DE2735670A1

DE2735670A1 - Schraubenrotoren

Info

Publication number: DE2735670A1
Application number: DE19772735670
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl Ing Mosemann; Bernhard Dipl Ing Seiffert
Original assignee: KUEHLAUTOMAT VEB
Current assignee: KUEHLAUTOMAT VEB
Priority date: 1976-09-27
Filing date: 1977-08-08
Publication date: 1978-03-30
Also published as: FR2365711A1; SU1441077A1; GB1544595A; FR2365711B1; PL201046A1; FI62714B; FI62714C; CS194477B1; PL112155B2; SE7710737L; YU228277A; FI772825A7; DD128035A1; DD128035B1; NL7710476A; BG32501A1; HU177663B

Description

Erfinder: Dieter Mosemaim, Berlin

Bernhard Seif fers, Berlin 2 7 35670

Z.-Bevollmächtigt: Pafceufc-Infc. Ullrich Scheffler

-V

S chraubenrotoren

Das Anwendungsgebiet der Erfindung betrifft ein Rotorpaar für eine Schraubenrotormaschine vorzugsweise zum Komprimieren eines kompressiblen Arbeitsmediums·

Eine Schraubenrotormaschine hat im allgemeinen ein Gehäuse mit einem Arbeitsraum mit Hochdruck- und Niederdrucköffnungen, denen sich ein Hochdruck- und ein Niederdruckraum anschließen.

Im Arbeitsraum sind zusBmmenkämmende Haupt- und Nebenrotoren angeordnet, die schraubenlinienförmig verlaufende ineinandergreifende Kämme und Nuten aufweisen.

Die zwischen den Zahnteilen und der Umf angswandung des Arbeitsraumes gebildeten Zahnlückenräume bilden v-förmige Arbeitskammern, die an den Basisenden durch stationäre Normalebenen zu den Rotoren begrenzt werden.

Jede dieser v-förmigen Arbeitskammern umfaßt einen Teil einer Nut des Hauptrotors und einen Teil einer- Nut des Nebenrotors· Jeder Nutteil des Nebenrotors hat eine hintere erste Flanke und eine vordere zweite Planke. Die Querabdichtung im Zehneingriff der Rotoren erfolgt längs einer sogenannten Kontaktlinie, deren Form durch die Zahnflankenform bestimmt wird. Sie stellt eine ununterbrochene räumliche Linie dar.

Diese Kontaktlinie ist der geometrische Ort solcher Flankenpunkte von Hauptrotorzähnen und Nebenrotorzahnlücken, die beim Zahneingriff in abdichtende Nähe gelangen. Auf Grund der weitestgehend berührungsfreien Abdichtung bestimmen die Flankenform im Bereich der Kontaktlinie und die Kontaktlinienlänge den Leckagevolumenstrom zur Niederdruckseite und nehmen ebenso wie die Lage der Kontaktlinie am Zahn Einfluß auf die technischen Eigenschaften des Rotorprofiles.

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Bekannte technische Lösungen Bekannt sind symmetrisch und unsymmetrisch profilierte Zahnflankenkonturen.

Bei letzteren werden in einer Normalebene zu den Rotordrehachsen für die erste und zweite Zahnflanke verschiedene Profilformen verwendet.

Als Eonturteile der Zahnflanken wurden bisher Teilstücken von Epitrochoiden, Spizykloiden, Kreisbögen, Ellipsen und Evolventen angewendet, wobei diese Kurven den überwiegenden Teil einer Zahnflanke bilden.

Bei den bekannten unsymmetrischen Profilen wurden für die wesentlichen Konturabschnitte der ersten Zahnflanke die punkterzeugten Profilkurven angewendet und für die zweite Flanke wanderpunkterzeugte Kreisbögen, die entweder am Haupt- oder am Nebenrotor angeordnet sind, benutzt·

Nachteilig sind bei punkterzeugten Profilabschnitten die große Kontaktlinienlänge, das große eingeklemmte Volumen beim Ausschubvorgang, die Anfälligkeit gegenüber Beschädigungen an der Dichtkante und die damit verbundenen Leckverluste, die das Profil unbrauchbar machen. Weiterhin nachteilig sind große Relativgeschwindigkeiten von Flankenteilen, die in abdichtender Nähe zusammenwirken und schlechte Kraftübertragungs- und Schmierverhältnisse im Zahneingriff, die durch ungünstige Pressungsverhältnisse und ölabstriifung bedingt und vor allem bei Nebenrotorantrieb von Nachteil sind, da en dieser Flanke die übertragung fast der gesamten Verdichterantriebsleistung auf die Zahnflanken des Hauptrotors erfolgt. Die zweite Flanke führt durch Anwendung der als wesentliche Konturteile ausgeführten Kreisbögen mit wanderpunkterzeugter Gegenflanke zur Verkleinerung des geometrischen Förderstromes.

