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Drehkolbenmaschine mit achsparallelen Zahnkolben
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Die Erfindung betrifft eine als Kompressor und als Vakuumpumpe - oder
im umgekehrten Sinne als Expansionskraftmaschine - verwendbare Drehkolbenmaschine
mit zwei außen achsig im Kämmeingriff stehenden, in einem Gehäuse angeordneten,
mit achsparallelen Zahnkolben und benachbarten Zahnmulden ausgestatteten Rotoren,
von denen einer als Hauptrotor und der andere als Steuerrotor arbeiten und der Steuerrotor
zum periodischen Ausschieben des komprimierten Gases im Grundbereich seiner Zahnmulden
mit radialen Auslaßöffnungen versehen ist, welche mit Steueröffnungen an einem innerhalb
einer axialen Bohrung des Steuerrotors angeordneten Steuerzylinder zusammenwirken,
wobei der Ar-Arbeitsraum der Maschine durch einen die Rotoren eng umschließenden
Teil des Gehäuses und durch die sich von je einem Zahnkolben des Haupt- und des
Steuerrotors bis zu einer zwischen den Rotoren durch gegenseitige Abwälzung erzeugten
Dichtlinie oder Dichtfläche erstreckenden Mantelbereiche der Rotoren gebildet und
im Verlaufe der Drehung durch die aufeinander zugerichtete Bewegung der beiden Zahnkolben
sowie durch den darauf folgenden wieder eine Dichtlinie erzeugenden Eingriff der
nachlaufenden Außenkante des Hauptrotorzahnkolbens in die vorauslaufende Flanke
des Steuerrotorzahnkolbensund die daran angeschlossene Flanke der Steuerrotorzahnmulde
bis in den Grundbereich der Zahnmulde hinein verkleinert wird0 Eine derartige Maschine
als Dampfmaschine ist aus der DT-PS 160 968 und im Zusammenhang damit teilweise
aus der DT-PS 156 451 bekannt.
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Die Zahnkolben des Steuerrotors dieser Maschine sind auf
einem
zylindrischen Grundkörper angeordnet, der in die einseitig fliegend gelagerte Antriebswelle
übergeht. Der Steuerzylinder ragt in diesen Grundkörper hinein und erstreckt sich
über die ganze axiale Länge der Zahnkolben innerhalb einer ihn eng umschließenden
Bohrung. Die Differenz zwischen dem Halbmesser dieser Bohrung und dem des Grundkreises
der Zahnmulden muß ein bestimmtes Mindestmaß behalten, um eine- ausreichend stabile
Verbindung zwischen den Zahnkolben untereinander und gegenüber der Welle zu gewährleisten0
Die im Grunde der Zahnmulden angebrachten Kanäle, die bei Betrachtung der Maschine
als Kompressor die Auslaßkanäle oder Auslaßöffnungen darstellen, weisen eine Mindestlänge
auf, die gleich dieser hier mindestens erforderlichen Halbmesserdifferenz ist. Das
dadurch bedingte Volumen der Kanäle wirkt als "schädlicher Raum", und das darin
enthaltene Gas wird nach erfolgter Verdichtung ohne Arbeitsleistung wieder zur Saugseite
hin entspannt, Der schädliche Raum läßt es nicht zu, daß das gesamte im jeweiligen
Arbeitsraum eingeschlossene Gas nach der Verdichtung zur Druckseite hin ausgeschoben
wird. Das Maschinenvolumen wird nur unvollständig ausgenutzt.
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Die für die Kompression des im "schädlichen Raume" enthaltenen Gases
aufgewandte Arbeit geht vollständig verloren und verringert den Wirkungsgrad der
Maschine. Entsprechend erhöht sich die thermische Belastung der den Arbeitsraum
bildenden Maschinenteile. Eine der Funktion nach ähnliche weitere Maschine ist aus
der DT-OS 1 503 517 bekannt. Die Auslaßkanäle sind im Grunde der Zahnmulden des
Steuerrotors über die ganze axiale Länge der Zahnkolben verteilt und wirken mit
einer Steueröffnung im Steuerzylinder zusammen, die sich praktisch auch über die
gesamte Länge der Zahnkolben erstreckt0 Um bei diesen Bauverhältnissen eine sichere
Funktion des Steuerrotors zu erzielen, wird ein komplizierter Aufbau der Maschine
in Kauf genommen, indem der Steuerrotor über die ganze Länge als Hohlkörper ausgebildet
und auf dem als Achse wirkenden Steuerzylinder beidseitig gelagert wird0 Dadurch
wird ein über das bei
zweiwelligen Maschinen ähnlicher Konstruktion
übliche Maß hinausgehender Aufwand für die Abdichtung zwischen dem Arbeitsraum einerseits
und den Lager- und Getrieberäumen andererseits erforderlich.
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Da die Zahnkolben untereinander und auch mit den hohlen Wellenenden
lediglich durch die zwischen den einzelnen Auslaßkanälen und die an den beiden Zahnkolbenenden
befindlichen Stege verbunden sind, kann aus Gründen der Festigkeit auch bei dieser
Maschine eine bestimmte, mindestens erforderliche Differenz zwischen dem Halbmesser
der Steuerrotorbohrung und dem des Zahnmuldengrundkreises nicht unterschritten werden.
Das Gesamtvolumen der Auslaßkanäle, deren minimale radiale Länge durch diese Halbmesserdifferenz
bedingt ist, wirkt sich wie bei der oben beschriebenen Maschine aus den DT-PS 160
968 und 156 451 als "schädlicher Raum" aus.
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Eine weitere Maschine, bei der die Auslaßöffnungen als durchgehende
Schlitze im Grunde der Zahnmulden des Steuerrotors ausgeführt sind, ist aus der
DT-PS 923 450 bekannt.
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Diese Schlitze verlaufen über die gesamte axiale Länge der Zahnmulden
und Zahnkolben. Wichtige Einzelheiten einer dieser DT-PS entsprechenden Konstruktion
sind in der Veröffentlichung Grote,Paul: Drehkolben-Gebläse und Drehkolbenverdichter
für die Aufladung von Verbrennungsmotoren; t'MTZ" Motortechnische Zeitschrift 16
(1955) 9, So256-Z64, beschrieben.
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Dadurch, daß sich die Auslaßöffnungen über die volle Länge der Zahnmulden
und Zahnkolben erstrecken, ist bedingt, daß mehrere Zahnkolben des Steuerrotors
lediglich über eine einseitige Nabenscheibe und einen gegenüberliegenden Stirnring
miteinander verbunden werden können, die außerhalb der wirksamen Länge der Zahnkolben
anzuordnen sind.
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Wählte man einen Steuerrotor mit lediglich einem Zahnkolben und einer
Zahnmulde, der hinsichtlich des Massenausgleichs und der Ausschubfrequenz wenig
befriedigt, so könnte man bei niedrigeren Drehzahlen und geringer axialer Länge
der Rotoren wohl auch ohne einen Stirnring auf der Gegen-
seite
auskommen, Bei höheren Belastungen durch Zentrifugalkräfte müßte man den geschlitzten
Hohlkörper jedoch auch in diesem Falle durch einen Stirnring abstutzen.
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In jedem Falle ergeben sich mindestens für den Steuerrotor bei dieser
Maschine Bauformen, die fiir die Aufnahme der quer auf den Rotor wirkenden Gaskräfte
wenig geeignet sind.
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Die einzelnen Zahnkolben können nur stirnseitig an die Nabenscheibe
und ggf. an den Stirnring angeschlossen werden.
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Das bedingt eine Struktur geringer Stabilität, wenn nicht ein besonders
hoher Aufwand für die Steifheit der Nabenscheibe, des Stirnringes und der Verbindungselemente
in Kauf genommen wird. Mit üblichen Bearbeitungsverfahren könnte ein derartiger
Steuerrotor auch keinesfalls aus einem Stück hergestellt werden. Darüber hinaus
sind die in den genannten Druckschriften offenbarten Zahnkolben- und Zahnmuldenprofile
nicht geeignet, einen praktisch vollständigen Aussohub des im Arbeitsraum jeweils
erfaßten Gases nach der Kompression zu erzielen. Die Abwälzdichtlinie zwischen der
vorauslaufenden Flanke des Hauptrotorzahnkolbens und der vorauslaufenden Flanke
der Steuerrotorzahnmulde sowie die Eingriffsdichtlinie zwischen der nachlaufenden
Außenkante des Hauptrotorzahlenkolbens und der nachlaufenden Flanke der Steuerrotorzahnmulde
werden bereits aufgelöst, wenn noch erhebliche Räume mit komprimiertem Gas innerhalb
der Zahnmulde existieren. Das Gas aus diesem Spaltvolurnen expandiert zur Saugseite
oder bei Vorhandensein von mehr als einem Zahnkolben je Rotor in den nächstfolgenden
Arbeitsraum zurück Für diese Drehkolbenmaschille werden für den Steuerzylinder zwei
unterschiedliche Bauformen angegeben, bei denen jeweils zwei Teilzylinderschalen
ineinander angeordnet sind.
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Durch Verdrehen der inneren Teilschale kanlll die Lage der den Auslaßgebinn
bestimmenden Kante der Steueröffnung dem geforderten Kompressionsverhältnis angepaßt
werden. Bei beiden Bauformen werden hierbei zusätzliche schädliche Räume" ge1-vildet,
aus denen Gas, das bereits verdichtet ist, wieder sur Saugseite hin zurückexpandiert.
Bei der einen
Bauform handelt es sich um das Volumen innerhalb
des Gitters der inneren Teilschale; bei der zweiten Bauform entsteht bei der Einstellung
höherer Kompressionsverhältnisse zwischen der Außenschale und dem bis auf den gleichen
Außendurchmesser vortretenden Kantenwulst der inneren Schale ein Raum, der sich
in gleicher Weise negativ auswirkt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine als Kompressor und
Vakuumpumpe oder als Expansionskraftmaschine einzusetzende Drehkolbenmaschine des
eingangs definierten Typs zu schaffen, bei welcher (a) der Steuerrotor in einer
besonders stabilen Form gestaltet, (b) der "schädliche Raum" bis auf praktisch Null
oder bei einer bestimmten Bauart bis auf geringste Werte reduziert, (c) ein erheblicher
Freiheitsgrad in der Wahl des Verdichtungsverhältnisses und der Größe der Auslaßöffnungen
eingeräumt, (d) die Aiis s chubirequerlz frei festgelegt und (e) das Verdichttmgsverhältnis
in einfacher Weise ohne Bildung eines zusätzlichen "schädliche Raumes" verstellt
werden kann0 Diese Aufgabe wird bei der erfindungsgemäßen Maschine dadurch gelöst,
daß die Zahnmulden des Steuerrotors innerhalb eines axialen Abschnittes im Muldengrunde
geschlossen sind, und in diesem Abschnitt die innere Nabe des Steuerrotors einerseits
mit dessen Welle und andererseits mit den Zahnkolben sowie ggfO mit dem den Zahnmuldengrundkreis
überragenden Rotorkörper verbunden ist, während die radialen Auslaßöffnungen im
Grunde der Zahnmulden in einem oder in beiden an den axialen Enden der Zahnkolben
liegenden Abschnitten angeordnet sind und in diesen Endabschnitten ein bzwi zwei
Steuerzylinder mit den Steueröffnungen in koaxiale, die Steuerzylinder mit einem
engen Spalt umschließende
Bohrungen des Steuerrotors hineinragen.
