindelrotor mit den 4 Flanken

die mit den beiden Fußkreisbögen (2.a) und (2.b) sowie mit den beiden Kopfkreisbögen (6.a) und (6.b) die gesamte Profilkontur bilden, wobei in diesem Beispiel die beiden Kopfkreisbögen jeweils von einer Wuchtnut (5.a) in Dreiecksform und einer weiteren Wuchtnut (5.b) in Rechteckform unterbrochen sind. Die Position jeder Wuchtnut (5.a) bzw. (5.b) wird in jedem Stirnschnitt über den Drehwinkel als μ₁ bzw. μ₂ genau definiert. Zur Erreichung der gewünschten Wuchtqualität wird nun die Wuchtnut-Tiefe als t₁ bzw. t₂ durch entsprechende Zustellung des Wuchtnut-Werkzeuges bei zugleich entsprechender Positionierung als μ₁ bzw. μ₂ in jedem Stirnschnitt gezielt derart eingestellt, dass der Gesamtprofil-Flächenschwerpunkt hinreichend gut auf dem Spindelrotor-Drehpunkt (8) zu liegen kommt. Die Wuchtnut-Breite b₁ bzw. b₂ wird durch das gewählte Werkzeugprofil, welches je Wuchtnut-Helix vorzugsweise unverändert bleibt, sowie durch die Rotor-Steigung und durch die entsprechende Zustellung des Wuchtnut-Werkzeuges festgelegt.

2 zeigt für die vorliegende Erfindung am vollständiges Spindelrotorpaar mit dem Grundrotor (11) und dem spiegelbildlich identischen Gegenrotor (12) in der umgebenden Gehäuselinie (10) mit einem engen Spalt zwischen den Kopfkreisbögen und der Gehäuselinie. Die Abstand zwischen dem Mittelpunkt M₁ für den Grundrotor und dem Mittelpunkt M₂ für den Gegenrotor stellt den Achsabstand dar.
3 zeigt für die vorliegende Erfindung wie 1 eine komplette Profilkontur im Stirnschnitt, wobei ein Zentriwinkel γ beispielhaft anders ausgeführt ist, was am eingreifenden Gegenrotor selbstverständlich zu berücksichtigen ist.
4 zeigt für die vorliegende Erfindung einen Achsschnitt durch die Spindelverdichter-Maschine, wobei das Fördermedium vom Fördergas-Einlass (17) zum Fördergas-Auslass (18) vom Spindelrotorpaar (13) verdichtet wird. Die Arbeitsraum-Oberfläche des umgebenden Verdichtergehäuses (14) ist mit einer Einlauf-Beschichtung (15) versehen. Die über die Kopfkreisbögen (6) gemäß 1 erzeugten Spindelrotorköpfe (19) werden mit einer Kopfspalt-Profilierung (16) genutet, die entsprechend der Wuchtnut (5) gemäß 1 vorzugsweise derart zueinander unterschiedlich ausgeführt werden, dass der Gesamtprofil-Flächenschwerpunkt hinreichend nahe zum Spindelrotor-Drehpunkt (8) zu liegen kommt.
Bezugszeichenliste

1: zykloidenförmige Hohlflanke
2: Fußkreisbogen, 2-teilig in (2.a) und (2.b) mit vorzugsweise gleichem Radius
3: Wälzkreis, dessen Durchmesser dem Achsabstand bei spiegelbildlich identischem Rotorpaar entspricht
4: Zwischenflanke
5: Wuchtnut, beispielsweise als Dreieck-Nut wie (5.a) und/oder als Rechteck-Nut wie (5.b), bzw. mit jeder anderen Nutform
6: Kopfkreisbogen, 2-teilig in (6.a) und (6.b) mit vorzugsweise gleichem Radius
7: Ausgleichsflanke
8: Spindelrotor-Drehpunkt
9: Gegenflanke
10: Gehäuselinie
11: Grundrotor
12: Gegenrotor
13: Spindelrotorpaar
14: Verdichtergehäuse, vorzugsweise mit Kühlung
15: Einlauf-Beschichtung
16: umlaufende Kopfspalt-Profilierung
17: Fördergas-Einlass
18: Fördergas-Auslass
19: Spindelrotorkopf im Achsschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1026399 A1 [0002, 0002]
WO 02/08609 A1 [0002]