Bei allen bekannten Profilen, besonders für den Nebenrotorantrieb, ist nachteilig, daß der Übergang der Zahnflanke am Teilkreis des Nebenrotors vom teilkreisinneren zum teilkreisäußeren Bereich stufenförmig erfolgt. Das ist für die Herstellung -z. B. für das Wälzfräsen - ungünstig. Bei anderen Profilen erfolgt der Übergang durch Änderung des Krümmungsradius am Teilkreis, was für die Kraftübertragungsverhältnisse nachteilig ist.

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Außerdem besitzen solche Profile bezüglich des Blasspaltes ein nicht optimal ausgeführtes Addendum.

Ziel der Erfindung

An die Flankenform werden neben der Anforderung nach einer hinsichtlich Förderstrom und Verdichterantriebsleistung optimal geformten Kontaktlinie, gute Herstellbarkeit bei niedrigen Kosten durch Fräsen im Zahnlücken-Einzelfräsverfahren und Wälzfräsverfahren, gute Flankenpressungsverhältnisse der Rotoren, deren Nebenrotor durch einen Motor angetrieben wird und Robustheit gegen Profilbeschädigungen gefordert.

Die bekannten Rotorprofile erfüllen diese Forderungen nur teilweise und besitzen kein optimal ausgeführtes Flankenprofil.

Wesen der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein optimales Rotorprofil zu schaffen, das verbeserte Parameter besitzt - mit möglichst hohem Volumenausnutzungsgrad und mit möglichst großem theoretischen Fördervolumen, mit hohem Liefergrad und Wirkungsgrad durch einen guten Kompromiß zwischen Kontaktlinienlänge und Blasspaltgröße, mit einem verbesserten außerhalb des Nebenrotor-Teilkreises gelegenen Addendum und mit guten Kraftübertragungsverhältnissen und guten Schmierverhältnissen im Zahneingriff bei R^pt- und Nebenrotorantrieb.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß an der ersten Zahnflanke des Nebenrotors eine optimierte Kombination mehrerer Kurventeile an einem Kurvenpunkt außerhalb des Teilkreises beginnend in der Folge Evolventenstück, das bis zu einem Kurvenpunkt innerhalb des Teilkreises nahe an diesem gelegen reicht, Kreisbogen mit konvexer Flankenkrümmung, Kreisbogen mit konkaver Flankenkrümmung, Hüllkurve zu einem Ellipsenteilstück des Hauptrotors, dessen Ellipsenmittelpunkt auf dem Teilkreis des Hauptrotors liegt und Kreisbogen im Sohlenteil der ersten Zahnflanke, dessen Mittelpunkt sich auf dem Teilkreis des Nebenrotors befindet, angeordnet sind.

Die zweite Zahnflanke des Nebenrotors ist erfindungsgemaß derart ausgebildet, daß von einem innerhalb des Teilkreises nahe am

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Teilkreis liegenden Punkt beginnend ein Teilstück einer "Konchoide des Kreises** angeordnet ist, die den wesentlichen Konturteil ausmacht und der sich ein kreisbogenförmiger Sohlenteil der zweiten Zahnflanke anschließt, dessen Kreismittelpunkt sich auf dem Teilkreis des Nebenrotors befindet. Die einzelnen Kurvenstücke der ersten und zweiten Nebenrotorzahnflenke sind derartig ausgeführt, daß sie aneinander anschließen und knickfrei ineinander übergehen. Die Hauptrotorflanken sind die entsprechenden konjugierten Profile unter Berücksichtigung von Profilkorrekturen zur Erlangung einer günstigen Spielverteilung dahingehend, daß das Spiel zwischen den Evolvententeilen der Hauptrotorflanke und der Nebenrotorflanke gegenüber den übrigen Flankenspielen minimiert ist.