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Der Abschnitt, in dem die Zahnmulden des Steuerrotors im Muldengrunde
geschlossen sind, liegt an einem der axialen Enden oder etwa i.n der axialen Mitte
der Zahnkolben. Die Länge dieses Abschnittes beträgt mindestens 1/20, vorzugsweise
jedoch mehr als 1/10 der axialen Länge der Zahnkolben, so daß eine sehr steife Struktur
aus der Welle, der inneren Nabe und den Zahnkolben gebildet wird, die zu einer besonderen
Eignung erfindungsgemäßer Steuerrotoren für hohe Drehzahlen und große Gaskräfte
führt.
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Bei dieser Gestaltung des Steuerrotors verläuft der erste Teil der
Kompression bis zum Öffnen des Auslasses im wesentlichen in der gleichen Weise wie
bei den bekannten, oben beschriebenen Maschinen0 Von diesem Zeitpunkt an wird bei
der erfindungsgemäßen Maschine jedoch das sich im geschlossenen Abschnitt der Zaimmulden
befindende Gas in axialer Richtung zu einem oder zu beiden axialen Endabschnitten
hin verdrängt und mit durch die dort angeordneten Auslaßöffnungen ausgeschoben.
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Besonders dann, wenn die Maschine mit Einspritzung oder Einsprühung
von Flüssigkeit betrieben werden soll, ist es zur Erzielung einer stoßfreien Verdrängung
der gegen Ende des Ausschubs noch im Zahnmuldenraum befindlichen Flüssigkeit vorteilhaft,
jeweils im geschlossenen Abschnitt des Zahnmuldengrundes eine axiale Verdrängungsrinne
im Anschlußbereich der nachlaufenden Flanke der Zahnmulde anzubringen und diese
vorzugsweise mit den ggf. abgestumpften Kanten an den Auslaßöffnungen in einer Linie
verlaufen zu lassen.
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Eine günstige Voraussetzung für die Erzielung eines vollständigen
Ausschubs des im Arbeitsraum erfaßten und komprimierten Gases stellt die Ausformung
der Auslaßöffnungen als ununterbrochene, im wesentlichen rechteckige Schlitze im
Grunde der Zahnmulden dar, die sich über die axiale Länge der Endabschnitte der
Zahnkolben des Steuerrotors erstrecken0 Dazu ist es weiterhin von Vorteil, den Kopf-
kreis
der Zahnkolben des Hauptrotors bis auf den engstmöglichen Spalt an den Außenkreis
des Steuerzylinders heranreichen zu lassen.
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Die Bohrung bzw. die Bohrungen im Steuerrotor, welche die Steuerzylinder
mit engem Spalt aufnehmen, werden vorzugsweise mit einem Durchmesser ausgeführt,
der etwa gleich dem Durchmesser des Grundkreises der Zahnmulden in deren geschlossenem
Abschnitt ist. Dabei ergeben sich die günstigsten Verhältnisse, wenn die Bohrungen
im Steuerrotor einen Durchmesser aufweisen, der um einen geringen Betrag, vorzugsweise
um die doppelte Weite des minimalen Spaltes zwischen Steuerzylinder und Innenfläche
der Bohrung, größer ist als der Durchmesser des Grundkreises der Zahnmulden.in deren
geschlossenem Abschnitt. Als Folge davon ergeben sich nämlich an den Kanten an den
Auslaßöffnungen zwischen der Innenfläche der Steuerrotorbohrung einerseits und den
Flanken der Zahnmulde andererseits jeweils positive, endlich große Winkel, so daß
man diese Kanten spitzwinklig und scharf ausführen kann, ohne Beschädigungen an
diesen Stellen beim Betrieb der Maschine befürchten zu müssen. Die scharfe Ausbildung
der Kanten ist für den vollständigen Ausschub des erfaßten und komprimierten Gases
von Vorteil.
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Eine Abstumpfung der Kanten mag bei spröden oder in anderer Weise
empfindlichen Werkstoffen erforderlich werden0 In diesen Fällen soll entsprechend
der Erfindung die Abstumpfung nur in einem geringen Maße erfolgen, um die sich dabei
bildenden "schädlichen Räume" so klein wie möglich zu halten.
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Vorteilhaft werden die Profile an den Köpfen der Zahnkolben am Hauptrotor
und in den Zahnmulden am Steuerrotor derart geformt, daß in der Endphase der Verkleinerung
des Arbeitsraumes noch während des Bestehens der Dichtlinie bzw.
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der Dichtfläche am Spalt zwischen der voraus laufenden Flanke der
Zahnmulde und der vorauslaufenden Flanke des Zahnkolbens eine neue Dichtlinie am
Spalt zwischen dem Kopfkreis des Zahnkolbens und dem Steuerzylinder gebildet wird,
und sich erst nachfolgend die Eingriffsdichtlinie am
Spalt zwischen
der nachlaufenden Außenkante des Zahnkolbens und der nachlaufenden Flanke der Zahnmulde
zur Kante an der Auslaßöffnung verschiebt.
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Um eine Rückströmung von bereits ausgeschobenem Gas in den Arbeitsraum
der Maschine zu verhindern, ragt die schließende Kante der Steueröffnungen am Steuerzylinder
entgegen der Drehrichtung des Steuerrotors so weit über die gemeinsame Rotorachsenebene
hinaus, daß zwischen dem Steuerzylinder und der nachlaufenden Kante an der Auslaßöffnung
bereits eine neue Dichtlinie gebildet wird, bevor die Eingriffsdichtlinie am Spalt
zwischen der nachlaufenden Außenkante des Hauptrotorzahnkolbens und der nachlaufenden
Flanke der Zahnmulde des Steuerrotors beim Erreichen der nachlaufenden Kante der
Auslaßöffnung aufgehoben wird.
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Besonders in Fällen, bei denen infolge hoher Verdichtung oder großer
Zahnkolbenanzahl sich die Steueröffnungen nur über einen kleinen Drehwinkelbereich
am Steuerzylinder erstrecken können, wird jede Steueröffnung vorteilhaft durch eine
zusätzliche in der Stirnwand des. Gehäuses angebrachte Steueröffnung erweitert,
welche einerseits durch einen Kreisbogen, der den Kopfkreis des Hauptrotors um eine
geringe Überdeckungsbreite überragt, und andererseits durch einen Bogen begrenzt
wird, der etwa der voraus laufenden Flanke der Zahnmulde am Steuerrotor in der Drehstellung
entspricht, in welcher die öffnende Kante am Steuerzylinder und die vorauslaufende
Kante an der radialen Auslaßöffnung den Gasauslaß freigeben. In dem gleichen Sinne
gilt diese Maßnahme auch für verstellbare Steueröffnungen bei deren engster Einstellung,
also bei dem höchstmöglichen eingestellten Verdichtungsverhältnis.
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Bei einer anderen Ausführung der erfindungsgemäßen Maschine erstrecken
sich die Auslaßöffnungen nicht als ununterbrochene Schlitze über die Endabschnitte
der Zahnmulden, sonderen sind durch Stege abgeschlossen und ggf. unterteilt.
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Durch diese Stege werden die frei über die innere Nabe des Steuerrotors
axial hinallaraenclen Endabschnitte der Zahnkolben untereinander verbunden. Der
Radius der Steuerzy-
linderbohrungen im Steuerrotor ist in diesem
Falle kleiner als der Radius des Grundkreises der Zahnmulden. Die Radiusdifferenz
sollte dabei so gering sein, wie es die Stabilität des Steuerrotors zuläßt, um den
bei dieser Ausführung der Maschine nicht vermeidbaren, kleinen "schädlichen Raum"
innerhalb der Auslaßöffnungen so knapp wie möglich zu halten.
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Auch bei dieser Ausführungsform wird die schließende Kante des Steuerzylinders
soweit über die gemeinsame Rotorachsenebene entgegen der Drehrichtung des Steuerrotors
vorgezogen daß in der Endphase der Verkleinerung des Arbeitsraumes bereits eine
Dichtlinie zwischen der schließenden, nachlaufenden Kante an der Auslaßöffnung und
der schließenden Kante des Steuerzylinders gebildet wird, bevor die Dichtlinie am
Spalt zwischen der voraus laufenden Flanke des Zahnkolbens am Hauptrotor und der
vorauslaufenden Flanke der Zahnmulde am Steuerrotor oder am Spalt zwischen dem Kopfkreis
des Hauptrotorzahnkolbens und dem Grundkreis der Zahnmulde an der vorauslaufenden
Kante der Auslaßöffnung aufgehoben wird.
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Die Steueröffnung jedes Steuerzylinders wird mit Vorteil als ununterbrochener,
im wesentlichen rechteckiger Schlitz ausgebildet, der sich etwa über die Länge des
Endabschnittes der Zahnkolben des Steuerrotors erstreckt. Dieser Schlitz kann aus
Gründen der höheren Festigkeit durch einen Steg in Form eines Ringsegmentes abgeschlossen
werden.
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Um das Verdichtungsverhältnis verstellen zu können, wird der Steuerzylinder
aus zwei Teilzylinderschalen aufgebaut, die einen gleich großen Außenradius aufweisen
und mit engem Spalt in die Steuerrotorbohrung eingepaßt sind. Die mit der öffnenden
Kante ausRrestattete Teilzylinderschale wird um die Achse des Steuerrotors drehbar
ausgebildet.
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Durch eine Wand, die mit einer der beiden Teilschalen verbunden sein
kann, wird der etwa in Längsrichtung verlaufende Raum zwischen den Teilschalen nach
innen zum Gasauslaßkanal hin abgetrennt.
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Um diesen Zwischenraum nicht zu einen, sog, "schädlichen Raum" werden
zu lassen, ist es vorteilhaft, diesen Raum in einen Drehwinkelbereich des Steuerrotors
zu legen, in welchem innerhalb des Gehäuses der Gaseintrittsdruck herrscht0 Bei
mittiger Lage des geschlossenen Abschnittes der Zahnmulden des Steuerrotors und
Einbau von je einem Steuerzylinder in beiden axialen Endabschnitten genügt es in
vielen Fällen, nur den einen Steuerzylinder verstellbar auszuführen und den anderen
mit einer unveränderbaren Steueröffnung zu versehen. Dabei soll die periphere Weite
dieser starren Steueröffnung gleich der Weite der verstellbaren in deren engster
Einstellung sein.
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Eine besonders hohe Ausnutzung des Maschineninnenraumes wird dadurch
erzielt, daß die nachlaufende Flanke der Zahnkolben des Hauptrotors in der Form
einer nach außen gewölbten Zykloide ausgebildet wird, die der Eingriffsbewegung
der voraus laufenden Außenkante der Zahnkolben des Steuerrotors mit einem engen
Spalt entspricht. Bei der Rotation würde dann allerdings zwischen der nachlaufenden
Flanke des Hauptrotorzahnkolbens und der voraus laufenden Flanke des Steuerrotorzahnkolbens
sowie der angeschlossenen Flanke der Zahnmulde eine ringsherum abgedichtete Kammer
gebildet, in der sich ein nicht definierbarer Druck einstellen würde. Um dem zu
begegnen, werden etwa in Querschnittsebenen liegende oder axiale oder schräge Hohlräume
in den Zahnkolben sowie in dem Rotorkörper und/oder Nuten in den Stirnflächen des
Hauptrotors angebracht, durch die Punkte der nachlaufenden Flanke der Zahnkolben,
welche dicht an deren Außenkante liegen, mit einem Bereich der Maschine verbunden
werden, der in dem Drehwinkelbereich, in welchem die Kammer zwischen den Flanken
gebildet wird, unter dem Gaseintrittsdruck steht; Die Kammer füllt sich dadurch
mit Gas vom Eintrittszustand und wird später praktisch verlustfrei zur Eintrittsseite
hin geöffnet.
