EP0545190A1 - Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip - Google Patents

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EP0545190A1
EP0545190A1 EP92119877A EP92119877A EP0545190A1 EP 0545190 A1 EP0545190 A1 EP 0545190A1 EP 92119877 A EP92119877 A EP 92119877A EP 92119877 A EP92119877 A EP 92119877A EP 0545190 A1 EP0545190 A1 EP 0545190A1
Authority
EP
European Patent Office
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curvature
spiral
displacement
spirals
housing
Prior art date
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Granted
Application number
EP92119877A
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English (en)
French (fr)
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EP0545190B1 (de
Inventor
Roland Kolb
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aginfor AG
Original Assignee
Aginfor AG fuer industrielle Forschung
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Aginfor AG fuer industrielle Forschung, ABB Asea Brown Boveri Ltd, Asea Brown Boveri AB filed Critical Aginfor AG fuer industrielle Forschung
Publication of EP0545190A1 publication Critical patent/EP0545190A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0545190B1 publication Critical patent/EP0545190B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C1/00—Rotary-piston machines or engines
    • F01C1/02—Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents
    • F01C1/0207—Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents both members having co-operating elements in spiral form
    • F01C1/0246—Details concerning the involute wraps or their base, e.g. geometry
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C1/00—Rotary-piston machines or engines
    • F01C1/02—Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents
    • F01C1/0207—Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents both members having co-operating elements in spiral form
    • F01C1/0215—Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents both members having co-operating elements in spiral form where only one member is moving
    • F01C1/0223—Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents both members having co-operating elements in spiral form where only one member is moving with symmetrical double wraps

Definitions

  • the invention relates to a displacement machine for compressible media with at least one spiral-like conveying space arranged in a fixed housing, which spans a wrap angle of approx. 360 °, and with a spiral-type displacer associated with this conveying space, which spans a wrap angle of approx. 360 ° and on a disc-shaped rotor which can be driven eccentrically with respect to the housing is held in such a way that during operation each of its points executes a circular movement delimited by the circumferential walls of the conveying space, and its curvature relative to that of the conveying space is dimensioned such that it adjoins the inner and outer circumferential walls of the conveying space in each case almost touched at least one sealing line that progressed continuously during operation.
  • Displacement machines of the spiral type are known, for example, from DE-C-26 03 462.
  • a compressor constructed according to this principle is characterized by an almost pulsation-free conveyance of the gaseous working medium, which consists, for example, of air or an air / fuel mixture, and could therefore also be used with advantage for charging purposes of internal combustion engines.
  • the gaseous working medium which consists, for example, of air or an air / fuel mixture
  • several, approximately crescent-shaped work spaces are enclosed between the spiral-shaped displacement body and the two peripheral walls of the displacement chamber, which move from the inlet through the displacement chamber to the outlet, their volume constantly decreasing and the pressure of the work equipment is increased accordingly.
  • the wrap angle of the spirals leads to a compressor with internal compression.
  • a second spiral part with a significantly smaller radius of curvature is attached to a spiral extending over 360 °.
  • a machine of the type mentioned at the outset, in which the spirals span a total wrap angle of approximately 360 °, is known from EP-A-0 321 781. These machines, which are used for charging internal combustion engines, show that a geometrically internal compression of approx. 1 represents the optimal value.
  • the above-mentioned second spiral part with a significantly smaller radius of curvature can thus be omitted.
  • This known machine works with a displacer, the spiral walls of which are fastened on both sides to a central wall.
  • This central wall has passage openings in the radially inner region, which make it possible for the air conveyed by the drive-side part of the spirals to get into the air-side part in order to get out of it Machine to be peeled off.
  • the invention has for its object to provide a displacement machine of the type mentioned with increased clearance between the fixed spiral ends.
  • spirals of the delivery chamber and of the displacement body extend in their predominant extent with a first curvature and have a second, significantly smaller curvature at the outlet end over an angular range between approximately 30 ° to approximately 90 °.