Als besondere Ausführung ergibt sich ein optimiertes Rotorprofil mit einem außerhalb des Teilkreises gelegenen Zahnkopf, der als Addendum bezeichnet wird, dessen Höhe 4- bis 6 Prozent des halben Rotoraußendurchmessers ausmacht, dessen erste Zahnflanke beginnend am radial äußersten Flankenpunkt folgende Konturzusammensetzung aufweist: 5 bis 1o Prozent der radialen Erstreckung der Zahnflanke ist als Teilstück einer Epizykloide, deren Hüllkurve am Hauptrotor kantenfrei ist, ausgestaltet, 6 bis 12 Prozent der Zahnhöhe sind Teilstück einer Evolvente, deren Grundkreis innerhalb des Nebenrotorteilkreises liegt. 2 bis 6 Prozent der Zahnhöhe bestehen aus einem Kreisbogen, der an der Zahnflanke eine konvexe Krümmung besitzt und dessen äußerster Punkt eine radiale Tangente aufweist, 15 bis 3p Prozent der Zahnhöhe bestehen aus einem Kreisbogen konkaver Flankenkrümmung, wobei der Radius derart optimiert wurde, daß die gesamte Zahnflanke des Hauptrotors kantenfrei bleibt und wanderpunkterzeugt ist,

4o bis 7o Prozent der Zehnhöhe sind Hüllkurve zu einem am Hauptrotor angeordneten Sllipsenteilstück, dessen Mittelpunkt sich auf dem Teilkreis des Hauptrotors befindet, 1 bis 4 Prozent der Zahnhöhe bestehen aus einem Kreisbogen mit dem Mittelpunkt auf dem Nebenrotorteilkreis.

Die zweite Zahnflanke dieser besonderen Ausführung ist beginnend am radial äußersten Punkt vorteilhaft in folgender Weise optimal ausgeführt:

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■ι

4 bis 11 Prozent der Zahnhöhe, außerhalb des Nebenrotorteilkreises liegend, sind Teilstück einer Epizykloide, ddren dazugehörige Hüllkurve am Hauptrotor eine kantenfieie Gegenffanke liefert,

5 bis 12 Prozent der Zahnhöhe sind daran anschließend Teilstück einer Evolvente, deren Grundkreis innerhalb des Nebenrotorteilkreises liegt und der sich die Konchoide innerhalb des Teilkreises anschließt,

7o bis 9o Prozent der Zahnhöhe sind Teilstück der Konchoide des Kreises, der den Nebenrotorteilkreis von außen tangiert und dessen Durchmesser so berechnet wurde, daß Konchoidenteilstück und Evolvententeilstück mit radialer Tangente aneinander anschließen,

1 bis 4 Prozent der Zahnhöhe sind als Kreisbogen mit dem Mittelpunkt auf dem Nebenrotorteilkreis ausgebildet.

Eine vorteilhafte Spielverteilung ergibt sich, wenn man die theoretische Zahnflankenkontur des Hauptrotors beibehält und die spielfreie theoretische Zahnflankenkontur des Nebenrotors gemäß der Gleichung

^Sf ^{= S}k ^^sin Y ⁺ ^cos T" * ^⁸¹¹ °^

korrigiert, wobeijp der Profilsteigungswinkel am Teilkreis und ^ die Richtung der Korrekturverschiebung ist.

Das erfindungsgemäße Profil besitzt im Bereich der gesamten radialen Erstreckung der 1. und 2. Nebenrotorzahnflanke keine punkterzeugten Konturteile. Das Nebenrotor-Profil ist im gesamten Plankenbereich kantenfrei. Der Hauptrotorzahn ist nur in einem sehr begrenzten Teil des Dedendums mit Rücksicht auf eine kleine Blasspaltfläche punkterzeugt und weist keine am Nebenrotorzahn abdichtenden Kanten auf.

Das Dedendum ist der innerhalb des Hauptrotor-Teilkreises gelegene Flankenteil, der mit dem Addendum des Nebenrotorzahnes zusamiaenkämmt.

Das Profil gemäß der Erfindung stellt eine optimale Kombination dar, da es vorteilhafte technische und technologische Eigenschaften vereinigt.