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Der Rotorkörper und die Zahnkolben des Steuerrotors werden vorteilhaft
mit axialen Hohlräumen versehen. Dadurch kann einerseits bei Verwendung nur eines
Zahnkolbens der Massen-
ausgleich bewirkt und andererseits die
Masse der in den Endabschnitten über die innere Nabe hinausragenden Teile der Zahnkolben
vermindert werden. Diese Hohlräume erstrekken sich über die ganze wirksame Rotorlänge
oder lediglich etwa über die Länge der Endabschnitte der Zahnkolben. Sie können
durch Scheiben oder ähnlich wirkende Abschlußelemente verschlossen oder auch zu
den axialen Enden hin konisch erweitert ausgeführt werden.
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Insbesondere bei spröden Werkstoffen wird empfohlen, Entlastungskerben
an den Kanten der Auslaßöffnungen im Übergangsbereich von den Endabschnitten der
Zahnkolben in den geschlossenen Abschnitt der Zahnmulden anzubringen. Dabei sollten
an den Steuerzylindern an den korrespondierenden Kanten entsprechende Ausbuchtungen
vorgesehen werden, welche die Kerben beim Öffnen bzw. Schließen des Auslasses überdecken.
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Zur Erhöhung der Stabilität des Steuerläufers können Stirnringe eingebaut
werden, welche die axialen Enden der Zahnkolben miteinander verbinden. Dementsprechend
müssen in den Stirnwänden des Gehäuses ringförmige Hohlräume angebracht sein, welche
die Stirnringe mit engem Spalt umschließen0 Die Rotoren, insbesondere der Steuerrotor,
werden vorzugsweise aus einem Stück hergestellt. Es ist jedoch auch möglich, die
Zahnkolben gesondert anzufertigen und auf den inneren Naben zu befestigen, wenn
beispielsweise unterschiedliche Werkstoffe angewendet werden sollen oder die Produktion
der gesonderten Zahnkolban infolge der größeren Stückzahl verbilligt werden kann.
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Um die beiden Rotoren etwa mit dem gleichen Durchmesser bauen zu können,
wird die Anzahl der Zahnkolben am Hauptrotor kleiner gehalten als die Anzahl der
Zahnkolben am Steuerrotor. Als besonders günstig erweisen sich die folgenden Verhältnisse
der Anzahlen der Zahnkolben: 2:3, 2:4, 2:5, 3:4, 3:5, 3:6, 4:5, 4:6 und 5:6.
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Vorteilhaft geformte Profile für die Zahnkolben und Zahnmulden der
Rotoren ergeben sich, wenn der Kopfkreis der Zahnkolben des Steuerrotors etwa dessen
Wälzkreis und der Grundkreis der Zahnmulden des Hauptrotors etwa dem Wälzkreis dieses
Rotors entsprechen, wobei beide Radien vorzugsweise um je einen Anteil des engen
Spaltes zwischen den Rotoren gegenüber den theoretischen Wälzkreisradien zu vermindern
sind.
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In den Stirn- oder Zylinderwänden'des Gehäuses können Öffnungen angebracht
werden, welche den Arbeitsraum des Haupt- und/oder Steuerrotors zur Ladungsverminderung
mit Räumen der Maschine oder der Zuleitung verbinden, in welchen sich einströmendes
Gas unter Eintrittsdruck befindet0 Durch Hub- oder Klappventile sind diese Öffnungen
in der Weise schließbar, daß die den Arbeitsräumen zugewandten Flächen der Ventile
nach Form und Lage annähernd dem Verlauf der Innenflächen der Gehäusewände entsprechen.
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Der gleiche Effekt kann dadurch erreicht werden, daß innerhalb des
Gehäuses besondere, Arbeitsräume bildende Gehäuseteile angeordnet werden, die um
die Welle des Haupt-oder des Steuerrotors in der Weise abgeschwenkt werden können,
daß die Arbeitsräume zu Räumen der Maschine hin geöffnet werden, in denen sich einströmendes
Gas unter Eintrittsdruck befindet0 Diese Einrichtungen zur Ladungsverminderung werden
vorteilhaft mit verstellbaren Steuerzylindern aus zwei Teilschalen in Kombination
angewendet. Deren Steueröffnung sollte so eng einstellbar sein, daß bei Anwendung
der Ladungsverminderung im Augenblick der Öffnung des Auslasses zumindest bereits
ein geschlossener Arbeitsraum besteht, vorzugsweise jedoch mit der verminderten
Ladung ein Kompressionsdruck erreicht wird, der etwa dem Gegendruck der Maschine
entspricht.
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Zur Innenkühlung und zur Verbesserung der Abdichtung der Spalte kann
in an sich bekannter Weise eine geeignete Flüssigkeit wie Wasser oder Öl eingespritzt
werden. Dazu
sind Einspritzdüsen in den Gehäusewänden der Arbeitsräume
anzubringen und an ein Flüssigkeitsversorgungssystem anzuschließen.
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Für die Kühlung eignen sich auch Sprühdüsen, die in den Wänden des
nicht an der Arbeitsraumbildung beteiligten Gehäusesangeordnet sind. Sie werden
auf die im Bereich dieses Gehäuses frei laufenden Rotoren gerichtet. Werden innerhalb
eines äußeren Gehäuses angebrachte besondere, die Arbeitsräume bildende Gehäuseteile
angewendet, so wird eine wirksame Kühlung auch durch Besprühen dieser Gehäuseteile
erzielt.
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Kühlkanäle für den Durchfluß von Luft oder Flüssigkeit können an den
Wänden der die Arbeitsräume bildenden Gehäuse bevorzugt im heißgehenden Bereich
angeordnet werden.
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Besonders eignet sich dafür die Umgebung der inneren Gehäusekante,
an der sich die zylindrischen Arbeitsräume schneiden.
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Eine Verdoppelung der Kapazität der Maschine ist dadurch zu erzielen,
daß ein Hauptrotor mit zwei Steuerrotoren kombiniert wird. Das Gehäuse ist dazu
so auszubilden, daß die vier entstehenden Arbeitsräume eingeschlossen werden.
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Wird der Hauptrotor mit ungerader Anzahl der Zahnkolben ausgeführt,
so verdoppelt sich die Ausscllubfrequenz.
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Dadurch vergleichmäßigt sich sowohl das Antriebsdrehmoment als auch
der Förderstrom auf der Ein- und Austrittsseite der Maschine.
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In gleicher Weise kann auch ein Steuerrotor mit zwei Hauptrotoren
kombiniert werden. Die Steuerzylinder erhalten dann je zwei Steueröffnungen, und
der Steuerrotor wird vorzugsweise mit einer ungeraden Anzahl von Zahnkolben ausgestattet.
Diese Anordnung ist sehr einfach, wenn die Steuerzylinder mit verstellbaren Steueröffnungen
versehen werden sollen. Die Steuerzylinder werden dazu aus zwei feststehenden und
zwei gemeinsam verdrehbaren Teilzylinderschalen gebildet, wobei die beiden für die
Verdrehung erforderlichen Zwischenräume in Drehwinkelbereiche
des
Steuerrotors zu legen sind, in denen innerhalb des Gehäuses der Gaseintrittsdruck
herrscht. Dadurch wird auch bei diesem Aufbau der Maschine die Bildung von "schädlichen
Räumen?? vermieden.
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In einer anderen vorteilhaften Ausbildung ist die Maschine, um eine
gleitende Einstellung der Verminderung der Ladung zu ermöglichen, mit geraden oder
kreisbogenförmigen Schiebern ausgestattet, die eine ebene, dem Arbeitsraum zugewandte
SchLießfläche besitzen. Diese Schieber werden in geraden bzw. kreisbogenförmigen
Führungsbahnen in den Gehäusestirnwänden mit engem Spalt verschiebbar angeordnet.
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Die Schließfläche liegt dabei in der Ebene der Innenseite der Stirnwände
und bildet gegenüber den Stirnflächen der Rotoren einen engen Spalt. Die Schieber
weisen eine Steueröffnung oder eine Steuerkante auf 0 Bei einer weiteren Ausführung
ist zur Erfüllung der gleichen Aufgabe ein Drehschieber konzentrisch zum Haupt-oder
Steuerrotor angeordnet und bildet zumindest einen Teil der Stirnwand des Arbeitsraumes
für den betreffenden Rotor0 Dieser Schieber wird mit seiner Steueröffnung oder Steuerkante
um die Achse des Rotors verdrehbar eingebaut.
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Es ist mit Vorteil auch möglich, zur Ladungsverminderung einen.zylindrischen
Schieber zu verwenden, der mit engem Spalt innerhalb eines axialen Endabschnittes
des Hauptrotors in eine Bohrung des Hauptrotors hineinragt. Auch dieser Schieber
ist mit einer Steueröffnung versehen und kann um die Achse des Hauptrotors verdreht
werden. Die Steueröffnung wirkt mit Auslaßöffnungen zusammen, welche im Grunde der
Zahnmulden des Hauptrotors in einem axialen Endabschnitt angeordnet sind. Bei dieser
Maschinenausführung ist der Hauptrotor in einer Form aufgebaut, die der Form des
Steuerrotors ähnlich ist.
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Es ist möglich, einen zylindrischen Schieber dieses Typs mit einem
konzentrisch zum Hauptrotor angeordneten Drehschieber in der Stirnwand des Gehäuses
zu einer Einheit zu verbinden.
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Die geraden und kreisbogenförmigen Schieber wie auch die konzentrisch
zu den Rotorachsen angeordneten Schieber sind jeweils im geschlossenen Zustand so
eingestellt, daß die Steueröffnung bzw. die Steuerkante sich in der Nähe einer der
Kompressionskanten des die Arbeitsräume bildenden Gehäuses befindet. Zur Verminderung
der Ladung wird der Schieber zumindest durch einen Teil des Arbeitsraumes hindurch
im wesentlichen im Sinne der Rotordrehung verschoben oder verdreht. Dabei gibt die
Steueröffnung baw, -kante einen Auslaßweg frei, der sich mit fortschreitender Verstellung
des Schiebers zu fortschreitenden Drehwinkelstellungen hin verlagert. Dieser Auslaßweg
führt durch einen Auslaßkanal direkt oder über einen Kühler zu einem Raum der Maschine
oder der Zuleitung, in dem sich einströmendes Gas unter Eintrittsdruck befindet.
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Je weiter ein derartiger Schieber von der Kompressionskante des Gehäuses
weg im wesentlichen in Drehrichtung des Rotors verstellt wird, um so mehr eingesaugtes
Gas wird wieder aus dem Arbeitsraum ausgeschoben und zur Saugseite zurückgeleitet.
Bei längerdauerndem Betrieb mit verminderter Ladung ist es zweckmäßig, dieses Gas
durch einen Kühler zu schicken.
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In an sich bekannter Weise können die erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschinen
mit weiteren Maschinen gleicher Bauart oder auch mit anders gearteten Kompressoren
in Reihe hintereinandergeschaltet werden, um höhere Verdichtungsverhältnisse zu
erreichen, Dabei können die Rotoren auf gemeinsamen oder gesonderten Wellen durch
getrennte Antriebe oder einen gemeinschaftlichen Antrieb über Kupplungen oder Getriebe
in Umdrehung versetzt werden. Zwischen den hintereinandergeschalteten Maschinen
können Kühler und Flüssigkeitsabscheider angeordnet werden0
Nachfolgend
werden Beispiele des Erfindungsgegenstandes in der Ausführung als Kompressor näher
beschrieben. Dabei stelzen dar: Fig. 1, 3, 4, 5, 7, 8, 9, 11, 12, 13, 15 iind 27
Querschnitte durch die kennzeichnenden Funktionselemente von Maschinen mit zwei
Rotoren, typischen Anzahlen und Profilen der Zahnkolben sowie mit geeigneten Ausführungen
der Steuerzylinder und weiterer Erfindungselemente, Fig. 2, 6 und 14 Längsschnitte
durch die wichtigsten Elemente von entsprechenden Maschinen, Fig. 4a einen Längsschnitt
durch ein Hubventil, das zur Ladungsverminderung dient, Fig. 10, 16 und 23 Längsschnitte
durch die besonderen Wirkungselemente der Maschine an den Endabschnitten der Rotoren
und durch die Steuerzylinder in unterschied3icher Ausbildung, Fig. 15a einen Teil
des Querschnittes einer speziellen Ausführung der Maschine insbesondere durch die
im Eingriff stehenden Zahnkolben und -mulden sowie durch den Steuerzy linder, Fig.
