DE1428270B2 - Schraubenverdichter mit im Kämmeingriff rotierenden Schraubenrotoren - Google Patents

Description

laß öffnet, ist der Druck in einem Teil der Kammer höher und in anderen Teilen der Kammer niedriger als im Hochdruckauslaß. Der Strömungsverlauf zwischen der Verdichtungskammer und dem Hochdruckauslaß ist deshalb in den Abschnitten der Nut bzw. des Rippenzwischenraums, in denen gegenüber dem Hochdruckauslaß Überdruck besteht zum Auslaß hin gerichtet, während er in den Abschnitten, in denen ein niedrigerer Druck als im Auslaß besteht, die umgekehrte Richtung hat. Diese Richtungsunterschiede bewirken eine ungleichmäßige Druckverteilung in der Auslaßöffnung selbst, was Verwirbelungen und Lärmbildung zur Folge hat. Die Änderung der Strömungsbedingung in der Verdichtungskammer infolge des Druckausgleichs erfolgt selbstverständlich während der fortlaufenden Drehung der Rotoren und kehrt nach jeder Teildrehung derselben um die Rippen bzw. Nutenteilung der Rotoren periodisch wieder, was sich in einer Schwingung auswirkt, deren Frequenz mit der Öffnungsfrequenz der V-förmigen Verdichtungskammern zum Hochdruckauslaß übereinstimmt und somit von dem Produkt aus Rotordrehzahl und Anzahl der Rippen bzw. Nuten bestimmt ist.

Die beim öffnen der V-förmigen Verdichtungskammern zum Hochdruckauslaß entstehenden unterschiedlich gerichteten Strömungen rufen einen plötzlichen Abfall des Antriebsdrehmoments für die Rotoren hervor, da das Ausströmen des Arbeitsmediums aus der Zone des Druckaufbaus bei der plötzlichen Vergrößerung des Ausströmquerschnitts erleichtert wird, so daß sich der Initialdruck verringert und sich der Druck insbesondere an den vorauseilenden Nut- bzw. Rippenflanken vergrößert. Die auf diese Weise erzeugten Veränderungen im Antriebsdrehmoment sind so groß, daß sie unter bestimmten Bedingungen zu einer Richtungsänderung des treibenden Moments am Nutenrotor führen können. Das treibende Moment am Nutenrotor beträgt normalerweise nur einen Bruchteil des treibenden Moments am Rippenrotor. Dies bedeutet, daß sich die Kraftrichtung an den zwischen den Rotoren wirksamen Antriebselementen umkehrt, was zu deutlich wahrnehmbaren Schwingungen des Nutenrotors führt.

Wenn diese Drehmomentübertragung zwischen den Rippen- und Nutflanken unmittelbar erfolgt, hat dies eine beträchtliche Vergrößerung der Flankenabnutzung zur Folge. Wird dagegen das Drehmoment durch Synchronisierzahnräder übertragen, dann kann diese Schwingung innerhalb des Nutenrotors, insbesondere an dem das Synchronisierrad tragenden Wellenende sekundäre Schwingungen in Form von Drehschwingungen mit so hoher Amplitude erzeugen, daß es zur unmittelbaren Berührung zwischen den Flanken der Rotoren kommt und zu einer vollständigen Zerstörung derselben trotz der Synchronisierzahnräder führt.

Untersuchungen haben ergeben, daß die vorerwähnten Schwingungen weitgehend vermindert oder vermieden werden können, wenn das gesamte Antriebsmoment der Maschine in einem bestimmten Verhältnis auf den Schraubenrippenrotor und den Schraubennutenrotor verteilt wird. Durch Analyse der Frequenzen des im Auslaßkanal eines Schraubenverdichters der eingangs genannten Art infolge von Druckschwingungen entstehenden Lärms, der eine Lautstärke von etwa 150 dB betrifft, ließ sich feststellen, daß der Lärm größtenteils eine Frequenz aufweist, die der Anzahl der je Zeiteinheit entleerten V-förmigen Verdichtungskammern, d. h. also dem Produkt aus der Rotordrehzahl und der Rippen- bzw. Nutenanzahl dieses Rotors entspricht, oder aber Frequenzen der harmonischen Oberschwingungen hierzu, was zur "> Folge hat, daß die in der Auslaßöffnung erzeugten Druckänderungen von beachtlicher Größe sind.

Bei einem bei der Untersuchung von der Anmelderin benutzten (nicht durch eine Druckschrift bekannten) Standardprofil hatten die beiden Schraubenroto-H) ren denselben Außendurchmesser, der Rippenrotor war mit vier Rippen und der Nutenrotor mit sechs Nuten versehen. Jede Nut des Nutenrotors bestand, in einer Querschnittsebene betrachtet, aus einem radial inneren Teil, der durch den Rotorteilkreis und einen Kreisbogen begrenzt war, dessen Mittelpunkt auf dem Teilkreis lag und dessen Radius 18% des Außendurchmessers des Rotors betrug, und aus einem äußeren Teil, der durch den Kopfkreis und den Teilkreis des Rotors sowie durch die Flanken der außerhalb des Teilkreises liegenden Ansätze an den Nutenstegen bestimmt war, wobei diese Ansätze eine radiale Erstreckung entsprechend 14,3% der Sehnenlänge desjenigen Teilkreisabschnittes aufwiesen, der von den Flanken eines solchen Nutenstegs begrenzt ist.