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Der LLefergrad n"d Wirkungsgrad werden verbessert durch die günstige Form der Kontaktlinie ζ v/i sehen den Rotoren und durch Verkleinerung des Blasspaltes der ersten Zahnflanke des Nebenrotors innerhalb des Nebenrotorteilkreises im Zahneingriff und durch Verkleinerung des Blasspaltes, die durch die Gestaltung der ersten Zahnflanke des Nebenrotors im Bereich des Addendums erreicht wird.

Die Kraftübertragungs- und Schmierverhältnisse in der Nähe des Teilkreises werden infolge der Evolventenprofilform verbessert, so daß dieses Profil im Bereich der Kraftübertragung Eigenschaften eines schrägverzahnten Zahnrades aufweist und für den Nebenrotorantrieb in vorteilhafter Weise geeignet ist. Das Profil ist unempfindlich gegenüber Profilflankenbeschädigungen, da bei Beschädigungen nur punktförmige momentane Unterbrechungen an der Kontaktlinie der Rotoren auftreten. Das Profil besitzt einen gegenüber dem symmetrischen Kreisbogenprofil um etwa 3 Prozent höheren Volumenausnutzungsgrad. Die Fräsmesserform zum Fräsen der Zahnlücken im Einzelfräsverfahren ist dahingehend verbessert, daß die Steigung 4^ an den Zahnflanken des Nebenrotors im Bereich der größten Messerbreite und des Hauptrotors im Bereich der kleinsten Messerbreite vergrößert wird, so daß sich die Anzahl der möglichen Schtrfschliffe der Fräsmesser beim Konturschleifen um mehr als das Dreifache erhöht.

Ausführungsbeispiel

Fig. 1t Ein Schnitt eines Schraubenrotorprofiles senkrecht zu den Drehachsen von Haupt- und Nebenrotor

Fig. 2t Eine Kontaktlinie zwischen den Rotoren.

Fig. 1 stellt eine Nut des Nebenrotors 13 und den mit ihr im Eingriff befindlichen Zahn des Hauptrotors 14 in einem Schnitt senkrecht zu den Rotordrehachsen dar. Die Nut des Nebenrotors enthält folgende Profilabschnittet Zykloide 1, Evolvente 2 mit ihrem Grundkreis innerhalb des Teilkreises 1o, Konchoide 3 eines außerhalb des Teilkreises 1o liegenden Kreises, Kreisbogen 4 mit Mittelpunkt auf dem Teilkreis 1o, Hüllkurve 5 zu einer am

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Hauptrotorzahn angeordneten Ellipse mit Mittelpunkt auf dem Hauptrotorteilkreis 11, Kreisbogen 6 mit Konkaver Krümmung, Kreisbogen 7 mit konvexer Krümmung. Die Form des Hauptrotorzahnes besteht aus den entsprechenden konjugierten Profilabschnitten.

In Fig. 2 ist die Projektion der theoretischen Kontaktlinie der Rotoren längs der Rotordrehachsen dargestellt. Die Achsenebene 12 und die Verschneidungslinie 9 dar die Rotoren aufnehmenden Gehäusebohrungen sind eingezeichnet.

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Claims

Patentanspruch

1. Rotorpaar für eine Schraubenrotormaschine, vorzugsweise zum Komprimieren eines kompressiblen Arbeitsmediums mit einem Hauptrotor mit vier Zähnen, dessen Kämme und Nuten im wesentlichen außerhalb des Teilkreises angeordnet sind und die Kämme im wesentlichen eine konvexe Form aufweisen; und mit einem Nebenrotor mit sechs Zähnen, dessen Kämme und Nuten im wesentlichen innerhalb des Teilkreises angeordnet sind und weitestgehend eine konkave Form aufweisen, wobei die im Eingriff stehenden Rotorzahnteile mit ihren Zahnlückenräumen v-förmige Arbeitskamiuern bilden und jeder Nutteil des Nebenrotors, der jeweils einen Schenkel einer v-förmigen Arbeitskammer bildet, eine erste hintere Zahnflanke besitzt, die der hochdruckseitigen Gehäusestirnwand zugewandt ist und eine vordere zweite Flanke besitzt, die der nie&erdruckseitigen Gehäusestirnwand zugewandt ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Normalschnitt zu der Rotordrehachse an der ersten Zahnflanke des Nebenrotors eine optimierte Kombination mehrerer Kurventeile an einem Kurvenpunkt außerhalb des Teilkreises beginnend angeordnet ist, die aus einem Evolventenstück besteht, das bis zu einem Kurvenpunkt innerhalb des Teilkreises, nahe an diesem gelegen, führt, dem sich ein Kreisbogen mit konvexer Flankenform anschließt, dem ein Kreisbogen mit konkaver Flankenkrümmung folgt, daran anschließend ist eine Hüllkurve zu einem Ellipsenstück des Hauptrotors angeordnet, dessen Ellipsenmittelpunkt auf dem Teilkreis des Hauptrotors liegt und dieser Hüllkurve ein Kreisbogen folgt, der den radial innersten Flankenbereich der ersten Zahnflanke bildet und dessen Mittelpunkt auf