17 und 18 Querschnitte durch die wichtigsten Funktionselemente von Maschinen mit
drei jeweils paarweise zusammenarbeitenden Rotoren, Fig. 19,20,21 und 22 Querschnitte
durch typische Zahnkolben und -mulden im Fingriffsbereieh der Rotoren mit detaillierter
Darstellung der zusammenwirkenden Flanken und Kanten sowie der Steuerzylinder mit
den Kanten an den Steueröffntlngen, Fig. 24 die Schrägansicht eines geschnittenen
Steuerrotors, der mir mit einem der vorzugsweise in größerer Anzahl vorhandenen
Zahnkolben besetzt dargesteil*: ist, und Fig. 25 und 26 Seitenansichten von Steuerzylindern
mit den SteuerXffnungen.
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Die Maschine gemäß Fig. 1 weist einen Steuerrotor 1 und einen Hauptrotor
2 auf, die auf den Wellen 3 bzw. 4 angeordnet sind. Die Zahnkolben 5 und 6 stehen
in dem Drehwinkel, in welchem der Ausschub des Gases gerade beendet worden ist.
Die Rotoren werden von dem Gehäuse 25 mit engem Spalt umschlossen. Außerhalb dieses
Gehäuses sind die Rotoren untereinander durch Zahnräder gekoppelt.
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Im weiteren Verlauf der Drehung bilden der Hauptrotorzahnkolben 6
an der Kompressionskante 27 und der Steuerrotorzahnkolben 5 an der Kompressionskante
26 des Gehäuses enge Spalte. Bei diesem Drehwinkel wird bereits zwischen den Rotorkörpern
13 und 14 ein weiterer Spalt gebildet, so daß die Arbeitsräume 30 und 31 gemeinsam
abgesperrt werden.
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Durch die aufeinander zugerichtete Bewegung der beiden Zahnkolben
werden die Arbeitsräume in einer ersten Phase verkleinert, bis die Zahnkolben mit
ihren Kanten 7 und 8 an der inneren Gehäusekante 9 zusammentreffen.
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Bei der Weiterdrehung greift der Hauptrotorzahnkolben 6 mit seiner
nachlaufenden Außenkante 8 in die vorauslaufende Flanke 10 des Zahnkolbens 5 und
nachfolgend in die angeschlossene Flanke 15 der Zahnmulde 11 mit engem Spalt ein.
Der bestehende Spalt zwischen den Rotorkörpern 13 und 14 wandert über die Abwälzflanke
23 der Steuerrotorzahnmulde 11 und über die Abwälzflanke 24 des Zahnkolbens 6 bis
in den Grund der Zahnmulde 11, wo das Arbeitsrallmvolumen bis praktisch aiif Null
reduziert wird.
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Im Grunde der Zahnmulde 11 ist die Auslaßöffnung 20 mit den spitzwinkligen
Kanten 21 und 22 angeordnet. Diese Öffmmg wirkt mit der Steueröffnung 17 im Steuerzylinder
16 zusammen, der unverdrehbar innerhalb der Bohrung 74 des Steuerrotors 1 befestigt
ist und den Gasauslaßkanal 29 einschließt. Wenn die Auslaßöffnungskante 21 die Steueröffnungskante
18 erreicht, wird bei einem durch den Mittelpunktswinkel der Kante 18 vorgegebenen
Kompressionsverhältnis der Gasauslaß freigegeben. Nach praktisch vollständigem Ausschub
des Gases wird der Auslaß durch die Kanten 22 und 19 wieder gesperrt.
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Während der Verkleinerung des Arbeitsraumes vor den Zahnkolben hat
sich der Arbeitsraum hinter den Zahnkolben durch den Gaseinlaß 28 wieder mit frischem
Gas gefüllt.
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Für den Durchlaß des Zahnkolbens 5 ist der Rotorkörper 14 mit einer
Zahnmulde 12 versehen. Der in der gezeigten Stellung zwischen der Zahnkolbenflanke
64 und der Zahnkolbenflanke 10 sowie der Zahnmuldenflanke 15 gebildete Raum 57 steht
ständig unter dem Gaseintrittsdruck. Er öffnet sich bei der Weiterdrehung verlustfrei
wieder zur Eintrittsseite hin.
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Die Außendurchmesser der Rotoren 1 und 2 sind bei dieser Ausführung
gleich groß-. Für die vorauslaufende Flanke 10 des Zahnkolbens 5-und für die nachlaufende
Flanke 64 des Zahnkolbens 6 ergeben sich daraus starke Hinterschneidungen.
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Der Zahnkolben 5 und der Rotorkörper 156 des Steuerrotors sind mit
axialen Hohlräumen 156 versehen, um den Massenausgleich herzustellen und die Masse
der Zahnkolben zu vermindern. Für den Massenar3gleich dienen ebenfalls Hohlräume
157 im Zahnkolben 6 und im Rotorkörper 14 des Hauptrotors.
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An der heißgehenden Seite des Gehäuses 25 ist ein Kühlmittelkanal
33 angebracht, der eine Eintrittsöffnung 32 und eine Austrittsöffnung 34 aufweist.
Dieser Kanal kann von Luft oder von einer Flüssigkeit durchströmt werden.
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Besonders die Umgebung der inneren Gehäusekante 9 ist auf diese Weise
intensiv zu kühlen.
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Fig. 2 zeigt den I,ängsXschnit,t entsprechend der Linie A-A in Fig.
1. Das mit dem Kühlmittelkanal 33 versehene Gehäuse 25 ist durch die Stirnwände
38 und 39 abgeschlossen.
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Die Rotoren 1 und 2 sind mit den Wellen 3 iind 4 in den Festlagern
41 und dn Loslagern 42, die mit den Stirnwänden verbunden sind, gelagert. Durch
geeignete Wellendichtungen 40 sind die Arbeitsräume abgedichtet.
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Über die Wellenkupplung 48, die durch den Verbindungskeil 4 auf der
Welle 4 arretiert ist, wird der Hauptrotor 2 angetrieben. Die Welle 4 ist durch
den mit der Lagerdichtung 46 versehenen Lagerdeckel 45 hindurchgeführt. Die innerhalb
des
Getriebedeckels 51 angeordneten Zahnräder 43 und 44 übertragen die Drehbewegung,
in diesem Falle entsprechend den Zahnkolbenanzahlen 1:1 im Verhältnis 1:1, auf den
Steuerrotor 1. Dessen Festlager 42 ist durch den Lagerdeckel 50 verschlossen.
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Erfindungsgemäß ist die Zahnmulde des Steuerrotors 1 innerhalt des
axialen Abschnittes 142 im Muldengrunde geschlossen. In diesem Abschnitt ist die
innere Nabe 150 des Steuerrotors einerseits mit der Welle 3 sowie andererseits mit
dem in dieser Drehstellung nicht sichtbaren Zahnkolben 5 und dem den Zahnmuldengrundkreis
überragenden Rotorkörper 13 verbunden.
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Der Erfindung entspricht weiterhin, daß die radiale Auslaßöffnung
im Grunde der Zahnmulde des Steuerrotors in dem Endabschnitt 171 des Zahnkolbens
5 angeordnet ist. In diesem Endabschnitt ragt der Steuerzylinder 16 mit seiner Steueröffnirng
17 in die koaxiale, den Steuerzylinder mit einem engen Spalt umschließende Bohrung
74 des Steuerrotors hinein. Die stirnseitige Dichtfläche 161 des Steuerzylinders
dichtet gegen die Dichtfläche 162 an der inneren Nabe 150 ab. Innerhalb des Steuerzylinders
16 befindet sich der Gasauslaßkanal 29, der durch das Auslaßgehäuse 49 mit dem Auslaßanschluß
72 verbunden ist.
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Der Kopfkreis des Zahnkolbens 6 des Hauptrotors 2 reicht bis auf einen
engen Spalt an den Außenkreis des Steuerzylinders 16 und an den Grundkreis der Zahnmulde
des Steuerrotors im geschlossenen Abschnitt 142 heran. Die Auslaßöffnung erstreckt
sich als ununterbrochener, im wesentlichen rechteckiger Schlitz über die axiale
Länge des Endabschnittes 171. In ähnlicher Weise erstreckt sich auch die Steueröffnung
17 im Steuerzylinder 16 als ununterbrochener, im wesentlichen rechteckiger Schlitz
etwa über die Länge des Endahsehniftes 171.
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Während des Ausschiebens des Gases wird dieses im geschlossenen Abschnitt
142 im wesentlichen axial in Richtung von der Stirnwand 38 zum Endabschnitt 171
hin verdrängt und dort durch die Auslaßöffnung sowie die Steueröffnung 17 in den
Gasauslaßkanal 29 transportiert.
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Der hier beispielhaft gezeigte Hohlraum 156 zieht sich axial durch
den gesamten Rotorkörper 13, und entsprechend können weitere Hohlräume 156 innerhalb
des Zahnkolbens des Steuerrotors 1 angeordnet werden.
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In Fig. 3 ist eine Maschine dargestellt, deren Hauptrotor 2 einen
Zahnkolben 6 und deren Steuerrotor 1 zwei Zahnkolben 5 und 5a aufweisen. Die Rotoren
befinden sich in derjenigen Drehstellung, in welcher die Kanten 7 und 8 der Zahnkolben
5 bzw. 6 an der inneren Gehäusekante 9 zusammentreffen. Von dieser Stellung greift
die Kante 8 in die Flanke 10 des Zahnkolbens 5 und weiter in die angeschlossene
Flanke 15 der Zahmnulde 11 ein. Die Dichtlinie am Spalt 35 zwischen den Abwälzflanken
23 und 24 der Zahflnulde 11 bzw. des Zahnkolbens 6 verschiebt sich bei der eiteren
Abwälzung bis in den Grund der Zahnmulde.
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Innerhalb des geschlossenen, axialen Abschnittes der Steuerrotorzahnmulde
11 treffen die Dichtlinien an der Kante 8 und an dem Spalt 35 nach dem vollständigen
Aus schub des Gases zusammen.
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Das frisch eingesaugte Gas der nachfolgenden Ladung wird eingeschlossen,
wenn der Zahnkolben 5a mit seinem Kopfkreis 97 die Kompressionskante 26 und der
Zahnkolben 6 die Kompressionskante 27 erreichen. Die dritte Dichtlinie zwischen
den Rotoren wird bei dieser Bauform erzeugt, wenn der Zahnkolben 5 mit seinem Kopfkreis
den Grund der Zahnmulde 12 erreicht. Bei der Weiterdrehung wälzen sich die Flanke
37 der Zahnmulde 12 und die Flanke 36 des Zahnkolbens 5 mit engem Spalt gegeneinander
ab. Die nachlaufende Flanke 64 des Zahnkolbens 6 wird weder für den Einschluß des
Gases noch für die Verdichtung benutzt und kann in beliebiger Form ausgeführt werden.
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Der Durchmesser des llauptrotors 2 ist kleiner als derjenige des Steuerrotors
1 gewählt. Die Durchmesser der Wälzkreise sind denen der Rotorgrundkörper 14 bzw.