Mit diesem Standardprofil wurde theoretisch etwa 6,7% des Gesamtdrehmoments auf den Nutenrotor übertragen, was wegen des Übersetzungsverhältnisses zwischen den Rotoren bedeutete, daß das vom Nutenrotor aufgenommene Drehmoment etwa 11% der Größe des vom Rippenrotor aufgenommenen Drehmoments betrug. Durch Vergrößerung der radialen Erstreckung des Nutenrotors konnte dessen Drehmomentaufnahme vergrößert werden, so daß z. B. bei einer Vergrößerung der vorerwähnten Sehnenlänge auf 20% etwa 9,5% mehr an Drehmoment zum Nutenrotor hin übertragen wurde, so daß sich dessen Drehmomentaufnahme auf 17% der Drehmomentaufnahme des Rippenrotors vergrößerte. Gleichzeitig stieg das Verdrängungsvolumen der Maschine um etwa 3,5%, was ebenfalls als günstig anzusehen ist. Eine Vergrößerung der radialen Erstreckung der Ansätze an den Nutenstegen führt jedoch letztlich zu unerwünschten Auswirkungen. Der Größe dieser radialen Erstreckung sind Grenzen gesetzt, und nur in besonderen Anwendungsfällen ist es vertretbar, die Ansätze an den Nutenstegen kreisbogenförmig auszuführen, so daß die radiale Erstreckung der Ansätze 50% der vorerwähnten Sehnenlänge beträgt (siehe z. B. die Darstellung des Profils für den Schraubennutenrotor in der DE-PS 934605) und fast 24% des Drehmoments auf den Nutenrotor übertragen wird, dessen Drehmoment etwa 46% des vom Rippenrotor aufgenommenen Drehmoments beträgt. Die Ursache für diese Begrenzung liegt u. a. darin, daß der Leckspalt zwischen zwei angrenzenden V-förmigen Verdichtungskammern an der Eingriffsstelle infolge dieser großen radialen Zugabe zu groß im Verhältnis zum Volumen dieser Kammer wird. Die Strömung durch diesen Leckspalt hat deshalb zur Folge, daß der Druck

bo in allen V-förmigen Verdichtungskammern etwa gleich dem Druck im Hochdruckauslaß der Maschine wird, was zu einer beachtlichen Verminderung des Wirkungsgrads der Maschine führt. Weiterhin bringt die Vergrößerung des Drehmomentanteils des Nuten-

6<5 rotors ein Anwachsen der Rotorabnutzung, insbesondere bei Maschinen ohne Synchronisiergetriebe mit sich. Untersuchungen haben gezeigt, daß ein vollständig kreisbogenförmiger Profilansatz, wie er bei den

bekannten Maschinen der eingangs genannten Art vorhanden ist, eine derart beträchtliche Verringerung des Wirkungsgrades zur Folge hat, daß seine allgemeine Verwendbarkeit in der Praxis ausscheidet, er auch bei der Erfindung ausgeschlossen sein soll und er höchstens nur noch bei speziellen Maschinen anwendbar ist, bei denen durch sonstige Kombinationseffekte erreichbare Vorteile die unvermeidliche Verringerung des Wirkungsgrads wieder ausgleichen. Dies ist beispielsweise bei der ersten Stufe eines zwei- n» stufigen Verdichters (s. die US-PS 2 975 963) der Fall, bei welchem durch die Ansätze in der ersten Stufe bei im übrigen gleichen Rotorprofilen und gleicher Steigung der Schraubengänge ein derart günstiger Unterschied in den Verdrängungsvolumina der beiden Stufen ermöglicht wird, daß sich eine vorteilhafte Druckverteilung zwischen den beiden Stufen einstellt, die die Frage des Wirkungsgrades in den Hintergrund treten läßt.

Bei Maschinen mit Synchronisiergetriebe kommt 2» hinzu, daß eine Vergrößerung des vom Nutenrotor aufgenommenen Drehmomentanteils gleichbedeutend ist mit einer Vergrößerung des vom Synchronisiergetriebe zu übertragenden Drehmoments, wodurch sich auch die Torsionsbeanspruchung der die Synchronisierzahnräder tragenden Wellen vergrößert und die Gefahr des Direkteingriffs der Rotorflanken und deren Zerstörung wächst.