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ORIGINAL INSPECTH)

dem Teilkreis des Nebenrotors liegt und an der zweiten Zahnflanke von einem innerhalb des Teilkreises nahe am Teilkreis liegenden Punkt beginnend eine optimierte Kombination mehrerer Kurventeile in einem Norm alschnitt zu der Rotordrehachse angeordnet ist, beginnend mit einem Teilstück einer Konchoide des Kreises, die den wesentlichen Konturteil ausmacht und der sich der radial innerste Plankenteil anschließt, der als Kreisbögen mit dem Mittelpunkt auf dem Teilkreis des Nebenrotors ausgebildet ist, wobei die einzelnen Kurvenstücke der ersten und zweiten Nebenrotorzahnflanke knickfrei ineinander übergehen und die Hauptrotorzahnflanken die entsprelienden konjugierten Profile oder auch Hüllkurven sind.

2. Rotorpaar für eine Schraubenrotormaschine nach Anspruch in einer optimierten Ausführung mit einem außerhalb des Teilkreises gelegenen Zahnkopf, dem Addendum, dessen Höhe 4 bis 6 Prozent des halben Rotoraußendurchmessers ausmacht, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil der ersten Zahnflanke aus 5 bis 1o Prozent radialer Erstreckung, die als Zahnhöhe bezeichnete wird, als Teilstück einer Epizykloide, deren Hüllkiirve am Hauptrotor kantenfrei ist,

6 bis 12 Prozent der Zahnhöhe als Teilstück einer Evolvente, deren Grundkreis innerhalb des NebenKötorteilkreises liegt,

2 bis 6 Prozent der Zahnhöhe als Kreisbogenstück, das an der Zahnflanke eine konvexe Krümmung aufweist und dessen äußerster Punkt eine radiale Tangente besitzt, 15 bis 3o Prozent der Zahnhöhe als Kreisbogen konkaver Flankenkrümmung mit optimiertem Radius, derart, daß die gesamte Zahnflanke des Hauptrotors wanderpunkterzeugt ist, 4-0 bis 7o Prozent der Zahnhöhe als Hüllkurve zum Bllipsenteilstück und 1 bis 4 Prozent der Zahnhöhe als Kreisbogen ausgeführt, besteht und daß an der zweiten Zahnflanke außerhalb des Teilkreises

4 bis 11 Prozent der Zahnhöhe als Teilstück einer Epizykloide, deren dazugehörige Hüllkurve am Hauptrotor eine kantenfreie Gegenflanke liefert,

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5 bis 12 Prozent der Zahnhöhe als Teilstück einer Evolvente, dessen radial äußerster Punkt außerhalb des Teilkreises liegt und der Grundkreis der Evolvente innerhalb des Nebenrotorteilkreises liegt, daran anschließend in optimierter Kombination

7o bis 9o Prozent der Zahnhöhe als Teilstück der Konchoide des Kreises, der den Nebenrotorteilkreis von aus- sen tangiert und dessen Durchmesser so ausgeführt ist, daß KonchoidentdLlstück und Evolvententeilstück mit radialer Tangente aneinander anschließen und 1 bis 4· Prozent der Zahnhöhe als Kreisbogen ausgeführt ist.

3· Rotorpaar für eine Schraubenrotormaschine nach Anspruch und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiel zwischen den Evolvententeilen der Haupt- und Hebenrotorzahnflanken gegenüber den übrigen Flankenspielen minimiert ist.

4. Rotorpaar für eine Schraubenrotormaschine nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die theoretische Spielverteilung der Gleichung 1 folgt.

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