13 gleich.
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Für die Zahnkolbenflanken 10 und 64 ergeben sich daraus zçünstige
Formen mit nur geringer bzw. gänzlich fehlender Hinterschneidung.
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Bei der Inbetriebssetzung und bei Teillast ist es wünschenswert, die
Ladung und damit auch den angesaugten Volumenstrom und die Antriebsleistung zu vermindern.
Zu diesem Zweck dient der kreisbogenförmige Schieber 197, der in einer oder beiden
Gehäusestirnwänden angebracht ist.
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Der Schieber besitzt eine ebene Schließfläche, die dem Arbeitsraum
31 zugewandt ist und in der Ebene der Innenseite der Stirnwand liegt. Der Schieber
ist in der kreisbogenför migen Führungsbahn 193 in der Stirnwand verschiebbar angeordnet.
In der gezeigten Stellung gibt der Schieber mit seiner Steuerkante 196 einen Teil
des Kanals 198 als Auslaßweg für einen Teil des eingesaugten, im Arbeitsraum 31
eingeschlossenen Gases frei. Der Kanal 198 führt direkt oder über einen Kühler wieder
zur Gaszuleitung zurück.
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Bei Vollast ist der Schieber zu schließen, indem die Steuerkante 196
bis in die Nähe der Kompressionskante 27 des Gehäuses 25 verstellt wird. Je weiter
der Schieber aus dieser Stellung heraus im wesentlichen in Drehrichtung des Rotors
verschoben wird, um so mehr Gas gelangt wieder zur Eintrittsseite der Maschine zurück.
Der Arbeitsraum 31 wird dabei erst geschlossen, wenn der Zahnkolben 6 die Steuerkante
19G überstreicht.
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Innerhalb des Gehäuseteiles 53 läuft der Rotor 1 frei um.
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Erst von der Kompressionskante 26 an wird die Wand des Gehäuses 25
für die Verdichtung des Gases ausgenutzt. In an sich bekannter Weise istzumindest
der heißgehende Teil des Gehäuses 25 mit axial angeordneten Kühlrippen 169 oder
quer verlaufenden Kühlrippen 168 ausgestattet.
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Die Maschine entsprechend Fig. 4 besitzt zwei Rotoren 1 und 2, deren
jeder mit zwei Zahnkolben 5 und 5a bzs. 6 und 6a ausgestattet ist. Dargestellt ist
die Drehstellung, in welcher der Gasausschub beendet ist. Der Auslaß ist durch die
Kante 22 der Auslaßöffnung und die Kante 19 der Steuöffnung 17 bereits gesperrt.
Die nächstfolgende Gasladung wird eingeschlossen dadurch, daß der Zahnkolben 5a
mit seinem Kopfkreis 97 die Kompressionskante 26 und der Zahnkolben 6a mit seinem
Kopfkreis 120 die Kompressionskante 7 erreichen, sowie andererseits dadurch, daß
in der
gezeigten Drehstellung die vorauslaufende Kante 7 des Steuerrotorzahnkolbens
5 am Grundkreis 54 der Zahnmulde 12 des Hauptrotors 2 mit engem Spalt die dritte
Dichtlinie für die Arbeitsräume 30 und 31 bildet.
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Bei dieser Ausführung nimmt die Maschine ständig ein Drehmoment auf,
da der Gasausschub in der Drehstellung beendet wird, in welcher der Arbeitsraum
für die folgende Ladung bereits wieder für die Kompression geschlossen ist.
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Die Außendurchmesser der Rotoren 1 und 2 sind gleich groß.
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Das führt zu relativ starken Hinterschneidungen an den Flanken der
Zahnkolben 5, 5a und 6, 6a.
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Um die Maschine mit verringerter Ladung betreiben zu können, und um
beim Anfahren die Antriebsmaschine entlasten zu können, sind in den Stirnwänden
des Gehäuses Hubventile 55 und 56 angeordet, welche das in die Arbeitsräume 30 und
31 eingeschlossene Gas zu einem Teil unverdichtet wieder in Räume der Maschine oder
der Zuleitung zurückleiten, in welchen der Gaseintrittsdruck herrscht. Der im Arbeitsraum
jeweils verbleiben? Ladungsrest wird bestimmt durch die Drehwinkellage, in welcher
die Ventilöffnungen 143 angeordnet sind.
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Eine beispielhafte Ausbildung eines derartigen Hubventils 55,56 zeigt
Fig. 4a. Die Ventilöffnung 143, der Ventilsitz 145, der Ventilteller 146 und die
Stirnfläche 144 des Ventils sind in ihren Maßen derart aufeinander abgestimmt, daß
die dem Arbeitsraum 30, 31 zugewandte Stirnfläche 144 im geschlossenen Zustand praktisch
genau dem Verlauf der Innenfläche der Gehäusestirnwand 38,39 entspricht. Der unvermeidbare
Spalt zwischen dem Rande der Stirnfläche 144 und der Ventilöffnung 143 wird so eng
wie möglich gehalten, Der Ventilschaft 148 ist im Ventilgehäuse 147 geführt. Die
Gasleitung 149 verbindet das Ventilgehäuse mit einem Raum der Maschine oder der
Gaszuleitung, in welchem der Gaseintrittsdruck herrscht.
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In Fig. 5 ist eine Maschine dargestellt, deren Rotoren 1 und 2 ebenfalls
je zwei Zahnkolben 5, 5a und 6, 6a aufweisen. Bei dieser Ausführung hat der Hauptrotor
2 einen
größeren Durchmesser als der Steuerrotor 1. Die Zahnkolben
5 und 5a können dabei mit mir geringer und die Zahnkolben 6 und 6a ganz ohne Hinterschneidung
ausgeführt werden.
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In der gezeigten Stellung der Rotoren ist der Ausschub des Gases gerade
beendet.
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Der Steuerzylinder besteht in diesem Falle aus zwei Teilzylinderschalen
58 und 59. Beide sind mit gleichem Außendurchmesser ausgeführt und ragen mit engem
Spalt in die Bohrung 74 hinein. Die Teilschale 58 mit der schließenden Steuerkante
19 steht fest, während die Teilschale 59 mit der den Auslaß öffnenden Steuerkante
62 verdrehbar ist.
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Damit kann der Beginn des Auslasses verändert werden. Bei voller Ladung
ändert sich das Verdichtungsverhältnis, bei Teilladung kann man z.B. das Verdichtungsverhältnis
auf dem- ursprünglicben Wert halten.
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Der für die Bewegung der Teilzylinderschale 59 erforderliche Zwischenraum
60 wird nach innen durch die Wand 61 abgedeckt, die an der feststehenden Teilschale
58 befestigt ist. Der Zwischenraum 60 ist in einem Drehwinkelbereich des Steuerotors
1 angeordnet, in dem innerhalb des Gehäuses 53 stets der Gaseintrittsdruck herrscht.
Der Zwischenraum tritt also durch die darüber hinwegrotierenden Auslaßöffnungen
20 bei jeder Umdrehung zweimal mit dem eingesaugten Gas in Verbindung. Der Druck
im Zwischenraum 60 ändert sich nicht.
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In den Stirnwänden und in den zylindrischen Wänden des Gehäuses 25
sind Einspritzdüsen 65,66 angebracht, die in den Arbeitsraum münden. Durch die daran
angeschlossenen Druckleitungen 179 wird Öl, Wasser oder eine andere geeignete Flüssigkeit
zur Kühlung des Gases und der Maschine zu den Einspritzdüsen gefördert.
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Die Zahnkolben 6 und 6a des EIauptrotors 2 sind im Bereich des Kopfkreises
120 dicht an der Kante 8 mit je einer axial verlaufenden Verdrängungsrinne 160 ausgestattet.
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Diese Rinnen überdecken während des Eingriffs in der axialen Länge
die gegeniiberliegen(len geschlossexlen Abschnitte der Zahnmulden 11 des Steuerrotors
1; sie reichen also
bis in die Endabschnitte des Steuerrotors zu
den Auslaßöffnungen hinüber. Diese Rinnen bilden zwar einen winzigen "schädlichen
Raum", sie verhindern jedoch eine stoßweise Belastung der Maschine, wenn gegen Ende
des Ausschubs größere, eingespritzte Flüssigkeitsmengen zur Auslaßöffnung hin verdrängt
werden müssen.
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Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt,der beispielsweise der Schnittlinie
E-E in Fig. 5 entsprechen könnte. Die beiden Rotoren 1 und 2 sind einseitig fliegend
angeordnet. Die Festlager 41 befinden sich jeweils in der Stirnwand 38;die Loslager
42 sind im Getriebegehäuse 73 befestigt. Der Getrieberaum mit den Zahnrädern 43
und 44 ist in der üblichen, bereits in Fig. 2 beschriebenen Weise abgedichtet.
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Der geschlossene Abschnitt 142 der Zahnmulden des Steuerrotors 1 befindet
sich an dem der Lagerseite zugewandten Ende der Zahnkolben 5, 5a. Der Abschnitt
171, in dem die Auslaßöffnungen 20 im Grunde der Zahnmulden des Steuerrotors 1 angeordnet
sind, liegt am entgegengesetzten Ende der Zahnkolben 5, 5a. Die Stirnwand 39 schließt
das Gehäuse 25, 53 ab.
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In einer konzentrisch zum Steuerrotor 1 liegenden Öffnung ist die
feststehende Teilschale 58 des Steuerzylinders fixiert. Die verdrehbare Teilzylinderschale
59 ragt durch diese Öffnung in die Bohrung 74 des Steuerrotors 1 hinein.
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Die Teil schale 59 wird von der Verlängerung 67 getragen, die mit
der koaxialen Welle 68 verbunden ist. Diese Welle ist in dem Auslaßgehäuse 71 gelagert
und ist mit den Dichtungselementen 70 abgedichtet. Am herausragenden Ende der Welle
68 ist eine Verstell- und Feststellvorrichtung 69 angebracht, über die das Verdichtungsverhältnis
der Maschine verändert werden kann. Am Auslaßgehäuse 71 befindet sich der Auslaßanschluß
72.
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Die Stiruflächen 163 und 164 der Steuerzylinderteilschalen 58 bzw.
59 dichten mit einem engen Spalt den Gasauslaßkanal 29 gegen die Stirnfläche lC2
der inneren Nabe 150 des Steuerrotors 1 nb.
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Bei dieser Ausfiihrung der Maschine is t; die Einrichtung zur Verstellung
des Verdichtungsverhältnisses in besonders ein-
facher Weise auszubilden.
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Die axialen Verdrängungsrinnen 160 erstrecken sich in den Zahnkolben
6, 6a bis in den Endabschnitt 171 zu den Auslaßöffnungen 20 des Steuerrotors.
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Eine Maschine mit drei Zahnkolben 5, 5a, 5b am Steuerrotor 1 und zwei
Zahnkolben 6, 6a am Hauptrotor 2 zeigt Fig. 7.
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Bei diesen Verhältnissen können die Außendruchmesser der Rotoren etwa
gleich groß gehalten werden. Der Wälzkreis des Steuerrotors 1 ist identisch mit
dem Kopfkreis 97 der Zahnkolben 5, 5a, 5b,und der Wälzkreis des Hauptrotors 2 entspricht
dem Grundkreis der Zahnmulden 12.
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Nach dem Zusammentreffen der Zahnkolbenkanten 7 und 8 an der Gehäusekante
9 gleitet die Kante 7 mit engem Spalt an der als Zykloide ausgebildeten Flanke 77
des Zahnkolbens 6 entlang. Dadurch werden die Arbeitsräume 30 und 31 bereits beim
Zusammentreffen an der Kante 9 geschlossen, und die Kompression der nachfolgenden
Ladung kann beginnen, bevor das Ausschieben der bereits verdichteten Ladung in der
gezeigten Drehwinkelstellung der Rotoren beendet ist. Der Raum 78 füllt sich durch
die Spaltströmung etwas auf, bevor er zur Eintrittsseite des Gehäuses 53 hin geöffnet
wird.