Claims

Spindelverdichter-Profilkontur für trockenverdichtende 2-Wellen-Rotationsverdrängermaschinen zur Förderung und Verdichtung von gasförmigen Fördermedien sowohl für den Vakuum- als auch für den Überdruck-Bereich mit einem Rotorpaar (13 = 11, 12) für achsparallelen und gegenläufigen Außeneingriff mit Umschlingungswinkeln > 800° ausgeführt mit zweizähnig je Stirnschnittebene spiegelbildlich gleichen Flankenprofilen mit jeweils einer zykloidenförmigen Hohlflanke (1), so dass in einem umgebenden Verdichtergehäuse (14) eine gut abgedichtete Hintereinanderschaltung von einzelnen Arbeitskammern ohne Blaslochverbindungen gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnschnitt-Profilkontur asymmetrisch, also zum Drehpunkt (8) nicht punktsymmetrisch ist, und dass genau eine Flanke eines einzigen Zahnes als zykloidenförmige Hohlflanke (1) ausgebildet ist, und dass die anderen 3 Flanken (4, 7, 9) durch ihren gewählten Profilkonturverlauf zur gezielten Positionierung des Gesamt-Profilflächenschwerpunktes genutzt werden, und dass auf mindestens einem Kopfkreisbogen (6) mindestens eine Wuchtnut (5) derart gestaltet wird, dass im Stirnschnitt der Gesamtprofil-Flächenschwerpunkt so nahe zum Rotor-Drehpunkt (8) zu liegen kommt, wie es für die gewünschte Wachtqualität insgesamt über alle Stirnschnitte mindestens erforderlich ist.
Spindelverdichter-Profilkontur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wuchtnut (5) über die Tiefe als t₁ bzw. t₂ sowie über die Hutbreite als b₁ bzw. b₂ und über die Positionierung als μ₁ bzw. μ₂ in jedem Stirnschnitt ausgestaltet wird.
Spindelverdichter-Profilkontur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wuchtnut (5) als umlaufende Helixnut auf den Zylinderteilbereichen der Kopfkreisbögen (6) mit einem fest gewählten Werkzeug-Profil derart ausgeführt wird, dass die gewünschte Wuchtgüte für den gesamten Rotor erreicht wird.
Spindelverdichter-Profilkontur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über unterschiedliche Zentriwinkel γ die Position des Gesamt-Profilflächenschwerpunktes gezielt geändert wird, um die gewünschte Wuchtgüte zu erreichen.
Spindelverdichter-Profilkontur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenflanke (4) kongruent zur Gegenflanke (9) ausgeführt ist.
Spindelverdichter-Profilkontur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsraum-Oberfläche des Verdichtergehäuses (14) mit einer Einlauf-Beschichtung (15) versehen ist.
Spindelverdichter-Profilkontur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilflanken (4, 7, 9) so ausgeführt werden, dass an dem Übergang zwischen jeder Profilflanke (4, 7, 9) und ihrem Kopfkreisbogen (6) ein möglichst großer Unterschied beim Steigungswinkel entsteht.
Spindelverdichter-Profilkontur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Steigungswinkel-Unterschied mindestens 30° Winkelgrad beträgt.
Spindelverdichter-Profilkontur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopfkreisbögen (6) zusätzlich mit einer umlaufenden Kopfspalt-Profilierung (16) versehen sind.
Spindelverdichter-Profilkontur nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopfspalt-Profilierung (16) mit der Wuchtnut (5) derart kombiniert wird, dass sich unterschiedliche Nutungen für die beiden Kopfkreisbögen (6) derart ergeben, dass der Gesamtprofil-Flächenschwerpunkt hinreichend nahe zum Drehpunkt (8) zu liegen kommt, so dass die gewünschte Wuchtgüte für den gesamten Rotor erreicht wird.