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Schraubenverdichter, bestehend aus rechts- und linksgängigen,-miteinander
in Eingriff _ stehenden; durch Zahnräder gekuppelten Schrauben .Es ist bekannt,
daß man eine rechtsgängige und eine linksgängige Schraube, die beide parallelachsig
miteinander in Eingriff stehen. und von einem ihren Außenumfang.dicht umschließenden
Gehäuse umgeben sind, als vertikal fördernde Pumpe arbeiten lassen kann. Dabei ist
vorausgesetzt, daß beide Schraubenwellen durch Zahnräder gekuppelt sind, die die
Schraubengänge von der Übertragung des Antriebsmomentes entlasten. Es ist ferner
bekannt, zwei Paar solcher Schrauben auf zwei Wellen gegenflutig anzubringen, um
die Wellenlager von dem Axialdruck der Schrauben zu entlasten. Als bekannt wird
weiterhin vorausgesetzt, daß man solche Schraubenpaare als Verdichter oder Entspanner
elastischer Flüssigkeiten (Luft, Gase, Dämpfe) betreiben kann, wenn man ihre Gewindegänge
im Verlauf der Strömung verengt oder erweitert.
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Die Erfindung betrifft Neuerungen an derartigen zur Verdichtung oder
Entspannung elastischer Flüssigkeiten dienenden Schrauben zum Zweck der Verminderung
der im Eingriffsbereich der Schraubengänge unvermeidlichen Spaltverluste und günstiger
Anpassung des Gewindequerschnittverlaufs an die Volumenänderungen des Betriebsstoffes.
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Bekanntlich können mit gleicher Steigung und gleichem rechteckigem
Gangquerschnitt ausgeführte Schrauben liei paralleler Achslage miteinander nicht
in Eingriff gebracht werden, weil ihre Gänge sich teilweise überschneiden. Die gleichen
Schrauben mit dreieckigem oder scharfem Trapezgewinde gestatten den Eingriff und
bilden im Berührungsquerschnitt, d. h. in ihrer gemeinschaftlichen Achsmittelebene,
eine Liniendichtung, wenn.Zahn und Lücke genau gleich ausgeführt sind. Außerhalb
dieser Ebene treten aber im Eingriffsgebiet zwischen den Flanken der Gewindegänge
mit zunehmend spitzer werdendem Profil zunehmende Spalten auf, wodurch Räume verschiedenen
Druckes verbunden werden und folglich Spaltverluste entstehen.
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Diese Art Spalten -werden nachstehend als Flankenspalten bezeichnet,
im Gegensatz zu den Profilspalten, die in der Berührungsebene beider Schrauben auftreten
können. Als Spalte und Spaltverluste kommen hier nur solche in Betracht, die durch
die Formgebung der Schrauben bedingt sind, nicht aber die zwischen Schraubenumfang
und-Gehäuse, durch Rücksicht auf Reibung, Herstellungsungenauigkeiten und Wärmedehnungsdifferenzen
bedingten.
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Wie nachfolgend gezeigt wird, ist es nicht möglich,. Profil- und Flankenspalten
gleichzeitig zu vermeiden; die Erfindung bietet jedoch Mittel, die verbleibenden
Spalten bei
geometrischer Ähnlichkeit der aufeinanderfolgenden Gänge
auf ein Kleinstmaß zu beschränken.
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Wenn die Erzeugende einer Gewindeschraubenfläche eine Gerade ist,
die senkrecht zur Schraubenachse steht, dann tritt zwischen den Flanken einer Rechts-
und einer Linksschraube, die wie oben in Eingriff gebracht werden sollen, eine Überschneidung
ein, die beseitigt werden kann, wenn man die Ganglücken breiter macht als die Gangprofile
oder den letzteren außen eine etwa evolventenartige Verjüngung gibt. In beiden Fällen
entstehen sowohl Profil- als auch Flankenspalten, die noch zulässig sind, soweit
die Schrauben der Förderung unelastischer Flüssigkeiten dienen, nicht aber bei elastischen,
bei denen 'bereits geringe Spaltdruckdifferenzen außerordentlich hohe Strömgeschwindigkeiten
in den Spalten erzeugen. Zwar können die Spaltverluste des elastischen Betriebsmittels
durch Beimischung geringer Mengen einer unelastischen Flüssigkeit unterdrückt und
von dieser übernommen werden, da aber auch für das unelastische Dichtungsmittel
eine Antriebsleistung aufzubringen ist, die in der Gesamtbilanz der Maschine zu
berücksichtigen ist, müssen auch hierbei die Spalten so klein wie möglich gehalten
werden.