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Die vorauslaufende Flanke 79 der Zahnkolben 6, 6a hat im wesentlichen
ein kreisbogenförmiges Profil., das dem der Zahnmuldenflanke 81 entspricht. Der
innere Teil 80 der Zahnkolbenflanke entspricht einer Zykloide, die durch die Außenkante
der Zahnmuldenflanke 81 erzeugt wird. Bei der Weiterdrehung wälzt sich jeweils eine
Flanke 37 der Zahnmulde 12 an einer Flanke 36 eines Zahnkolbens 5, 5a, 5b ab.
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Die feststehende Teilschale 58 des Steuerzylinders ist mit der Wand
61 versehen, die den Zwischenraum 60 abdeckt.Durch Verdrehung der Teilzylinderschale
59 kann durch eine entsprechende Einstellung der öffnenden Kante 62 das Verdichtungsverhältnis
in weiten Grenzen verändert werden.
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Das die Arbeitsräume 30 und 31 bildende Gehäuse 75 ist innerhalb des
Maschinengehäuses 53 angeordnet. Es wird begrenzt durch die Kompressionskanten 26
und 27 sowie durch
die Stirnwandkante 82. In der Wand des Gehäuses
75 sind zwei Öffnungen 83 angebracht, die durch Klappventile 84 verschlossen werden
können. Die Innenflächen 178 der Ventile entsprechen im geschlossenen Zustand nach
Form und Lage der Innenkontur des Gehäuses 75. Die Öffnungen 83 verbinden die Arbeitsräume
mit dem Innenraum des Gehäuses 53, in dem sich eingesaugtes Gas unter Eintrittsdruck
befindet. Ist eines der Ventile 84 geöffnet, so beginnt die Verdichtung nicht an
den Kompressionskanten 26 und 27 sondern erst dann, wenn die Zahnkolben 5a oder
6a die Öffnungskante 85 bzw. 86 erreicht haben.
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Ein Teil des Gases wird bis zu dem entsprechenden Drehwinkel wieder
ausgeschoben. Diese Ladungsverminderung senkt das Anfahrdrehmoment und wird auch
bei Teillastbedarf angewendet. Vorteilhaft wird dabei die Steueröffnung 63 so eng
eingestellt, daß der Arbeitsraum bei Öffnung des Auslasses bereits geschlossen ist.
Besonders wirtschaftlich ist darüber hinausgehend eine Einstellung, bei der die
verminderte Ladung noch auf den gewünschten Austrittsdruck verdichtet wird.
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Durch die Sprühdüsen 76 kann eine geeignete Kühlflüssigkeit durch
das Gehäuse 53 auf die außerhalb des Gehäuses 75 frei umlaufenden Rotoren tresprüht
werden. Dadurch wird eine starke Wärmeabfulir von den thermisch hoch belasteten
Rotoren bewirkt.
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Fig. 8 stellt lediglich den wirksamen Teil 75 des Gehäuses und die
Rotoren 1 und 2 mit Steuerelementen dar. Dieses Geliuseteil ist mit einem Kiihlmittelkanal.
87 versehen, welcher durch die Kanalwand 89 gebildet und Init Anschlüssen 88 für
das Kühlmittel ausgestattet ist.
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Der Steuerrotor hat vier Zahnkolben 5 bis 5c'und der IIauptrotor besitzt
drei Zahnkolben 6, 6a, 6b. Nur der irinere Teil der Zahnmuld<nflanke 23 und der
äußere Teil der Zahnkolbenflanke 24 sind als Kreisbogen geformt. Die Zahnkolbenflanke
36 und die Muldenflanke 37 sind als Abwäizprofile gestaltet, um den jeweiligen Außenbogen
des Kopfkreises 97 kurz halten zu können. Auf diese Weise wird
die
Vorkompression im Arbeitsraum des Hauptrotors 2 vermindert Die Zahnmulden 11 am
Steuerrotor 1 folgen unmittelbar auf die Zahnkolben 5 bis 5c. Die bei den vorangegangenen
Figuren dargestellten Rotorgrundkörper sind eliminiert. Das gilt in gleicher Weise
auch für den Hauptrotor 2.
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Zur Ladungsverminderung ist bei dieser Ausführung innerhalb einer
axialen Bohrung 190 in einem oder beiden Endabschnitten des Hauptrotors 2 jeweils
ein Steuerzylinder 186 angeordet, der einen Kanal 187 umschließt. Dieser Kanal führt
zu einem Raum der Maschine zurück, in dem sich Gas vom Eintrittszustand befindet.
Der Steuerzylinder 186 ist verdrehbar. Die Steueröffnung 191, die von den Zahnkolben
6, 6a, 6b überdeckt werden kann, wird durch die Kante 188 begrenzt. Der Arbeitsraum
der Maschine wird erst geschlossen, wenn die Kante 189 bei der Rotordrehung die
Kante 188 erreicht. Das überschüssige, eingesaugte Gas wird durch die Steueröffnung
191 wieder zur Eintrittsseite der Maschine zurückgefördert.
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Der Hauptrotor 2 der in Fig. 9 gezeigten Maschine weist drei Zahnkolben
6, 6a, 6b auf, während der Steuerrotor 1 fünf Zahnkolben 5 bis 5d besitzt. Bei diesen
Verhältnissen können die Durchmesser der Rotoren etwa gleich groß ausgeführt werden.
Die vergleichsweise hohe Anzahl der Zahnkolben führt zu einer hohen Einsaug- und
Ausschubfrequenz, einem weitgehend ausgeglichenen Antriebsdrehmoment und guter Laufruhe.
Die Zahnkolben 5 bis 5d sind mit Hohlräumen 158 versehen, die sicli über die ganze
Zahnkolbenlänge oder nur etwa durch die Endabschnitte der Zahnkolben erstrecken.
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Der Steuerzylinder des Steuerrotors 1 besteht aus der feststehenden
Teilschale 58 und der verdrehbaren Teilschale 59, die in diesem Falle mit Wand 96
versehen ist. Diese Wand setzt sich bis zur öffnenden Kante 62 fort 1md ist mit
dem Durchlaßschlitz 108 ausgestattet der durch Überdeckung mit der variablen Steueröffnung
(3 den Steuerqalerschnitt freigibt.
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Das den Arbeitsraum bildende Gehäuse 166 ist um die Welle 3 des Steuerrotors
1 schwenkbar gelagert. Es kann zur Ladungsverminderung mittels des auf der Welle
92 angebrachten Exzenterzaptens 93 über die Schubstange 94 und den Gelläusezapfen
95 aus der gezeigten Arbeitsposition vom Hauptrotor 2 abgeschwenkt werden. Dadurch
wird die Bildung eines größeren Arbeitsraumes verhindert. Lediglich der kleine Ladungsanteil,
der beim Zusammentreffen der Kanten 7 und 8 eingeschlossen wird, kann komprimiert
und ausgeschoben werden.
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Fig. 10 stellt einen Längsschnitt durch den axialen Endbereich des
Steuerrotors 1 ulld die damit im Zusammenhang stehenden Elemente beispielsweise
etwa entlang der Linie D-D in itig 9 dar. Die innere Nabe 150 ist im geschlossenen
Bereich 142 der Zahnmulden mit den Zahnkolben 5, 5b verbunden. Die Hohlräume 158
erstrecken sich etwa über die Länge der Endabschnitte 171, um die Masse der frei
überstehenden Enden der Zaknkoiben zu reduzieren. Die Hohlräume sind durch die Scheiben
159 verschlossen, um die Ansammlung von Ablagerungen zu vermeiden.
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Die Gehäusestirnwand 38 ist mit der feststehenden Teilschale 58 des
Steuerzylinders verbunden. Zwischen der radialen Gleitfläche 110 Imd der axialen
Gleitfläche 111 ist die verdrehbare Teilzylinderschale 59 geführt. Der Spalt zur
Stirnwand 38 ist durch die Dichtung 109 verschlossen.
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Der Durchlaßschlitz 108 wird durch den Abschlußring 177 begrenzt.
Die Dichtflächen 163 und 164 der Teilzylinderschalen dichten gegen die Dichtfläche
162 der inneren Nabe 150 ab. Diese Flächen können mit Labyrinthnuten 165 versehen
sein.
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Der Lagerdeckel 112 schließt die Teilzylisldersellale 59 ein. Diese
wird mittels des Verstellhebels 113 in die Drehwinkelposition ge1>racht, die
dem gewünschten Konipressionsverhältnis entspricht.
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Das Auslaßgehäuse 71 trägt das Lagergehäuse 114 mit den Wellendichtungen
40 und dem Loslager 42 für die Rotorwelle 3.
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In Fig. 11 ist eine Maschine mit je vier Zahnkolben 5 bis 5c und 6
bis 6c an den Rotoren 1 bzw. 2 dargestellt. Die verwendeten Profilformen führen
zu einer besonders guten Laufruhe. Der Wälzkreis des Steuerrotors 1 entspricht dem
Kopfkreis 97, derjenige des Hauptrotors 2 dem Zahnmuldengrundkreis 54. Der Bogen
des Kopfkreises 97 an den Zahnkolben 5 bis 5c ist kurz gehalten. Dadurch wird eine
Vorverdichtung im Arbeitsraum 31 praktisch vermieden. Die Abwälzung der Flanken
36 an den Flanken 37 ergibt eine weitgehend ausgeglichene Verdrängung.
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Die Kammer 78 zwischen den Flanken 10, 15 und 77 wird durch die nachfolgend
beschriebene Maßnahme ständig auf dem Saugdruckniveau gehalten. Bereits beim Zusammentreffen
der Kanten 7 und 8 an der Gehäusekante 9 werden die Arbeitsräwne 30 und 31 abgeschlossen.
Die Kante 7 wird dann an der Flanke 77 entlang verschoben. Die Flanke 77 ist dementsprechend
in Form einer nach außen gewölbten Zykloide ausgebildet. In den Zahnkolben 6 bis
Gc sind entweder schräg verlaufende Hohlräume 100 oder etwa in Querschnittsebenen
liegende Hohlräume 98 und axiale Hohlräume 99 in beliebigen Kombinationen angeordnet,
die jeweils einen Punkt der Flanke 77, der dicht an deren Außenkante 8 liegt, mit
einem Bereich der Maschine verbinden, in welchem der Gaseintrittsdruck herrscht.
Iii der gezeigten Ausführung enden die Hohlräume an einem Punlst einer Stirnfläche
des l1auptrotors 1, der während der Bildung der Kammer 78 bereits über die Gehäusekante
82 in den Eintrittsbereich des Gehäuses 53 hinausgedreht ist. Während der Vergrößerung
der Kanimer 78 strömt angesaugtes Gas unter Eintrittsdruck durch die Hohlräume 98,99,100
in die Kammer ein. Dadurch werden verlustbringende Druckunterschiede vermieden.
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Zusätzlich zu den Sprühdüsen 76 sind im Gehäuse 53 Sprühdüsen 76a
angebracht, durch die eine geeignete Kühlflüssigkeit auf das die Arbeitsräume bildende
Gehäuse 167 gespritzt worden kaun. Zum Zwecke der Ladungsverminderung kann das Gehäuse
167 vom Steuerrotor 1 weg lxm die Achse des Hauptrotors 2 abgeschwenkt werden Dazu
dient die Schrauben spindel 1G2, Linie mit dem Handrad 105 versehen ist. Der ver-
schiebbare
Mutterblock 104 ist über die Schubstange 4 mit dem Gehäusezapfen 95 verbunden.