  • the advantage of the invention is to be seen in the fact that the free cross section of the passage openings in the rotor can be considerably increased by optimizing the spiral outlet. At high throughputs, this measure reduces the pressure losses when passing through the openings.
  • the axial thrust acting on the air outlet is reduced to the displacer. This in turn relieves the sealing strips on the end faces of the spiral ribs, via which the displacer is supported on the housing in the axial direction.
  • the invention offers the possibility of carrying the eccentric Enlarging the main shaft in diameter and thus making it stiffer, which is very important for the load capacity of the machine.
  • the spirals are provided with the significantly smaller curvature at an angle of 45 ° at the outlet end. With this measure, the greatest possible freedom can be achieved for a spiral machine with a geometric compression ratio of approx. 1.
  • the rotor of the machine is designated as a whole by 1.
  • Arranged on both sides of the disk 2 are two, displaced, mutually offset by 180 °, spirally extending bodies. These are strips 3a, 3b which are held vertically on the pane 2.
  • the spirals themselves are formed from a plurality of circular arcs adjoining one another. 4 with the hub is designated, via which the disc 2 with a roller bearing 22 is seated on an eccentric disc 23 (FIG. 3). This disk is in turn part of the main shaft 24.
  • FIG. 1 shows the housing half 7b shown on the left in FIG. 3 of the machine housing which is composed of two halves 7a, 7b and is connected to one another via fastening eyes 8 (FIG. 3) for receiving screw connections.
  • 9 symbolizes the holder for the main shaft, 10 the holder for the guide shaft.
  • 11a and 11b denote the two delivery spaces, each offset by 180 °, which are worked into the two housing halves in the manner of a spiral slot. They each run from an inlet 12a, 12b arranged on the outer circumference of the spiral in the housing to an outlet 13 provided in the interior of the housing and common to both delivery spaces. They have essentially parallel cylinder walls 14a, 14b, 15a, 15b arranged at a constant distance from one another.
  • the displacement bodies 3a, 3b engage, the curvature of which is dimensioned such that the strips almost touch the inner and outer cylinder walls of the housing at several, for example at two points each.
  • the drive and the guide of the rotor 1 are provided by the two spaced-apart eccentric arrangements 23, 24 and. 26, 27.
  • the main shaft 24 is supported in a roller bearing 17 and a slide bearing 18. At its end protruding from the housing half 7b, the shaft is provided with a V-belt pulley 19 for the drive.
  • Counterweights 20 are arranged on the shaft in order to compensate for the inertial forces arising when the rotor is eccentrically driven.
  • the guide shaft 27 is inserted in a sliding bearing 28 within the housing half 7b.
  • the two eccentric arrangements are synchronized with precise angles. This is done via a toothed belt drive 16.
  • the double eccentric drive ensures that all points of the rotor disk and thus also all points of the two strips 3a, 3b perform a circular displacement movement.
  • crescent-shaped workspaces enclosing the working medium result on both sides of the strips, which work while the rotor disk is being driven through the delivery chambers in the direction of the Outlet to be moved. The volumes of these working spaces are reduced and the pressure of the working fluid is increased accordingly.
  • the spirals of the conveying spaces 11a, 11b and the displacement bodies 1-4 which all span a wrap angle of 360 ° in total, extend in their predominant extent with a first curvature.
  • this first curvature section extends from the entry-side end of the spirals over an angle of 315 °.
  • This first section consists of two arcs A and B, with its start part A running over 180 and the end part over 135 °.
  • the pole of the beginning portion A is designated for the Verdrticianspirale in Fig. 2 with P A, that of the end portion P with B.
  • the associated radii of curvature are designated R A and R B.
  • the curvature of the second section C extends over the remaining angle of 45 ° with a significantly smaller radius of curvature.
  • This second section is also an arc, the pole of which is denoted by P C and the radius of curvature by R C.
  • the cylinder walls of the delivery rooms are adapted to this displacement form.
  • the second section C ZA of the outer cylinder wall can be clearly seen in FIG. 1.