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Die Abb. i bis 6 geben einen Einblick in die Spaltverhältnisse, die
zwischen zwei Schrauben mit Rechts- und Linksgang im Eingriffsgebiet möglich sind.
Wenn Bild i die Achsprojektion für zwei benachbarte Schraubenflanken mit geradliniger"
rechtwinkliger Erzeugender -ist, mit rt=.und rzt als Innenradien sowie r1,2 und
rZa als Außenradien, so ergeben sich vor der Achsmitte ol-o, von der Mitteltangente
nach links zunehmende Spalten, nach rechts zunehmende Überschneidungen. Zwischen
BC und AE findet Linienberührung statt. Die Größe der Überschneidungen bzw. Spalten
und ihr Verlauf über der Strecke EA ist durch eine Reihe von mit U bzw. S bezeichneten
Querschnitten angedeutet und ihr an einer Gewindeaußenkante verlaufender Größtwert
durch die Seitenprojektion (Abb. 2). Läßt man die Außenkreise der Schraubenflächen
bestehen, so muß ein rechteckiges Gewindeprofil - in bekannter '\'4 eise hinterschnitten
werden, wie in - Abb. 3 dargestellt ist. Die Hinterschneidung ist im Profilfuß am
größten und nimmt bei gleichbleibendem Außendurchmesser mit abnehmendem Kerndurchmesser
zu. Mit solchen Profilen hergestellte Schrauben ergeben im Eingriffsbereich Liniendichtung
zwischen AB und CE. Die Kanten AC und BE bleiben offen und vermitteln
den Durchfluß durch den Profilspalt, der von der Ganglücke in 02 nach der anschließenden
in 01 in Richtung der Pfeile S...-Sl verläuft.
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Die Herstellung derartig profilierter Schraubengänge ist für Schraubenpumpen,
deren Gewinde auf der Drehbank mit konstanter Steigung und Gangtiefe hergestellt
wird, möglich. Will man aber Verdichterschrauben auf der Drehbank herstellen, so
ist das, da diese nur konstante Steigung liefert, nur durch Veränderung der Gangtiefe
möglich (Abb. 7). In diesem Fall ändert sich der ideale Kleinstspalt nach Abb. 3
über den ganzen Verlauf des Gewindeganges in der Länge und Breite und ist folglich
auf der Drehbank nicht herstellbar. Es besteht die Möglichkeit, Schrauben mit zylindrischem
Außen- und Kerndurchmesser als Verdichterschrauben auszuführen, wenn deren Steigung
sich ändert (Abb.4). Diese würden sich bezüglich der Gangtiefe für die Anwendung
der Zahnform (Abb. 3) eignen, nicht aber bezüglich der Steigung. Diese bedingt eine
Hinterschneidung nach :Maßgabe der größten Steigung und müßte für die ganze Schraube
beibehalten werden. Dadurch würden für die kleinste Steigung die Spaltwerte unzulässig
groß, und die Flankendichtung geht verloren.
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Die Überschneidung der Schraubenflanken läßt sich, wie erwähnt, durch
Verwendung von trapezförmigem Gewinde vermeiden, wenn der Spitzenwinkel desTrapezes
groß genug ist, daß die Innenkante einer Gewindelücke durch die Kegelform nach außenso
weit abfällt, daß der Außenkreis der Gegenschraube sie nicht mehr überschneidet.
Diese Bedingung ist im Idealfall nicht erfüllbar, praktisch, wenn die Trapezneigung
eine Tangente an die Spaltkurve der Geradflanke bildet. In Abb. 3 ist eine solche
Neigung punktiert eingetragen. Eine solche Trapezform bildet eine vollkommene Liniendichtung
im Berührungsprofil der Längsebene O1-0., sie ergibt jedoch Flankenspalten quer
zu AE, die wieder zwischen AB und CE ihre Kleinstwerte haben, und die in
Abb. 5 gezeigte Form mit dem größten Axialmaß f1. Da sie in jedem Flankeneingriff
doppelt auftreten und länger sind als die Profilspalten, werden sie stets größere
Werte ergeben als diese. -Die Größe des Spaltquerschnittes ist jedoch für die Beurteilung
der Spaltverluste nicht allein maßgebend, sondern nur in Verbindung mit den Druckdifferenzen
zwischen den Gewindegängen bzw. Druckstufen, zwischen denen der Spalt liegt. Diesbezüglich
verhalten sich Profilspalte wesentlich ungünstiger wie Ffankenspalte, wie aus Abb.7
.hervorgeht. Dort sind zwei Schrauben mit je vier Gängen im Eingriff dargestellt,
deren geschlossene Druckstufen, d. h. diejenigen, welche gegen den Eintritts- bzw.