Aufgabe der Erfindung ist es, das weiter oben erwähnte, im wesentlichen von Druckschwankungen im Hochdruckauslaß herrührende Schwingungsproblem durch entsprechende Gestaltung der Rotoren zu lösen. Dazu wird bei einem Schraubenverdichter der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß beim Nutenrotor der innerhalb des Teilkreises liegende Abschnitte des Nutenprofils aus einem Kreisbogen besteht, dessen Mittelpunkt auf dem Teilkreis liegt und dessen Radius mit etwa 18,7% des Außendurchmessers dieses Rotors bemessen ist, und daß jeder Ansatz an den Stegen des Nutenrotors eine radiale Erstreckung hat, die 20 bis 30%, vorzugsweise etwa 25%, der Sehnenlänge des durch die anschließenden Nutflanken begrenzten Teilkreisabschnitts beträgt.

Mit einer solchen Bemessung des Nutenrotors wird dessen Drehmomentaufnahme gegenüber dem weiter oben erwähnten Standardprofil um 40 bis 110% vergrößert und es ergibt sich ferner eine Maximalvergrößerung des Leckquerschnitts um etwa 33%.

Optimale Verhältnisse stellen sich mit einer radia- w len Erstreckung der Ansätze an den Nutenstegen von 25% der Sehenlänge ein, wobei sich die Drehmomentaufnahme um 75% erhöht, während die Vergrößerung des Leckquerschnitts unterhalb 25% gegenüber den Verhältnissen bei obengenanntem Standardprofil bewegt. Durch die Erfindung wird vor allem die Gefahr von Schwingungen bei einer Vergrößerung des eingebauten Druckverhältnisses vermindert.

Praktische Erfahrungen haben ergeben, daß (,ο Schraubenverdichter mit Standardprofilen der weiter oben erwähnten Art und einem eingebauten Druckverhältnis von etwa 7:1 vollständig schwingungsfrei arbeiten, was auf einem sehr wichtigen Anwendungsgebiet ausgenutzt wird, nämlich zur Erzeugung von _b5 Druckluft für pneumatische Werkzeuge od. dgl., die für gewöhnlich mit einem Druck von 7 kp/cm² arbeiten. Zur Verdichtung von Gasen, die nicht durch Flüs-

jo

J5

40

45 sigkeit verunreinigt sein dürfen, werden trockenlaufende Schraubenverdichter, d. h. solche ohne Einspritzung von Kühlflüssigkeit verwendet. Bei solchen Maschinen liegt die obere Grenze des eingebauten Druckverhältnisses normalerweise bei etwa 5:1, was durch die thermischen Verwerfungen der Rotoren und des Gehäuses bedingt ist. Wenn Schraubenverdichter für die Verdichtung von Kältemitteln, insbesondere bei Luftbefeuchtungsanlagen, verwendet werden, beträgt mit Rücksicht auf die gewünschte Verdichtungsund Verdampfungstemperatur als eingebautes Druckverhältnis normalerweise etwa 3:1 und überschreitet niemals 5:1.

Untersuchungen haben bestätigt, daß durch die erfindungsgemäße Bemessung der Rotorprofile, vor allem des Profils des Nutenrotors, es möglich ist, die Entstehung schädlicher Schwingungen im Nutenrotor auch bei eingebauten Druckverhältnissen unter 5:1 zu verhindern und dabei die Verteilung des Drehmoments zwischen den Rotoren in solcher Weise vorzunehmen, daß die Drehmomentaufnahme des Nutenrotors proportional zunimmt. Bei Maschinen mit öleinspritzung in den Arbeitsraum bringt das den , weiteren Vorteil, daß das Drehmoment zwischen den ⁽ Rotoren durch unmittelbare Berührung der Rippen- und Nutenflanken übertragen werden kann. Dadurch entfällt das Synchronisiergetriebe, und somit auch die schwierige Einstellung der Getriebezahnräder zu den Rotoren.

Es kann sogar aus entsprechenden Zeichnungsfiguren einer Schraubenrotoren mit den eingangs genannten Merkmalen zeigender Druckschrift (der FR-PS 1304211) herausgemessen werden, daß am niederdruckseitigen Ende beim Nutenrotor der Radius des den Nutquerschnitt hauptsächlich bestimmenden Kreisbogens etwa 17,9 bis 18,3% des Außendurchmessers dieses Rotors betragen könnte, und daß jeder Ansatz an den Stegen zwischen den Nuten eine radiale Erstreckung haben könnte, die etwa 24,6 bis 25,4% der Sehnenlänge des durch die anschließenden Nutflanken bestimmten Teilkreisabschnitts, also der Stegdicke in diesem Bereich beträgt. Im übrigen sind bezüglich der Form der Ansätze an den Stegen merkliche zeichnerische Ungenauigkeiten nicht zu übersehen. In der Beschreibung der besagten PS ist bezüglich der Bemessung der Nutkreisradien und der radialen Erstreckung der über den Teilkreis des Nutenrotors hinausragenden Ansätze an den Nutstegen nichts erwähnt. Damit ist auch über den Sinn und Zweck der o. a. nur aus bestimmten Zeichnungsfiguren der Druckschrift herausmeßbaren Proportionen am Nutenrotor aus der Druckschrift nichts zu entnehmen. Es bleibt zweifelhaft, ob die in der Zeichnung dargestellten Schraubenprofile sich überhaupt auf in der Praxis verwendete Profile beziehen sollen oder nur zufällig und willkürlich so dargestellt sind.