  • the second section C Zi of the inner cylinder wall is not so clearly recognizable. This is the usual rounding of the wall at the end of the spiral, the radius of the rounding corresponding to half the wall thickness.
  • the selected configuration is therefore advantageous from the point of view of production engineering, since no special work processes are to be carried out for the inner cylinder wall.
  • the shortening angle ⁇ is plotted on the abscissa of these graphs. This is the angular range in which the second sections of the spirals with the substantially smaller radius of curvature are to be formed. The effects were examined in a range between 0 ° and 180 °. The latter value would mean that the spirals would only consist of an arc in their first section. The second part would have the much smaller radius R C and would extend over 180 °.
  • the ordinate of FIG. 4 shows the service life L of the main eccentric bearing 17 in [%]. This assumes that it is a needle bearing and that the machine is designed for a constant maximum volume flow. By shortening the spiral by the shortening angle, the orbiting mass of the rotor 1 becomes smaller and thus loads the bearing less while the speed of rotation remains the same. According to the diagram it can be seen that compared to the initial case, i.e. a 360 ° spiral without the inventive measure, any shortening in the range between 0 ° and 100 ° causes an increase in the service life. The drop that follows is due to the speed increase that becomes necessary if the speed is reduced further.
  • FIG. 6 The required increase in the speed of the main shaft 24 is shown in FIG. 6, in which the speed n is plotted on the ordinate.
  • FIG. 7 shows the displacer mass m on the ordinate.
  • a cross-comparison with FIGS. 6 and 4 shows that from a ten percent increase in speed, despite a considerable decrease in mass, the speed begins to exert a dominant influence on the service life of the rolling bearing.
  • FIG. 8 shows the available interior space D (FIG. 1) between the spiral ends in [%]. It can be seen that, compared to the initial case, a significant gain in space can be achieved by shortening over a wide angular range.

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Abstract

Eine Verdrängermaschine für kompressible Medien weist mehrere in einem feststehenden Gehäuse angeordnete spiralförmigen Förderräume auf, welche einen Umschlingungswinkel von ca. 360° umspannen. Den Förderräumen zugeordnete spiralförmige Verdrängerkörper, welche einen Umschlingungswinkel von ca. 360° umspannen, sind auf einem gegenüber dem Gehäuse exzentrisch antreibbaren scheibenförmigen Läufer derart gehalten, dass während des Betriebes jeder ihrer Punkte eine von den Umfangswänden der Förderräume begrenzte Kreisbewegung ausführt. Die Spiralen der Förderräume und der Verdrängerkörper verlaufen in ihrer überwiegenden Erstreckung mit einer ersten Krümmung und weisen am austrittseitigen Ende über einem Winkelbereich (φ) von 45° eine zweite, deutlich kleinere Krümmung auf. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Verdrängermaschine für kompressible Medien mit wenigstens einem in einem feststehenden Gehäuse angeordneten spiralartigen Förderraum, welcher einen Umschlingungswinkel von ca. 360° umspannt, und mit einem diesem Förderraum zugeordneten spiralartigen Verdrängerkörper, welcher einen Umschlingungswinkel von ca. 360° umspannt und der auf einem gegenüber dem Gehäuse exzentrisch antreibbaren scheibenförmigen Läufer derart gehalten ist, dass während des Betriebes jeder seiner Punkte eine von den Umfangswänden des Förderraumes begrenzte Kreisbewegung ausführt, und dessen Krümmung gegenüber derjenigen des Förderraumes so bemessen ist, dass er die inneren und äusseren Umfangswände des Förderraumes an jeweils mindestens einer beim Betrieb kontinuierlich fortschreitenden Dichtungslinien nahezu berührt.