Austrittsdruck einen Unterschied aufweisen, mit i bis 4 numeriert sind. Die mit
o bezeichnete Stufe, die sich gerade geschlossen hat, besitzt noch den Eintrittsdruck;
die in der Reihenfolge erste, mit 5 bezeichnete muß schon den Austrittsdruck besitzen,
da sie direkt vor dem Offnen steht. An die auf der Vorderseite
numerierten
Druckstufen schließen sich jenseits der Achsmittelebene, wie an Hand der punktierten
Lückengrundlinien verfolgt werden kann, die in Klammern beigeschriebenen Druckstufen
-an: Daraus folgt, daß durch Flankenspalten die links der Abbildung beigeschriebenen
- zwei Reihenfolgen von fünf Stufenverbindungen mit ie einem Druckstufenunterschied
hergestellt werden, durch Profilspalten, wie rechts,beigeschrieben,insgesamt nur
sieben Stufenverbindungen in drei Wegen, die wie folgt verlaufen: Weg i: Stufe 5/4/i/o;
Weg 2: Stufe 5/3/o; Weg 3: Stufe 5/2/o. Der erste Weg enthält also Sprünge von 1,
3 und i Stufe, der zweite und dritte solche von 2 und 3 Stufen. Der kleinere Spaltquerschnitt
wird hier also durch größere Druckdifferenzen mehr oder weniger ausgeglichen, und
es ist ebenso wichtig, Profil- wie Flankenspalten klein zu machen.
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' Vollkommene. Flankendichtung, die in einer Linie der Mittelebene
AE verlaufen müßte, ist sonach wegen der Überschneidungen nicht erreichbar; vollkommene
Profildichtung ist unzulässige weil sie zu große Flankenspalte ergibt. Gekrümmte
Formen des Gewindeflankenprofils sind mit den verfügbaren Bearbeitungsmitteln nich'r
mit geometrischer Ähnlichkeit ausführbar, wenn sich der Gewindequerschnitt über
seinen Gangweg dauernd ändert.
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-Die Erfindung bezweckt die Herstellung von Verdichterschrauben, deren
Profilflankenlinien -nur gerade, geometrisch ähnlich herstellbare Formen sind, und
die Bemessung dieser zur Erzielung gleichzeitig kleiner Profil- und Flankenspalten.
Dies wird erreicht durch Verwendung einer die Gewindelücke bildenden Trapezform,
bei der die Erzeugende der Gewindeflanken nur um einen sehr kleinen Spitzenwinkel
in der Größenordnung von etwa 3° von einer rechtwinkligen Erzeugenden abweicht.
Soweit hierbei am Grunde jeder Flanke noch ein Überschneidungsrest verbleibt, wird
dieser in einem zweiten Bearbeitungsgang dadurch beseitigt; daß die Zahnlücken im
Außenteil durch eine zweite Trapezform mit etwas größerem Flankenwinkel erweitert
werden, @ wie. Abb. 6 zeigt. In Abb. 6a ist die Lückenform gesondert gezeichnet,
und zwar der Deutlichkeit wegen mit etwas übertriebener Größe der Flankenwinkel.
Mit den in Abb. 6 gezeichneten Lücken- und Gangprofilen vermindert sich der Größtwert
des Flankenspaltes, wie aus Abb.5 hervorgeht, von f1 auf f2. Je nach Wabl der Winkel
kann sich dabei der Schnittpunkt der beiden Flankenn-inkel zwischen Mitte und Profilaußenkante
verschieben, so daß am Fuß und Kopf kleine dreieckige Profilspalten entstehen und
gleichzeitig der Flankenspalt auf ein möglichst kleines Maß gedrückt wird. Der Profilspalt
nach Abb. 6 erfährt beiderseits noch eine Drosselung dadurch, daß sich im Verlauf
des Linienzuges DF (Abb. i) Flankendichtung einstellt, wobei sich zwischen
DB und CF Flankenspalten ergeben, die den 'Weg nach CB öffnen, aber kleiner
sind als die Profilspalten. ` Abb. 8 zeigt das Schnittbild eines Schraubenpaares
nach der Erfindung, wobei die wirtschaftliche Form in bezug auf Baulänge und Spaltverluste
für eine gegebene Stufenzahl erreicht wird, wenn die Lückentiefe la gleich der zugehörigen
halben Steigung ist, so daß die mittlere Lückenbreite b an jeder Stelle des Gewindes
annähernd gleich h ist. Die damit ausgesprochene geometrische Ähnlichkeit aller
Gewindegänge wird nicht nur für b/h - i, sondern auch für alle anderen Werte
-durch die Herstellungsmöglichkeit bedingt, die nur die Ausführung gradliniger Kegel
für Kern und Außenumfang der Schrauben erlaubt mit einem Erweiterungswinkel-a, dessen
Mittelwert Tnit der Mantellinie des mittleren Schraubenzylinders zusammenfällt.