Weitere Ausgestaltungen und Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel mit Variationsmöglichkeiten bezüglich der Verwendung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen senkrechten Längsschnitt durch einen Schraubenverdichter mit Synchronisiergetriebe entlang der Linie 1-1 in Fig. 2,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den in Fig. 1 gezeigten Verdichter entlang der Linie 2-2 in Fig. 1, Fig. 3 einen Querschnitt an anderer Stelle entlang

der Linie 3-3 in Fig. 1,

Fig. 4 einen Horizontalschnitt durch einen Teil des Verdichtergehäuses entlang der Linie 4-4 in Fig. 1,

Fig. 5 in einem Diagramm den Verlauf des Volumens einer V-förmigen Verdichtungskammer beim öffnen gegen den Hochdruckauslaß, aufgetragen über dessen axiale Erstreckung,

Fig. 6 eine Stirnansicht von zwei miteinander kämmenden Schraubenrotoren nach der Erfindung, wie sie beispielsweise im Schraubenverdichter nach Fig. 1 bis 4 eingebaut sind,

Fig. 6a in größerer Darstellung das Profil eines Nutenstegs des Nutenrotors mit außerhalb des Teilkreises liegendem Profilansatz,

Fig. 6b in gleicher Größe die innerhalb des Teilkreises liegende Profilaussparung in der achsnahen Zone des Rippenrotors,

Fig. 7 einen Längsschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform eines zur Verwendung des Rotoren nach Fig. 6 bis 6b geeigneten Schraubenverdichters ohne Synchronisiergetriebe und

Fig. 8 einen Längsschnitt durch eine Abwandlung des Verdichters nach Fig. 7 mit Oleinspritzvorrichtung.

Der in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Schraubenverdichter hat ein Gehäuse 10 mit einem Arbeitsraum 12 in Gestalt zweier ineinander schneidender zylindrischer Bohrungen mit parallelen Achsen. Das Gehäuse 10 ist mit einem Niedruckstutzen 14 und einem Hochdruckstutzen 16 für das zu verdichtende Arbeitsmedium versehen, die mit dem Arbeitsraum 12 über eine Niederdruckeinlaßöffnung 18 bzw. eine Hochdruckauslaßöffnung 20 in Verbindung stehen.

Bei dem gezeigten Schraubenverdichter liegt die Einlaßöffnung 18 vollständig in der Niederdruckstirnwand 22 des Gehäuses und zum größten Teil auf der Oberseite einer die Achsen der Gehäusebohrungen enthaltenden Horizontalebene (Fig. 2). Die Auslaßöffnung 20 liegt mit einem Teil in der Hochdruckstirnwand 24 und mit dem anderen Teil in der Mantelwand 26 des Gehäuses vollständig auf der der Einlaßöffnung entgegengesetzten unteren Seite der vorerwähnten Horizontalebene (Fig. 3 und 4).

Der Arbeitsraum 12 nimmt zwei im Kämmeingriff drehbare Rotoren, mämlich einen Schraubenrippenrotor 28 und einen Schraubennutenrotor 30 auf, deren Achsen mit den Achsen der Gehäusebohrungen paarweise zusammenfallen. Die Rotoren 28, 30 sind im Gehäuse 10 gelagert und miteinander durch ein Synchronisiergetriebe 32 verbunden. Der Rippenrotor 28 trägt eine aus dem Gehäuse 10 herausragende Antriebswelle 34.

Der Rippenrotor 28 weist vier schraubenförmige Rippen 36 auf, deren Umschlingungswinkel etwa 300° beträgt und zwischen denen Zischenräume 38 gebildet sind. Der Nutenrotor 30 enthält sechs schraubenförmige Nuten 42 mit dazwischen verbliebenen Stegen 40, deren Umschlingungswinkel etwa 200° beträgt. Wie Fig. 6 zeigt, setzen sich die Flankenprofile der Rippen 36 aus drei Abschnitten zusammen, und zwar

a) aus einem Außenabschnitt zwischen den Punkten 44 und 46, der bei vollem Eingriff einer Rippe 36 in eine Nut 42 des Nutenrotors innerhalb des Teilkreises 48 jenes Rotors liegt und im wesentlichen um einen auf dem Teilkreis 50 des Rippenrotors liegenden Mittelpunkt mit einem Radius von 18,7% des Außendurchmessers des Rippenrotors kreisbogenförmig gestaltet ist,

b) aus einem Zwischenabschnitt zwischen den Punkten 46 und 52, der zwischen dem vorgenannten Außenabschnitt und dem Teilkreis 50

·"' liegt und durch einen auf dem Teilkreis 48 des

Nutenrotors und auf der Flanke der Nut 42 dieses Rotors liegenden Punkt 54 bestimmt ist, und

c) aus einem Innenabschnitt zwischen den Punkten 52 und 56, der innerhalb des Teilkreises 50 liegt.