    • Stand der Technik
  • Verdrängermaschinen der Spiralbauart sind beispielsweise durch die DE-C-26 03 462 bekannt. Ein nach diesem Prinzip aufgebauter Verdichter zeichnet sich durch eine nahezu pulsationsfreie Förderung des beispielsweise aus Luft oder einem Luft-Kraftstoff-Gemisch bestehenden gasförmigen Arbeitsmittels aus und könnte daher unter anderem auch für Aufladezwecke von Brennkraftmaschinen mit Vorteil herangezogen werden. Während des Betriebes eines solchen Kompressors werden entlang der Verdrängerkammer zwischen dem spiralförmig ausgebildeten Verdrängerkörper und den beiden Umfangswänden der Verdrängerkammer mehrere, etwa sichelförmige Arbeitsräume eingeschlossen, die sich von dem Einlass durch die Verdrängerkammer hindurch zum Auslass hin bewegen, wobei ihr Volumen ständig verringert und der Druck des Arbeitsmittels dementsprechend erhöht wird. Bei dieser Maschine wird davon ausgegangen, dass der Umschlingungswinkel der Spiralen zu einem Kompressor mit innerer Verdichtung führt. Hierzu ist im Anschluss an eine sich über 360° erstreckende Spirale ein zweiter Spiralenteil mit wesentlich geringerem Krümmungsradius angehängt.
  • Eine Maschine der eingangs genannten Art, bei der die Spiralen einen gesamtem Umschlingungswinkel von ca. 360° umspannen, ist bekannt aus der EP-A-0 321 781. Bei diesen Maschinen, die für die Aufladung von Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, zeigt sich, dass eine geometrisch innere Verdichtung von ca. 1 den optimalen Wert darstellt. Der oben erwähnte zweite Spiralenteil mit wesentllich geringerem Krümmungsradius kann somit entfallen. Diese bekannte Maschine arbeitet mit einem Verdränger, dessen Spiralwände beidseitig auf einer Mittelwand befestigt sind. Diese Mittelwand weist im radial inneren Bereich Durchtrittsöffnungen auf, die es ermöglichen, dass die vom antriebsseitigen Teil der Spiralen geförderte Luft in den luftseitigen Teil gelangen kann, um dort aus der Maschine abgezogen zu werden. Auf jeder Seite der Mittelwand sind zwei ineinandergeschachelte Spiralen angeordnet, deren Austritte um 180° gegeneinander versetzt sind. Dementsprechend sind auch die im Gehäuse angeordneten Förderräume konfiguriert. Dies führt dazu, dass der lichte Durchmesser zwischen den inneren Förderraum-Wandungen am Spiralenaustritt massgebend ist für den verfügbaren Raum. In diesem verfügbaren Raum muss jedoch nicht nur das von den orbitierenden Spiralen verdrängte Arbeitsmedium gefördert werden. In diesem Raum müssen auch die Antriebswelle mit dem Exzenter und die Ausgleichgewichte untergebracht werden.
    • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verdrängungsmaschine der eingangs genannten Art mit vergrössertem Freiraum zwischen den feststehenden Spiralenenden zu schaffen.
  • Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Spiralen des Förderraumes und des Verdrängerkörpers in ihrer überwiegenden Erstreckung mit einer ersten Krümmung verlaufen und am austrittseitigen Ende über einem Winkelbereich zwischen ca. 30° bis ca. 90° eine zweite, deutlich kleinere Krümmung aufweisen.
  • Der Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass durch die Optimierung des Spiralenaustritts der freie Querschnitt der Durchtrittsöffnungen im Läufer erheblich vergrössert werden kann. Bei hohen Durchsätzen werden durch diese Massnahme die Druckverluste beim Durchtritt durch die Öffnungen verringert. Dies hat unter anderm zur Folge, dass auch der in Richtung Luftaustritt wirkende Axialschub auf den Verdränger reduziert wird. Dadurch werden wiederum die Dichtleisten an den Stirnseiten der Spiralrippen entlastet, über die sich der Verdränger in axialer Richtung am Gehäuse abstützt. Desweiteren bietet die Erfindung die Möglichkeit, die den Exzenter tragende Hauptwelle im Durchmesser zu vergrössern und somit steifer zu gestalten, was für die Belastbarkeit der Maschine von grosser Bedeutung ist.