Die geometrische Reihe der Gangfolge entsteht, wenn nach Abb. io der Radius des
mittleren Schraubenzylinders mit y", bezeichnet wird und der Erweiterungswinkel
a der Gewindeprofile zu beiden Seiten von dessen Mantellinie symmetrisch angetragen
wird, dadurch, daß, von der ersten halben Gewindeflanke a ausgehend, die axialen
Strecken a1, a2, a3 ... gleich den radialen Strecken a1, a2, a3
... vorausgesetzt werden. Damit. ist die günstigste Lückenform von gleicher
mittlerer Tiefe und Breite mit a -E- a2 bzw. a1 + a2, annähernd erreicht.
Die aufeinanderfolgenden radialen Flanken verhalten sich dann nach der Reihe
a, a2 = aq2, a" = aq4, a6 = aqs, a" = aq"-l,
worin q, abgeleitet von der Proportion
den Wert hat und
n die Zahl der Radialflanken bedeutet. Um das Erweiterungs- bzw. Verjüngungsverhältnis
der Schrauben, das die Größe von a bestimmt, dem Verlauf des spezifischen Volumens
bei gleichmäßiger Leistungsverteilung über den axialen Schraubenweg besser anzupassen,
werden die Schrauben aus zwei oder mehr Teilen mit verschiedenem Erweiterungswinkel,
z. B. TI, T2, Ta in Abb. g, zusammengesetzt. Jeder dieser Teile wird dann
für sich auf der Schraubenfräsmaschine bearbeitet. ZweckWäßig wird dann für T2 und
T3 die geometrische Reihe der b-Werte von .Tl fortgesetzt und nur die Tiefe von
h für ein anderes a eingestellt, weil dann die stirnseitigen Schnittflächen der
aus- und eintretenden Gewindegänge genau zusammenpassen. Schrauben der vorbeschriebenen
Art können entweder paarweise oder für größere Leistungen zu zwei oder mehr um eine
zentrale Schraube verteilt und mit dieser durch Zahnräder gekuppelt verwendet werden.
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Die Herstellung der Schrauben kann so erfolgen, daß Modelle in der
Schraubenform mit Bearbeitungszugabe hergestellt werden, so daß
hiervon
gewonnene Abgüsse nur eine geringe .Spanabnahme für die Fertigbearbeitung erfordern.
Die Fertigbearbeitung kann so erfolgen, daß eine Rechts- und Linksschraube als Fräswerkzeug
hergestellt wird, mit Hilfe dessen vorgegossene Schrauben ihre Fertigbearbeitung
dadurch erhalten, daß Werkstück und Werkzeug, mit gleicher Winkelgeschwindigkeit
angetrieben, durch langsame Verminderung ihres parallelen Achsabstandes in Eingriff
gebracht werden.
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Um einen unerwünschten Wärmefluß innerhalb der Schrauben in axialer
Richtung zu vermindern; können die Schrauben aus Material mit wesentlich schlechterer
Wärmeleitzahl als die der Metalle hergestellt werden, z. B. aus Kunstharzen. In
diesem Fall kann die Formung der Schrauben nicht nur durch Fräsarbeit, sondern auch
durch Pressen erfolgen.
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Die Schrauben* können an ihrem Außenumfang zur Verbesserung der Dichtung
gegen das Gehäuse nach dem Vorbild der Kolbenringe nach außen federnde Dichtungsringe
erhalten, die sich im Ouerschnitt und in ihren Gangverhältnissen nach Maßgabe des
Schraubenganges ändern und" für jede Gangwindung unterteilt sind.