ι» (Die Gestaltung dieses Innenabschnitts wird

später erläutert.)

Die Flankenprofile der Nuten 42 des Nutenrotors sind entsprechend aus zwei Abschnitten zusammengesetzt, und zwar

d) aus einem Innenabschnitt zwischen den Punkten 58 und 54, der innerhalb des Teilkreises 48 liegt und kreisbogenförmig um einen auf diesem Teilkreis befindlichen Mittelpunkt mit einem Radius von 18,7% des Außendurchmessers des Nutenrotors verläuft, und

e) aus einem Außenabschnitt zwischen den Punkten 54 und 60, der außerhalb des Teilkreises 48 mit einer radialen Erstreckung liegt, deren durch die Punkte 60 und 62 begrenzte Größe 25,5% der Sehnenlänge des Abschnitts des Teilkreises 48 beträgt, der innerhalb des Nutenstegs 40 liegt und dessen einer Endpunkt der Punkt 54 und dessen anderer Endpunkt der Schnittpunkt 64 der nächsten Nut mit dem Teilkreis 48 ist.
jo Der zwischen den Punkten 52 und 56 gelegene Innenabschnitt der Rippenflanke des Rotors 28 ist derart gestaltet, daß er fortlaufend gegen den zwischen den Punkten 54 und 60 gelegenen Außenteil der Nutflanke des Nutenrotors abdichtet, wenn dieser in die Jj innerhalb des Teilkreises 50 gelegene Aussparung des Rippenrotors 28 eintritt bzw. aus dieser austritt.

Um ein geringes Spiel zwischen den Scheitelpunkten 44, 60 der Rotorrippen bzw. Nutenstege und der Mantelwandung 26 des Gehäuses 10 zu ermöglichen und die hierdurch bedingten Leckverluste klein zu halten, sind die achsfernen Zonen der Rotorrippen bzw. der Nutenstege so geformt, daß die Rippe 36 des Rippenrotors an beiden Seiten ihrer radial äußersten Stelle, am Scheitelpunkt 44, leicht abgeflacht ist, so daß nur eine dünne, gleichsam die Scheitellänge bildende Dichtleiste verbleibt, und in der Mitte des radial am weitesten außen liegenden Teils (Punkt 60) bzw. der achsfernen Zone des Ansatzes am Nutensteg 40 des Nutenrotors 30 ebenfalls eine dünne Dichtleiste ausgebildet ist. An der achsnächsten Stelle der Aussparung des Rippenrotors 28, nämlich am Punkt 56 in der Mitte der Aussparung ist eine der Dichtleiste 60 entsprechende Nut eingearbeitet.

Die Einlaßöffnung 18 ist so angeordnet und gestaltet, daß die damit in Verbindung stehenden Rippenzwischenräume und Nuten über ihre gesamte Länge offen sind, bevor die Verbindung unterbrochen wird, so daß das vollständige Verdrängungsvolumen der Maschine immer nutzbar ist. Die Hochdruckauslaßbo öffnung 20, die wie oben erwähnt, einen in der Hochdruckstirnwand 24 liegenden Teil und einen in der Mantelwandung 26 liegenden Teil aufweist, ist demgegenüber derart ausgebildet, daß die Rippenzwischenräume und Nuten der Rotoren, wenn sie anfanb5 gen, sich zur Auslaßöffnung 20 zu öffnen, ein beachtlich kleineres Volumen haben als bei der Abtrennung vom Niedruckeinlaß. Die Auslaßöffnung 20 ist ferner so gestaltet, daß ihre Kanten sowohl in der

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Gehäusemantelwandung 26 als auch in der Hochdruckstirnwand 24 im wesentlichen gleichsam parallel zu den Flanken der Rippen bzw. Nuten in derjenigen Stellung verlaufen, in der die Nuten bzw. Rippenzwischenräume zur Hochdruckauslaßöffnung 20 öffnen. Für die Bestimmung der Größe der Hochdruckauslaßöffnung 20 ist hauptsächlich die Lage des Punktes 66 (Fig. 4) maßgebend, bei dem die Endkante der gegen die achsferne Zone bzw. die Scheitellinie der Rippe 36 des Rippenrotors 28 dichtenden Mantelwand die Verschneidungskante zwischen den beiden Bohrungen des Arbeitsraums 12 kreuzt. D. h. der maßgebende Faktor ist der Abstand des Punktes 66 von der Niederdruckstirnwand des Gehäuses wie dies das Diagramm nach Fig. 5 zeigt, in dem das Volumen einer sich öffnenden V-förmigen Verdichtungskammer in Prozenten als Funktion des Abstandes des Punktes 66 von der Niederdruckstirnwand, ausgedrückt in Prozenten des Gesamtabstandes zwischen der Niederdruck- und Hochdrucktirnwand des Arbeitsraumes 12, dargestellt ist.