  • Es ist besonders zweckmässig, wenn die Spiralen am austrittsseitigen Ende über einen Winkel von 45° mit der deutlich kleineren Krümmung versehen sind. Mit dieser Massnahme ist für eine Spiralmaschine mit einem geometrischen Verdichtungsverhältnis von ca. 1 der grösstmögliche Freiraum zu erzielen.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    einen Querschnitt durch das antriebsseitige Gehäuseteil der Verdrängermaschine nach Linie I-I in Fig. 3;
    Fig. 2
    eine Vorderansicht des Läufers;
    Fig. 3
    einen Längsschnitt durch die Verdrängermaschine;
    Fig. 4
    ein Schaubild Lebensdauer des Hauptexzenterlagers (Nadellager) in Funktion des Verkürzungswinkels;
    Fig. 5
    ein Schaubild Hubvolumen in Funktion des Verkürzungswinkels;
    Fig. 6
    Ein Schaubild Drehzahl in Funktion des Verkürzungswinkels;
    Fig. 7
    Ein Schaubild Masse des Verdrängers in Funktion des Verkürzungswinkels;
    Fig. 8
    Ein Schaubild Innenraum in Funktion des Verkürzungswinkels;
    Fig. 9
    Ein Schaubild Durchlassquerschnitt in Funktion des Verkürzungswinkels.
    Weg zur Ausführung der Erfindung
  • Zwecks Erläuterung der Funktionsweise des Verdichters, welche nicht Gegenstand der Erfindung ist, wird auf die bereits genannte DE-C3-2 603 462 verwiesen. Nachstehend wird nur der für das Verständnis notwendige Maschinenaufbau und Prozessablauf kurz beschrieben. Der Übersichtlichkeit wegen sind in Fig. 2 der Läufer allein, in Fig. 1 nur die Förderwände und der eingelegte Verdränger gezeigt. Nicht dargestellt in Fig. 1 sind die übrigen geschnittenen Elemente wie Gehäuse, Führungswelle, Antriebswelle usw.
  • Mit 1 ist der Läufer der Maschine insgesamt bezeichnet. An beiden Seiten der Scheibe 2 sind je zwei, um 180° zueinander versetzte, spiralförmig verlaufende Verdrängerköper angeordnet. Es handelt sich um Leisten 3a, 3b, die senkrecht auf der Scheibe 2 gehalten sind. Die Spiralen selbst sind im gezeigten Beispiel aus mehreren, aneinander anschliessenden Kreisbögen gebildet. Mit 4 ist die Nabe bezeichnet, über welche die Scheibe 2 mit einem Wälzlager 22 auf einer Exzenterscheibe 23 sitzt (Fig.3). Diese Scheibe ist ihrerseits Teil der Hauptwelle 24.
  • Mit 5 ist ein radial ausserhalb der Leisten 3a, 3b angeordnetes Auge bezeichnet für die Aufnahme eines Führungslagers 25, welches auf einem Exzenterbolzen 26 aufgezogen ist. Dieser ist seinerseits Teil einer Führungswelle 27. Am Spiralende sind in der Scheibe vier Durchtrittsfenster 6, 6' vorgesehen, damit das Medium von einer Scheibenseite zur andern gelangen kann, um in einem nur einseitig angeordneten zentralen Auslass 13 (Fig. 3) abgezogen zu werden.
  • In Fig. 1 ist die in Fig. 3 links dargestellte Gehäusehälfte 7b des aus zwei Hälften 7a, 7b zusammengesetzten, über Befestigungsaugen 8 (Fig. 3) zur Aufnahme von Verschraubungen miteinander verbundenen Maschinengehäuses gezeigt. 9 symbolisiert die Aufnahme für die Hauptwelle, 10 die Aufnahme für die Führungswelle. 11a und 11b bezeichnen die zwei jeweils um 180° gegeneinander versetzten Förderräume, die nach Art eines spiralförmigen Schlitzes in die beiden Gehäusehälften eingearbeitet sind. Sie verlaufen von je einem am äusseren Umfang der Spirale im Gehäuse angeordneten Einlass 12a, 12b zu einem im Gehäuseinneren vorgesehenen, beiden Förderräumen gemeinsamen Auslass 13. Sie weisen im wesentlichen parallele, in gleichbleibendem Abstand zueinander angeordnete Zylinderwände 14a, 14b, 15a, 15b auf, die wie die Verdrängerkörper der Scheibe 2 eine Spirale von 360° umfassen. Zwischen diesen Zylinderwänden greifen die Verdrängerkörper 3a, 3b ein, deren Krümmung so bemessen ist, dass die Leisten die inneren und die äusseren Zylinderwände des Gehäuses an mehreren, beispielsweise an jeweils zwei Stellen nahezu berühren.