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Die Maschine entsprechend Fig. 12 besitzt einen Hauptrotor 2 mit vier
Zahnkolben 6 bis 6c und einen Steuerrotor mit fünf Zahnkolben 5 bis 5d. Die Zahnkolbenprofile
sind ähnlich den Profilen in Fig. 13 geformt. Die Wälzkreise entsprechen auch hier
dem Kopfkreis 97 und dem Zahnmuldengrundkreis 54. Das Zahnkolbenverhältnis 4:5 erlaubt
es, die Rotoren bei ausreichender Eingriffstiefe angenähert mit dem gleichen Außendurchmesser
zu bauen.
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Ziir Ladungsverminderung ist in der Gehäusestirnwand 38, 39 ein gerader
Schieber 192 vorgesehen, der in der Bahn 193 geführt ist. Durch die Steueröffnung
194 wird ein Teil der Ladung durch den Kanal 198 wieder zur Eintrittsseite hin zurückgefördert.
In der geschlossenen Stellung befindet sich die Öffnung 194 in der Nähe der Kompressionskante
26 außerhalb des Arbeitsraumes 30. Die Kante 195 befindet sich dabei am entgegengesetzten
Ende des Arbeitsraumes 31 in der Nähe der Kompressionskante 27. Die Steueröffnung
194 ist so bemessen, daß sie in jeder möglichen Einstellung von den Zahnkolben 5
bis 5d überdeckt wird.
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Die Maschine in Fig. 13 besitzt vier Zahnkolben 6 bis 6c an Hauptrotor
2 und sechs Zahnkolben 5 bis 5e am Steuerrotor 1. Die Wälzkreise entsprechen dem
Kopfkreis 97 und dem Zahnmuldengrundkreis 54. Unter diesen Ver1iältnissen können
bei guter Eingriffs tiefe beide Rotoren den gleichen Außendruchmesser erhalten.
Daraus ergeben sich besonders ausgewogene Formen, eine hohe Ausschubfrequenz und
eine gleichmäßige Arbeitsweise der Maschine.
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Die Kammer 78 wird durch die Nuten 106, die in den Rotorstirnflächen
angebracht sind, mit cintrittsseitigcrn Gas aufgefüllt. Die Nuten 106 führen von
einem Punkt der ilanke 77, der dicht an deren Außenkante liegt, jeweils zu der Tasche
107 in der Gehäusestirnwand.
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Die durch die e Kühldüsen 76 und 76a eingesprühte Flüssigkeit läuft
durch das Rotor 1()1 am Gehäuse 53 ab.
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Allch bei dieser Konstniktion können die Bögen des Kopf-
kreises
97 kürzer gehalten werden, indem die Zahukolben 5 bis 5d im Bereich der Kante 170
abgerundet und die entsprechenden Teile der Bögen des Zahnmuldengrundkreises 54
verkürzt nd mit einem zur Abrundung der Kante 170 lassen den Abwälzprofil wie in
den Fig. 11 und 12 versehen werden.
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Der Längsschnitt in Fig. 14 entspricht etwa der Schnittlinie E-E in
Fig. 13. Der Steuerrotor 1 ist in beiden Endabschnitten 171 mit je einer Bohrung
74, 74a versehen, in die jeweils ein Steuerzylinder 16,16a hineinragt. Der geschlossene
Abschnitt 142 liegt in der Mitte des Rotors. Die Steuerzylinder umschließen die
Auslaßkanäle 29, 29a. Diese sind über die Auslaßgehäuse 49 mit den Auslaßanschlüssen
72, 72a verbunden.
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Bei diesem Aufbau ergibt sich eine symmetrische Rotorform.
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Die Gas- und die Massenkräfte stehen jeweils im Gleichgewicht in bezug
auf die Rotormitte.
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Die Nuten 106 befinden sich in einer oder beiden Stirnflächen des
Hauptrotors 2. Ferner wird der Verlauf der schrägen Hohlräume 100 sowie der Hohlräume
98 und 99 cntsprechend Fig. 11 beispielhaft gezeigt. Diese Nuten und IIohlraume
verbinden Punkte der nachlaufenden Flanken der Zahnkolben 6, 6b, wolche dicht an
deren Außenkante 8 liegen, mit den Tasclletl 107 in dcu Stirnwänden 38, 39 in den
Drehwinkelbereichen, in welchen die Kammer 78 (siche Fig. 11 und 13) gebildet wird.
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Einen Steuerrotor 1, bei dem der Radius der Bohrung 74 für die Aufnahme
des Steuerzylinders oder der Steuerzylinderteilschalen 58, 59 kleiner ist als der
Radius des Grundkreises 151 der Zahnmulden 11, zeigt Fig. 15. Die Auslaßöffnungen
137 haben einen 1>eliebigen Querschnitt und bcsitzen eine radiale. Tiefe 140.
Die schließende Kante 174 der Teilschale 58 ragt entgegen der Drehrichtung des Rotors
1 iiber die Achsenmitteuebene hinaus. Die schließende Kante 139 an der Auslaßöffnung
137 bildet dort eine Dichtlinie, bevor die Dichtlin@e zwischen den Flanken 79 und
81 aufgehoben wird. Die Auslaßöffnungen 137 besitzen eine öffnende Kante 138.
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Die den Zwischenraum 60 abdeckende Wand 96 ist an der verdrehbaren
Teilzylinderschale 59 befestigt. Die Wand reicht bis zur öffnenden Kante 62 und
ist mit dem Durchlaßschlitz 108 versehen, welcher die Steueröffnung 63 überdeckt.
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Innerhalb der Zahnmulden 11 und der Auslaßöffnungen 137 mit der radialen
Tiere 140 bestehen zwar bei Beendigung des Ausschubs kleine "schädliche Räume".
Der Vorteil der stabileren Rotorstruktur überwiegt jedoch in vielen Fällen diesen
Nachteil.
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In Fig. 15a wird gezeigt, daß der schädliche Raum" mit einer speziellen
Profilform der Hauptrotorzahnkolben 6 nahezu ohne Kopfkreisbogen in diesem Falle
auf das Volumen der Auslaßöffnungen 137 a beschränkt werden kann. Dazu werden die
Flanke 79 als Kreisbogen um den beiden Wälzkreisen zugehörenden Punkt 121 und die
Gegenflanke 81,91 als in dieser Rotorstellung eng danebenliegender Parallelkreisbogen
ausgebildet. Der Kopfkreisbogen des Hauptrotors 2 wird an der Kante 8 praktisch
bis auf die Länge Null reduziert. In dieser Ausführung werden die beiden Kanten
138a und 139 der Auslaßöffnung 137a gleichzeitig von der Flanke 79 abgedeckt Bei
diesem Drehwinkel muß der Auslad durch Überdeckung der Kanten 139 und 174 gesperrt
sein.
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Fig. 16 stellt einen Längsschnitt etwa entlang des Linienzuges F-F
in Fig. 15 dar. Die Auslaßöffnungen 137 liegen in den Endabschnitten 171. Zwischen
den einzelnen Öffnungen und am Ende der Zahnmulden sind Stege 141 vorgesehen, durch
welche je zwei benachbarte Zalmkolben 5 stabil verbunden sind. Der Durchlaßschlitz
108 befindet sich in der Wand,die an der verdrehbaren Teilschale 59 des Steuerzylindersbefestigt
ist. Der Schlitz ist in Überdeckung mit der Steueröffrnrng 63 llnd den Auslaßöffnungen
137 dargestellt. Durch die Labyrinthnuten 165 wird die Abdichtung der Steuerzylinderteilschalen
gegen die innere Nabe 150 verbessert.
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Eine Maschine, bei welcher drei Rotoren 1,1z und 2 jeweils paarweise
der Erfindung entsprechend mit-einander im Eingriff stehen, zeigt Fig. 17. Der Hauptrotor
2 ist in der Mitte angeordnet. Einander gegenüberliegend arbeiten die Steuerrotoren
1, lz mit jeweils getrennten Umfangsbereichen
des Hauptrotors zusammen.
Die Arbeitsräume werden durch die Gehäuse 75 und 75z gebildet.
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Vorteilhaft ist es, den Hauptrotor mit einer ungeraden Anzahl von
Zahnkolben 6,6a und 6b auszustatten. Dadurch wird erreicht, daß die Phasen des Ausschubs
durch die Steueröffnungen 17 und 17z an den Steuerzylindern 16, 16z nicht zeitgleich
zusammenfallen sondern sich ausgleichend ergänzen. Zur Vergrößerung des Einsaugquerschnittes
sind die Gehäusestirnwände mit Aussparungen 124 versehen, die an die Kompressionskanten
27 anschließen und etwa dem Profil der vorauslaufenden Flanke der Zahnkolben 6,6a,6b
entsprechen.
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Ebenfalls drei Rotoren 1,2,2z besitzt die Maschine gemäß Fig. 18.
Der mit der ungeraden Anzahl von fünf Zahnkolben 5 bis 5d ausgestattete Steuerrotor
1 ist zwischen den beiden Hauptrotoren 2 und 2z angeordnet. Diese Bauweise ist von
Vorteil, wenn die Maschine mit verstellbarem Verdichtungsverhältnis betrieben werden
soll. Der Steuerrotor ist mit zwei feststehenden Steuerzylinderteilschalen 58, 58z
und zwei gemeinsam verdrehbaren Teilschalen 59, 59z ausgestattet, deren Steueröffnungen
63, 63z in den gemeinsamen Innenraum des Stellerzylinders münden. Die Zwischenräume
60 am Steuerzylinder liegen aiich hier't>ei in Drehwinkelbereiehen, in denen
im Gehäuse der Gaseintrittsdruck herrscht.
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Im übrigen entsprechen die Elemente der in Fig. 17 und Fig. 18 gezeigten
Maschinen denen der voraufgegangenen Figuren, Maschinen mit drei Rotoren haben einen
doppelt so großen Fördervolumenstrom wie eine Maschine mit zwei Rotoren gleicher
Größe; sie erfordern jedoch viel weniger als den doppelten Bauaufwand. Eine noch
weitergehende Erhöhung der Rotorenanzahl lohnt sich normalerweieie nicht.
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Die Eingriffsverhältnisse und die Ausbildung der dichtenden Spalte
werden durch die Fig. 19, 20 und 21 speziell demonstriert. Jn Fi,T. 19 wird die
Drehstellung gezeigt, in welcher zwischen dem Kopfkreis 120 und dem Steuerzylinder
16 bzw. der Teilschale 58 des Steuerzylinders am Spalt 119 eine neue Dichtlinie
entsteht, bevor die Dichtfläche am Spalt 116 zwischen den Flanken 79 und ö1 aufgelöst
wird.
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Hierbei haben diese Flanken das Profil von Kreisbögen mit dem den
beiden Wälzkreisen gemeinsamen Punkt 121 als Mitte.
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Der Auslaß ist noch nicht gesperrt. Die Auslaßöffnung 20 überdeckt
nocli die Steueröffnung 17 bzw. 63. Die Kammer 78 zwischen den Flanken 10 und 77
ist verschlossen durch den Spalt 117 an der Kante 7 und den Spalt 118 an der Kante
8.
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Zwischen dem Steuerzylinder 16 bzw. 58 wie auch 59 und der Rotorbohrung
74 besteht der enge Spalt 115.
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Der i dieser Stellung noch wirksame Arbeitsraum ist begrenzt durch
die an der Kante 22 beginnende Flanke 15, den Spalt 118 und weiter durch den Kopfkreis
120, den Spalt 119 sowie den bis zur Kante 19 reichenden Teil des Steuerzylinders.