Das Verhältnis des Gesamtvolumens der Rippenzwischenräume und Nuten zum Volumen der V-förmigen Verdichtungkammer im Zeitpunkt der Öffnung zur Hochdruckauslaßöffnung stellt das sog. »eingebaute Volumenverhältnis« ε der Maschine dar. Der mittlere Druck in der V-förmigen Verdichtungskammer im Zeitpunkt der Öffnung zur Auslaßöffnung kann mittels des eingebauten Volumenverhältnisses und bereits eingangs erwähnten Wert κ für das verwendete Fördermedium errechnet werden. Das Verhältnis zwischen dem mittleren Druck in der V-förmigen Verdichtungskammer im Zeitpunkt der öffnung zur Hochdruckauslaßöffnung 20 und dem Druck im Rippenzwischenraum und in der Nut, wenn diese vollständig mit Arbeitsmittel während der Verbindung zum Niederdruckeinlaßöffnung angefüllt sind, errechnet sich als das sog. eingebaute Druckverhältnis π₍. nach der Formel π, = ε*.

Zur Arbeitsweise des in den Fig. 1 bis 6 dargestellten Schraubenverdichters wird nachfolgendes bemerkt:

Wenn die Rotoren 28, 30 von einem (nicht gezeigten) Antriebsmotor über die Antriebswelle 34 angetrieben werden, werden deren zur Einlaßöffnung 18 offene Rippenzwischenräume 38 und Nuten 42 über ihre gesamte Länge von Fördermedium anfüllt, das durch den Niederdruckstutzen 14 einströmend in den Arbeitsraum 12 gesaugt wird. Wenn beim Kämmeingriff der Rotoren ein Steg 40 des Nutenrotors in einem Rippenzwischenraum 18 des Rippenrotors und eine Rippe 36 des letzteren in eine Nut 42 des ersteren eintreten, wird wie schon weiter oben geschildert, in der dann gebildeten V-förmigen Verdichtungskammer das Volumen des eingeschlossenen Fördermediums während der Weiterdrehung der Rotoren fortlaufend verringert, solange diese Kammer sowohl gegen die Auslaßöffnung 20 als auch gegen die Einlaßöffnung 18 abgeschlossen ist; wobei der Druck in dieser Verdichtungskammer sich vergrößert. Durch die Drehung der Rotoren wird dem in einer V-förmigen Verdichtungskammer eingeschlossenen Fördermedium eine zusammengesetzte Axial- und Umfangsbewegung erteilt, wobei die Axialkomponente nahe dem Scheitel der Verdichtungskammer und die Umfangskomponente nahe der Basis dieser Kammer überwiegen. Die dadurch bedingte, weiter oben schon erwähnte, ungleichmäßige Druckverteilung innerhalb

der V-förmigen Kammer wird gleichmäßiger, je weiter sich die Rotoren drehen und die Druckwelle beim Eingriff der Rippen und Nuten der Rotoren vom Scheitel zur Basis der V-förmigen Kammer übertragen wird.

Bei Förder- oder Arbeitsmedien, in denen die Schallgeschwindigkeit relativ hoch ist, erfolgt diese Druckübertragung schneller als bei Arbeitsmedien mit relativ geringer Schallgeschwindigkeit.

Wenn sich die V-förmige Verdichtungskammer zur Hochdruckauslaßöffnung 20 öffnet, ist die Druckverteilung innerhalb der Kammer doch immer noch so ungleichmäßig, daß der Druck in dem am Scheitel der Kammer angrenzenden Abschnitt höher ist als in dem sich zum Hochdruckauslaß öffnenden Abschnitt, während der Druck in den übrigen Abschnitten, die an die Hochdruckstirnwand angrenzen, niedriger ist als in der Hochdruckauslaßöffnung 20. Hierdruch entsteht in der Öffnungsphase ein Strömungsbild, das sich aus verschiedenen Teilströmungen in entgegengesetzten Richtungen zusammensetzt.

Infolge des hohen Drucks dicht am Scheitel der Verdichtungskammer und infolge der plötzlichen s~. Vergrößerung des Ausströmquerschitts entsteht eine \4 beträchtliche Strömung in diesem Teil des Hochdruckdurchlasses in Richtung von der Verdichtungskammer zum Hochdruckstutzen, wobei sich der Druck in diesem Teil der Kammer verringert, was eine unmittelbare Verminderung der Kraft, mit der die Rotoren auf das Arbeitsmittel einwirken, zur Folge hat. Gleichzeitig entsteht in demjenigen Teil der Hochdruckauslaßöffnung der näher an der Basis der V-förmigen Verdichtungskammer liegt, eine Strömung in Richtung vom Hochdruckstutzen zum Rippenzwischenraum bzw. der Rotornut, so daß sich der Druck darin schnell auf dieselbe Höhe wie im Hochdruckauslaß vergrößert. Hierdurch erhöht sich der Druck innerhalb der V-förmigen Verdichtungskammer insbesondere in der Nachbarschaft der vorauseilenden Rippen und Nutflanken, wodurch Kräfteimpulse entstehen, die versuchen, die Rotoren mit einer höheren als der normalen Drehzahl anzutreiben. Als Folge der unterschiedlichen Strömungsrichtungen wird eine schnelle Herabsetzung des zur Drehung der Rotoren erforderlichen Drehmoments erhalten, die wie schon erwähnt dazu führen kann, daß der Nutenrotor für einen Augenblick durch das Fördermedium angetrieben wird, falls es ein solches Profil besitzt, daß sein Drehmomentaufnahmevermögen unterhalb eines bestimmten Prozentsatzes des gesamten Antriebsdrehmoments liegt. Wenn die Rotoren ihre Drehung fortsetzen, wird dann der Druck im Rippenzwischenraum und der Rotornut schnell ausgeglichen mit Ausnahme der dicht an der Eingriffsstelle der Rotoren liegenden Zone, wo jedoch der Strömungsquerschnitt so groß ist, daß der Druck dort nicht überall die gleiche Höhe erreicht, wie sie auftritt, wenn die Eingriffsstelle noch durch die Mantelwand abgedeckt ist. Das Arbeitsmedium strömt auf diese Weise vom Arbeitsraum 12 durch die Hochdruckauslaßöffnung 20 zum Hochdruckstutzen 16 und von dort zum Verbraucher.