  • Den Antrieb und die Führung des Läufers 1 besorgen die zwei beabstandeten Exzenteranordnungen 23, 24 resp. 26, 27. Die Hauptwelle 24 ist in einem Wälzlager 17 und einem Gleitlager 18 gelagert. An ihrem aus der Gehäushälfte 7b herausragendem Ende ist die Welle mit einer Keilriemenscheibe 19 für den Antrieb versehen. Auf der Welle sind Gegengewichte 20 angeordnet zum Ausgleich der beim exzentrischen Antrieb des Läufers entstehenden Massenkräfte. Die Führungswelle 27 ist innerhalb der Gehäusehälfte 7b in einem Gleitlager 28 eingelegt.
  • Um in den Totpunktlagen eine eindeutige Führung des Läufers zu erzielen, sind die beiden Exzenteranordnungen winkelgenau synchronisiert. Dies geschieht über einen Zahnriemenantrieb 16. Anlässlich des Betriebes sorgt der Doppelexzenterantrieb dafür, dass alle Punkte der Läuferscheibe und damit auch alle Punkte der beiden Leisten 3a,3b eine kreisförmige Verschiebebewegung ausführen. Infolge der mehrfachen abwechselnden Annäherungen der Leisten 3a, 3b an die inneren und äusseren Zylinderwände der zugeordneten Förderkammern ergeben sich auf beiden Seiten der Leisten sichelförmige, das Arbeitsmedium einschliessende Arbeitsräume, die während des Antriebs der Läuferscheibe durch die Förderkammern in Richtung auf den Auslass verschoben werden. Hierbei verringern sich die Volumina dieser Arbeitsräume und der Druck des Arbeitsmittels wird entsprechend erhöht.
  • Gemäss der Erfindung verlaufen nunmehr die Spiralen der Förderräume 11a, 11b und der Verdrängerkörper 1-4, die alle einen Umschlingungswinkel von insgesamt 360° umspannen, in ihrer überwiegenden Erstreckung mit einer ersten Krümmung. Im vorliegenden Beispiel erstreckt sich dieser erste Krümmungsabschnitt vom eintrittsseitigen Ende der Spiralen an über einen Winkel von 315°. Dieser erste Abschnitt besteht aus zwei Kreisbögen A und B, wobei sein Anfangsteil A über 180 verlaüft und der Endteil über 135°. Der Pol des Anfangteils A ist für die Verdrängerspirale in Fig. 2 mit PA, jener des Endteils mit PB bezeichnet. Die zugehörigen Krümmungsradien sind mit RA und RB bezeichnet.
  • Am austrittseitigen Ende verlaüft die Krümmung des zweiten Abschnitts C über dem verbleibenden Winkel von 45° mit wesentlich kleinerem Krümmungsradius. Es handelt sich bei diesem zweiten Aschnitt ebenfalls um einen Kreisbogen, dessen Pol mit PC und dessen Krümmungsradius mit RC bezeichnet ist.