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Die nächste wichtige Drehstellung ist in Fig. 20 dargestellt. Die
Kante 8 hat sich an der Flanke 15 entlang bis zur Kante 22 weitergeschoben. Diese
Kante 22 bildet andererseits mit der um den Winkel α entgegen der Rotordrehrichtung
über die gemeinsalne Rotoraclis enmittenebene M hinausragenden Kante @ 9 des Steuerzylinders
eine neue Dichtlinie. Der Arbeitsraum ist praktisch bis auf Null reduziert, der
Ausschub ist beendet.
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Bei der Ausführung nach Fig. 21 ist die vorauslaufende Innenkante
123 des Zahnkolbens 5 (also die schließende Kante der Auslaßöffnung) nicht spitzwinkli@
g und scharf wie in Fig. 20 ausgebildet, sondern in geringem Maße abgestumpft.
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Die Kantenbreite soll dabei nur wenige Millimeter, vorzugswei se jedoch
weniger als drei NlilL limeter betragen. Das fübrt auch bei $pröden Werkstoffen
zu einer ausreichenden Festigkeit: der Zahnkolben im Bereich der Kalte 123. Der
über die Mit Mittenebene M hinausragende Teil des Steuerzylinders muß auf den Mittelpunktswinkel
ß vergrößert werden, damit gewährleistet ist, daLS zwischen der Kante 123 und der
Kante 19 bereits eine Dichtlinie gebildet: ist, bevor die Kante 8 die Kante 123
passiert. Hierbei ergibt sich nur ei n winziger "schädlicher Raum1, zwischen der
abgestumpften Kante 123, dem Steuerzylinder imierhalb des Winkels /3 und dem Kopfkreis
des Hauptrotors, der praktisch keine Verschlochterung des Wirkungsgrades der Maschine
bewirkt.
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Die in Fig. 22 teilweise dargestellte Mascliine besitzt eine zusätzliche
Steueröffnung in der Stirnwand des Gehäuses, welche einerseits durch den Kreisbogeri
134 und andererseits durch den Bogen 133 begrenzt ist. Der Kreisbogen 134 überragt
den Kopfkreis 120 des Hauptrotors 2 um die Uberdeckungsbreite 131. Der Bogen 133
entspricht etwa der Lage 81a der Flanke 81 (bzw. 23)der Zahamulde 11 am Steuerrotor
1, wenn die in diesem Falle abgestumpfte Kante 136 die öffnende Kante 18 bzw. 62
des Steuerzylinders 16 bzw. 59 erreicht. Auch hier ist eine Überdeckungsbreite 132
vorgesehen. Die beiden Bogen 134 und 133 bilden die Ecke 135. Die zusätzliche Steueröffnung
in der Gehäusestirnwand ist nicht breiter als die Steueröffnung 17 bzw.
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die verstellbare Steueröffnung 63 in deren engster Einstellung. Durch
die Zusatzöffnung wird der Querschnitt der radialen Steueröffnung 17 bzw. 63 vergrößert.
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In Fig. 23 wird gezeigt, in welcher Art die Rotoren 1 und 2 aus Einzelteilen
zusammengesetzt werden können, wenn diese Bauweise gegenüber der Herstellung aus
einem Stück vorgezogen wird. Die innere Nabe 150 ist auf der gesonderten Welle 3
befestigt. Mit Schrauben 129 und mit Zentrierstiften 130 sind die Zahnkolben 5i
auf der inneren Nabe 150 wie auch die Zahnkolben 6i auf dem Rotor 2 angebracht.
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Zur Erhöhung der Stabilität des Steuerrotors 2 ist an den Stirnseiten
der Zahnkolben 5i ein Stirnring 125 mit Schrauben 126 nd Zentrierstiften 127 1)efestigt.
Dieser Stirnring verbindet die frei über die innere Nabe 150 hinausragenden Enden
der Zahnkolben untereinander. Er nimmt teilweise die Zentrifugalkräfte auf und verteilt
die Gaskräfte auf alle Zahnkolben. Der Stirnring ist in einem ringförmigen Hohlraum
in der Stirnwand 38 mit engem Spalt eingepaßt. Die Wandplatte 128 deckt den Hohlraum
in der Stirnwand mit enge Spalt gegen den Stirnring 125 ah.
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Ein derartiger Stirnring kann auch bei Steuerrotoren verwendet werden,
die im übrigen aus einem Stück hergestellt sind. Ist der Steuerrotor mit zwei Endabschnitten
171 versehen, so werden selbstverständlich auch zwei Stirnringe
125
angebracht.
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Zur Erhöhung der Stabilität ist die Steueröffnung 17 im Steuerzylinder
16 an dem der inneren Nabe 150 zugewa tdten Ende durch das Ringsegment 175 abgeschlossen.
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Den Aufbau eines Steuerrotors 1 zeigt Fig. 24 in allen wesentlichen
Einzelheiten. Dargestellt ist die geschnittene innere Nabe 150 mit der Welle 3 und
mit nur einem von beispielsweise sechs gleichartigen Zahnkolben 5. Der geschlossene
Abschnitt 142 der Zahnmulde liegt in der axialen Mitte der Zahnkolben. In jedem
Endabschnitt 171 ist im Grunde der Zahnmulde eine Auslaßöffnung 20 angeordnet. Die
Flanken 10, 15 des Zahnkolbens 5 bzw. der Mulde schließen mit der Kante 7 an den
Kopfkreis 97 an.
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Die Muldenflanke -15 würde bei voller Ausbildung mit dem Bogenstück
153 zur Linie 152 auf dem Zahnmuldengrundkreis 151 auslaufen. Bei der gezeigten
Ausführung sind die nachlaufenden Kanten 123 an den Auslaßöffnungen 20 in geringem
Maße abgestumpft, und die axiale Verdrängungsrinne 154 ist mit den Kanten 123 in
einer Linie bis auf den Grundkreis 151 der Zahnmuldo ausgearbeitet.
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Die Bohrungen 74 sind beiderseits innerhalb der Endabschnitte 171
bis an die Stirnflächen 162 der inneren Nabe 150 herangeführt.
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Auch die vorauslaufenden, öffnenden Kanten 136 an den nächstfolgenden
Auslaßöffnungen sind in geringem Maße abgesüumpft. Sowohl an den Kanten 123 wie
auch 136 sind im Übergangsbereich von den Endabschnitten 171 in den Abschnitt 142
der Zahnkolben 5 Entlastungskerben 155 angebracht, welche die an diesen Stellen
auftretenden Zugspannungen herabsetzen. Der Hohlraum 158 erstreckt sich etwa über
die Länge des Endabschnittes 171 innerhalb des Zahnkolbens. Zum offenen Ende hin
ist der Hohlraum konisch erweitert. Durch diesen Hohlraum werden die Zentrifugalkräfte
an Endabschnitt der Zahnkolben vermindert, ohne die Biegesteifigkeit wesentlich
zu beeinträchtigen. Die konische Form verhindert Ablagerungen im Inneren. Der Hohlraum
158 kann auch in mehrere nebeneinanderliegende Hohl-
räume aufgeteilt
sein.
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Einen Steuerzylinder 16 mit der Steueröffnung 17 zeigt Fig. 25 in
Draufsicht. Der Pfeil deutet die Lage des Endabschnittes 171 der korrespondierenden
Zahnkolben und -mulden an. Die öffnende und die schließene Kante 18 bzw. 19 sind
mit Ausbuchtungen 172 und 173 rers,#hen, die zur Abdeckung der Entlastungskerben
entsprechend; Position 153 in Fig. 24 dienen. Befestigt wird der Steuerzylinder
mit dem Flansch 176, oder er wird unmittelbar mit einer der Stirnwände 38, 39 oder
mit dem Au,slaßgehäuse 49 verbunden.
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Fig. 26 stellt einen Steuerzylindet 16 entsprechend Fig.
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25 dar, dessen Steueröffnung 17 durch ein Ringsegment 175 abgeschlossen
ist Die der Fig. 27 entsprechende Maschine weist für den Zweck der Ladungsverminderung
einen Drehschieber 180 auf, der einen Teil der Stirnwand 38,39 des Gehäuses bildet.
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Schieber ist konzentrisch zum Hauptrotor 2 angebracht und verdrehbar.
Er besitzt eine Steueröffnung 185, die in der geschlossenen Stellung in der Nähe
der Kompressionskante 27 liegt. Der Schieber ist in der Bahn 182 geführt, die bis
zum herausgezogenen Ende 181 der Fläche der Stirnwand 38,39 reicht. Der Sektor 184
des Schiebers hat keine Funktion.
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Wird der Schieber mit der Steueröffnung 185 im Sinne der Rotordrehung
in den Arbeitsraum 31 des Hauptrotors verstellt, so wird eine Verbindung zu; dem
Auslaßkanal 198 hergestellt. Über diesen Weg wird ein Teil der Ladung wieder zur
Eintrittsseite, ggf. unter Zwischenschaltung eines Kühlers, zurückgefördert. Die
Steueröffnung 185 ist so bemessen, daß diese jeweils durch die Zahnkolben 6 bis
6c überdeckt wird. Dadurch wird für den Fall des Einsatzes eines Kühlers ein direktes
Zurückströmen der Überschußladung vermieden.
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Die erfindungsgemäße Ausfiihrlmg führt zu einem außerordentlichen
Fortschritt im Bau von Drehkolbenmaschinen mit
achsparallelen Zahnkolben.
Trotz des großen Freiheitsgrades in der Wahl des Verdichtungsverhältnisses und der
Größe der Auslaßöffnungen, kann die Maschine ohne "schädlichen Raum" aufgebaut werden.
Das Verdichtungsverhgltnis ist modulierend zu verstellen; die Ladung ist modulierend
oder in einfacher Art stufenweise zu vermindern. Die Ausschubfrequenz ist frei zu
bestimmten, Der Steuerrotor besitzt eine stabile Struktur.
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Gegenüber den Maschinen mit schraubenförmig verlaufenden Zahnkolben
sind Maschinen gemäß der Erfindung einfacher und mit höherer Genauigkeit herzustellen.
Die Spalte zwischen den Rotoren können enger gehalten werden. Die Dichtlinien zwischen
Arbeitsräumen, die unter verschiedenem Druck stehen, fallen kürzer aus. Es müssen
auch keine profilbedingten Undichtigkeiten der Arbeitsräume in Kauf genommen werden
Es ist auch ein Merkmal dieser Erfindung, daß die Rotoren für den Fall, daß sehr
hohe Ausschubfrequenzen gefordert werden, mit Anzahlen von Zahnkolben ausgestattet
werden, die größer sind als die beispielsweise in Fig. 13 gezeigten. Die Prinzipien,
nach denen die Rotoren mit den Zahnkolben und die Steuerzylinder dabei auszubilden
sind, bleiben denen gleich, die für die niedrigen Anzahlen von Zahnkolben dargestellt
sind.
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Die Maschinen können für die Verdichtung beliebiger Gase und Dämpfe
verwendet werden. Mit entsprechender Kühlung sind hohe Verdichtungsverhältnisse
erzielbar. Die Maschinen können als Kompressor wie auch als Vakuumpumpe arbeiten
In Umkehrung aller Funktionen und Strömungsrichtungen wirken dib der Erfindung entsprechenden
Drehkolbenmaschinen als Expansions-Kraftmaschinen für Gase und Dämpfe.
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Die Drehrichtung ändert sich; aus dem Gaseintritt wird der Austritt.
Dort wo eine Kühlung beim Kompressor zweckmäßig erscheint, kann bei der Umkehrung
eine Erhitzung des Gases oder Dampfes und auch eine Wiederverdampfung von eventuell
gebildetem Kondensat vorteilhaft sein.
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L e e r s e i t e