Aufgrund der vorbeschriebenen Strömungsverhältnisse ergibt sich die schon weiter oben geschilderte periodische Änderung der Drehmomentbelastung der Rotoren mit einer Frequenz, die wie erwähnt, von dem Produkt aus der Drehzahl der Rotoren und der Anzahl der Rotorrippen bzw. -nuten abhängig ist. Durch Gestaltung der Rotorprofile gemäß der Erfindung ist si-

chergestellt, daß das den Nutenrotor antreibende Drehmoment größer ist als die Drehmomentverringerung, die sich bei der Öffnung jeder V-förmigen Verdichtungskammer zur Hochdruckauslaßöffnung ergibt, wobei nahezu völlig vermieden ist, daß der Rotor zu diesem Zeitpunkt einer Beschleunigung ausgesetzt ist, die zu Rotorschwingungen führt.

Der in F i g. 7 gezeigte Verdichter unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 bis 4 nur dadurch, daß das die Rotoren verbindende Synchronisiergetriebe 32 weggelassen ist, so daß die Drehmomentübertragung zwischen den Rotoren durch direkten Eingriff der Rippen- und Nutflanken der Rotoren erfolgt. Das

dadurch einfacher ausgebildete Gehäuse ist mit 10a bezeichnet.

Bei der weiterhin abgewandelten Ausführungsform des Verdichters nach Fig. 8 ist das Gehäuse 10b mit Einspritzkanälen 68 für Druckflüssigkeit versehen, die von einer nicht dargestellten Druckflüssigkeitsquelle dicht an die Verschneidungslinie zwischen den Gehäusebohrungen auf der Seite der Hochdruckauslaßöffnung 20 zugeführt wird, wodurch einerseits eine verbesserte Kühlung und Dichtung innerhalb des Arbeitsraums erreicht und andererseits ein schmierender Flüssigkeitsfilm an den einander berührenden Rotorflanken erhalten wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schraubenverdichter mit in einem aus zwei einander schneidenden Bohrungen im wesentlichen gleichen Durchmessers gebildeten Arbeitsraum im Kämmeingriff rotierenden, aus einem Schraubenrippenrotor mit vier Rippen und einem Schraubennutzenrotor mit sechs Nuten bestehenden Schraubenrotoren, deren Rippen bzw. Nuten Umschlingwinkel von weniger als 360° C aufweisen, wobei die Rippen des Rippenrotors und die Nuten des Nutenrotors mit außerhalb bzw. innerhalb des zugehörigen Teilkreises liegenden, im wesentlichen kreisbogenförmigen Flanken versehen sind und die Stege zwischen den Nuten des Nutenrotors außerhalb des Teilkreises liegende radiale Ansätze und die Zwischenräume zwischen den Rippen des Rippenrotors entsprechende innerhalb des Teilkreises liegende radiale Aussparungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß beim Nutenrotor (30) innerhalb des Teilkreises (48) liegende Abschnitte des Nutprofils aus einem Kreisbogen besteht, dessen Mittelpunkt auf dem Teilkreis (48) liegt und dessen Radius mit etwa 18,7% des Außendurchmessers dieses Rotors (30) bemessen ist, und daß jeder Ansatz an den Stegen (40) des Nutenrotors (30) eine radiale Erstreckung hat, die 20 bis 30%, vorzugsweise etwa 25%, der Sehnenlänge des durch die anschließenden Nutflanken begrenzten Teilkreisabschnitts beträgt.

2. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (36) des Rippenrotors (28) beiderseits ihrer achsfernen Scheitellinien (durch Punkt 44) unter Ausbildung dünner Leisten diesen Scheitellinien leicht abgeflacht sind und daß in der Mitte der achsfernsten Zonen bzw. Außenflächen der Stege (40) zwischen den Nuten (42) des Nutenrotors (30), also unter den Scheitellinien- bzw. Punkten (60) der radialen Ansätze dieser Stege gleichfalls dünne Leisten vorhanden sind, zu denen die radialen Aussparungen zwischen den Rippen (36) des Rippenrotors (28) an den achsnächsten Stellen (56) mit entsprechenden Nuten vorsehen sind.

3. Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch entsprechende Bemessung und Gestaltung der Ein- und Auslaßöffnungen (18,20), insbesondere der Auslaßöffnung (20), am Arbeitsraum (12) der Schraubenrotoren (28, 30) das vorbestimmte Druckverhältnis für den Verdichter 5:1 beträgt, womit das Verhältnis zwischen dem Volumen beim Schließen der Einlaßöffnung (18) und dem Volumen beim öffnen der Auslaßöffnung (20) bei Förderung von Luft weniger als 3,15:1 beträgt.

Die Erfindung betriffte einen Schraubenverdichter mit in einem aus zwei einander schneidenden Bohrungen im wesentlichen gleichen Durchmessers gebildeten Arbeitsraum im Kämmeingriff rotierenden, aus einem Schraubenrippenrotor mit vier Rippen und einem Schraubennutenrotor mit sechs Nuten bestehenden Schraubenrotoren, deren Rippen bzw. Nuten Umschlingungswinkel von weniger als 360° aufweisen, wobei die Rippen des Rippenrotors und die Nuten des Nutenrotors mit außerhalb bzw. innerhalb des zugehörigen Teilkreises liegenden, im wesentlichen kreisbogenförmigen Flanken versehen sind und die Stege zwischen den Nuten des Nutenrotors außerhalb des Teilkreises liegende radiale Ansätze und die Zwischenräume zwischen den Rippen des Rippenrotors entsprechende innerhalb des Teilkreises liegende radiale Aussparungen aufweisen.

Die Rotoren solcher Maschinen (vgl. die DT-PS 934605 bzw. die US-PS 2622787) arbeiten bekanntlich derart zusammen, daß die Rippen des Rippenrotors mit den Nuten des Nutenrotors und umgekehrt die zwischen den Nuten des letzteren befindlichen Stege mit den Rippenzwischenräumen des Rippenrotors auf derselben Seite der die Achsen der den Arbeitsraum bildenden Bohrungen enthaltenden Ebene, auf der sich der Hochdruckauslaß befindet, in Eingriff stehen. Dabei werden V-förmige Verdichtungskammer gebildet, die von der Eingriffsstelle als Scheitel in Form je eines Rippenzwischenraums und einer , Rotornut, die am Scheitel miteinander verbunden ( (, sind, ausgehen und alle gemeinsam an der Hochdruckstirnwand als Basis enden. Wenn die Rotoren drehen, bewegt sich der Scheitel einer jeden solchen Verdichtungskammer zur Hochdruckstirnwand hin, wodurch das Volumen der Kammer ständig verringert wird.

Durch Veränderung der Form und Größe der Ein- und Auslaßöffnungen des Arbeitsraums, insbesondere der Auslaßöffnungen, kann das Verhältnis zwischen den Volumina der V-förmigen Verdichtungskammern im Zeitpunkt der Abtrennung vom Einlaß und im Zeitpunkt der öffnung zum Auslaß verändert werden, was gleichbedeutend mit einer Änderung des eingebauten Volumenverhältnisses ist. Hierdurch kann auch das durch das Volumenverhältnis bedingte eingebaute Druckverhältnis geändert werden, das jedoch zusätzlich von dem Wert κ als Verhältnis der spezifischen Wärme bei konstantem Druck zur spezifischen Wärme bei konstantem Volumen beeinflußt wird. Dieser Wert κ variiert bekanntlich bei verschiedenen Gasen, so daß das eingebaute Druckverhältnis ( ~λ in ein und derselben Maschine auch noch von der Art --*', des Arbeitsmediums abhängt.

Ein Problem bei einem Schraubenverdichter der eingangs genannten Art besteht in der Verteilung des Drucks innerhalb einer jeden V-förmigen Verdichtungskammer. Diese Druckverteilung ist nämlich ungleichmäßig, und zwar ist der Druck am höchsten am Scheitel der Kammer, wo die Druckbildung infolge des axial zum Hochdruckende wandernden Rippen- und Nuteneingriffs beginnt. Von dort schreitet der Druck innerhalb des Rippenzwischenraums und der Nut einer jeden Verdichtungskammer zur Hochdruckstirnwand fort. Wenngleich auch nicht so ausgeprägt, ist während der Förderung des Fördermediums bei der Drehung der Rotoren der Druck nahe der vorauseilenden Flanke jeder Nut bzw. jedes Rippenzwischenraums niedriger als nahe der nacheilenden Flanke. Dies hat zur Folge, daß das in den Nuten und Rippenzwischenräumen eingeschlossene Arbeitsmedium fortlaufend gegenüber den Nut- bzw. Rippenflanken bewegt wird.

Wenn dann mit weiterer Drehung der Rotoren die V-förmige Verdichtungskammer zum Hochdruckaus-