  • Entsprechend dieser Verdrängerform sind die Zylinderwände der Förderräume angepasst. Beim gewählten Beispiel ist in Fig. 1 der zweite Abschnitt CZA der äusseren Zylinderwand eindeutig erkennbar. Hingegen ist der zweite Abchnitt CZi der inneren Zylinderwand nicht so ausgeprägt erkennbar. Es handelt sich hierbei um die übliche Abrundung der Wand am Spiralenende, wobei der Radius der Abrundung der halben Wandstärke entspricht. Vom fertigungstechnischen Standpunkt ist somit die gewählte Konfiguration vorteilhaft, da für die innere Zylinderwand keine speziellen Arbeitsvorgänge durchzuführen sind.
  • Die Wirkungen der neuen Massnahme werden nachstehend anhand der Schaubilder in den Fig. 4 - 9 erläutert. Auf der Abzisse dieser Schaubilder ist jeweils der Verkürzungswinkel φ aufgetragen. Es handelt sich dabei um den Winkelbereich, in welchem die zweiten Abschnitte der Spiralen mit dem wesentlich kleineren Krümmungsradius auszubilden sind. Untersucht wurden die Auswirkungen in einem Bereich zwischen 0° und 180°. Letzterer Wert würde bedeuten, dass die Spiralen in ihrem ersten Abschnitt nur noch aus einem Kreisbogen bestehen würden. Der zweite Teil hätte den wesentlich kleineren Radius RC und würde sich über 180° erstrecken.
  • Auf der Ordinate der Fig. 4 ist in [%] die Lebensdauer L des Hauptexzenterlagers 17 aufgetragen. Hierbei wird vorausgesetzt, dass es sich um ein Nadellager handelt und die Maschine für einen konstant gehaltenen maximalen Volumenstrom ausgelegt ist. Durch die Verkürzung der Spirale um den Verkürzungswinkel wird die orbitierende Masse des Läufers 1 kleiner und belastet somit bei gleichbleibender Drrehzahl das Lager weniger. Gemäss Schaubild ist erkennbar, dass gegenüber dem Ausgangsfall, d.h. einer 360°-Spirale ohne die erfinderische Massnahne, jede Verkürzung im Bereich zwischen 0° und 100° eine Erhöhung der Lebensdauer bewirkt. Der danach erfolgende Abfall ist durch die bei weiterer Verkürzung erforderlich werdende Drehzahlerhöhung bedingt.
  • Denn die Verkürzung der Spirale hat selbstverständich eine Abnahme des in den Förderräumen maximal einschliessbaren Ansaugvolumens zur Folge. Dieser Sachverhalt geht aus der Fig. 5 hervor, in welcher auf der Ordinate das Hubvolumen V dargestellt ist. Es ist zu erkennen, dass bei einer Verkürzung der Spirale um 90° nur noch ca. 95° des ursprünglichen Volumens gefördert werden. Will man indes dieses ursprüngliche Volumen beibehalten, so muss dies durch eine Erhöhung der Kreisgeschwindigkeit des Läufers kompensiert werden.
  • Die damit erforderliche Drehzahlerhöhung der Hauptwelle 24 ist in Fig. 6 gezeigt, in welcher auf der Ordinate die Drehzahl n aufgetragen ist.
  • In der Fig. 7 ist auf der Ordinate die Verdrängermasse m aufgetragen. Hier zeigt sich im Quervergleich mit den Fig. 6 und 4, dass ab einer zehnprozentigen Drehzahlerhöhung trotz beträchlicher Masseabnahme die Drehzahl einen dominierenden Einfluss auf die Lebensdauer der Wälzlagerung auszuüben beginnt.
  • Auf der Ordinate der Fig. 8 ist in [%] der verfügbare Innenraum D (Fig. 1) zwischen den Spiralenenden aufgetragen. Erkennbar ist, dass gegenüber dem Ausgangsfall durch die Verkürzung über einen weiten Winkelbereich ein deutlicher Raumgewinn zu erzielen ist.
  • Fig. 9 zeigt schliesslich die Abhängigkeit des Querschnitts A der Durchtrittsfenster im Läufer. Die Unstetigkeit im Winkelbereich von 90° ist auf die konstruktiv und festigkeitsmässig notwendige Anordnung von Speichen zwischen den Fenstern zurückzuführen. Es zeigt sich, dass der beispielsweise gewählte Verkürzungswinkel von 45° es ermöglicht, neben den bisher üblichen Durchtrittsfenstern 6 zusätzlich Durchtrittsfenster 6' im Läufer anzuordnen (Fig. 2) und somit die durchströmte Fläche nahezu zu verdoppeln.
  • Aus alldem ergibt sich, dass ein Verkürzungswinkel im Bereich von 30° bis 90° zum gewünschten Ergebnis führt, und dass der beispielsweise dargestellte und beschriebenen Verkürzungswinkel von 45° besonders vorteilhaft ist.
    • BEZEICHNUNGSLISTE
    • 1
    Läufer
    2
    Scheibe
    3a, 3b
    Leiste
    4
    Habe
    5
    Auge
    6, 6'
    Durchtrittsfenster
    7a, 7b
    Gehäusehälfte
    8
    Befestigungsauge
    9
    Aufnahme für 24
    10
    Aufnahme für 27
    11a, 11b
    Förderraum
    12a, 12b
    Einlass
    13
    Auslass
    14a, 14b
    Zylinderwand
    15a, 15b
    Zylinderwand
    16
    Zahnriemenantrieb
    17
    Wälzlager für 24
    18
    Gleitlager für 24
    19
    Keilriemenscheibe
    20
    Gegengewicht an 24
    22
    Wälzlager für 23
    23
    Exzenterscheibe
    24
    Hauptwelle
    25
    Führungslager
    26
    Exzenterbolzen
    27
    Führungswelle
    28
    Gleitlager für 27
    φ
    Verkürzungswinkel der Spirale
    L
    Lebensdauer der Wälzlagerung
    V
    Hubvolumen
    n
    Drehzahl der Hauptwelle
    m
    Verdrängermasse
    D
    verfügbarer Innenraum
    A
    Querschnitt der Durchtrittsfenster
    A
    Anfangsteil des ersten Abschnittes
    B
    Endteil des ersten Abschnittes
    C
    Zweiter Abschnitt
    PA
    Pol des Anfangteils des ersten Abschnittes
    PB
    Pol des Endteils des ersten Abschnittes
    PC
    Pol des zweiten Abschnittes
    RA
    Radius des Anfangteils des ersten Abschnittes
    RB
    Radius des Endteils des ersten Abschnittes
    RC
    Radius des zweiten Abschnittes
    CZA
    Zweiter Abschnitt der äusseren Zylinderwand
    CZi
    Zweiter Abschnitt der inneren Zylinderwand

Claims (2)

  1. Verdrängermaschine für kompressible Medien mit wenigstens einem in einem feststehenden Gehäuse (7a, 7b) angeordneten spiralförmigen Förderraum (11a, 11b), welcher einen Umschlingungswinkel von ca. 360° umspannt, und mit einem dem Förderraum zugeordneten spiralförmigen Verdrängerkörper (1-4), welcher einen Umschlingungswinkel von ca. 360° umspannt und der auf einem gegenüber dem Gehäuse exzentrisch antreibbaren scheibenförmigen Läufer (1) derart gehalten ist, dass während des Betriebes jeder seiner Punkte eine von den Umfangswänden des Förderraumes begrenzte Kreisbewegung ausführt, und dessen Krümmung gegenüber derjenigen des Förderraumes so bemessen ist, dass er die inneren und äusseren Umfangswände des Förderraumes an jeweils mindestens einer beim Betrieb kontinuierlich fortschreitenden Dichtungslinie nahezu berührt,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Spiralen des Förderraumes (11a, 11b) und des Verdrängerkörpers (1-4) in ihrer überwiegenden Erstreckung mit einer ersten Krümmung verlaufen und am austrittseitigen Ende über einem Winkelbereich (φ) zwischen ca. 30° bis ca. 90° eine zweite, deutlich kleinere Krümmung aufweisen.
  2. Verdrängermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralen am austrittsseitigen Ende über einen Winkel (φ) von 45° mit der deutlich kleineren Krümmung versehen sind.
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