Die Erfindung betrifft die Profilgeometrien von Zwillings- Förderschrauben zum achsparallelen, auβenachsigen Betrieb in Pumpen mit Pilotgetriebe zum gegenläufigen Führen der Schrauben. Profilgeometrie, Umschlingungswinkel, Steigung, Spaltbreite, Medium-Steuerung und Drehzahl bestimmen hierbei die Pumpenkennwerte wie Fördermenge, Wirkungsgrad, Enddruck, Leckrate, Temperatur, Geräusche sowie den Fertigungsaufwand.

Die als SRM-Profil bekannten Geometrieen der Fa. SRM, Schweden, eignen sich zum Bau von schnelldrehenden Zwillings- Förderschrauben mit ungleichen Profilen in mehrgängiger Ausführung und kleinen Umschlingungswinkeln für Pumpen mit mittlerem Enddruck. Konstruktionsbedingte Lücken zwischen Eingriffslinie und Gehäuseinnenkante, allgemein als "Blasloch" bekannt, verhindern höheren Enddruck oder guten volumetrischen Wirkungsgrad bei kleinen und mittleren Drehzahlen.

Im vorliegenden Fall gilt das Interesse jedoch Pumpen höherer Enddrücke bei mittleren Drehzahlen, wofür eingängige Zwillingsschrauben mit axialer Sequenz der Arbeitszellen und Umschlingungswinkeln >720° besser geeignet sind : Durch die Ausbildung jeweils einer Flanke der eingängigen Profile als verlängerte Zykloide werden wechselweise symmetrische Eingriffslinien gebildet, die von den Gehäuseinnenkanten zu den Kernkreisen entlang der Schraubenaußenkonturen verlaufen. Diese Eingriffslinien unterteilen den Innenraum der Pumpe in axial wandernde Arbeitszellen mit zweifacher Länge der Steigung in überlappender Anordnung.

In bekannten Ausführungsformen, wie beispielsweise durch die Fa. Taiko, Japan, lieferbar, sind die Schrauben mit Umschlingungswinkeln von 1080°, 1440°, 1800°, etc. gefertigt und weisen gleiche Stirnprofile auf. Der Auslaß wird stirnseitig durch eine der Schrauben gesteuert mit Öffnung entlang der zweiten, dort evolventenförmigen Profilflanke.

Unter Beibehaltung des Arbeitsprinzips der axial wandernden Arbeitszellen mit zweifacher Länge der Steigung soll die Profilgeometrie neu gestaltet und definiert werden im Sinne einer modernen Serienfertigung und es soll eine Verbesserung des volumetrischen Wirkungsgrades, der Dynamik und der Steuerung des Mediums erreicht werden.

Diese Aufgabe wird bei Zwillings-Förderschrauben mit Profilkonturen aus Kernkreisbogen, zykloidenförmiger Hohlflanke, Außenkreisbogen und zweiter Flanke erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß abweichend von Bekanntem auch die zweite Flanke 6, Mantelflanke genannt, im Fußpunkt knickfrei an den Kernkreisbogen 4 anschließt und daß die Mantelflanke 6 zumindest einen mittleren, nicht ansteigenden Bereich, den Sattel 7 enthält, der die solchermaßen gebildeten Teil- Manfelflanken, die Innenflanke 8 und die Außenflanke 9 knickfrei verbindet.

Anhand des in den Abbildungen dargestellten und in den Unteransprüchen 2, 3 gekennzeichneten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung anschließend näher erläutert.

Es zeigen :

Fig.l : Einen Satz Zwillings-Förderschrauben in eingängiger Ausführung mit Pilotgetriebe und mit

Umschlingungswinkeln von ca. 1600° nach der Erfindung mit einem mittleren Sattelbereich in der Mantelflanke, in verkleinertem Maßstab.

Fig.2 : Eine Ausführung der Profilgeometrie und

Eingriffsverhältnisse mit dem Gegenprofil eines Zwillings-Förderschraubensatzes von Fig.l.

Fig.3 : Eine Ausführung der Zwillings-Förderschrauben in einem Schnitt entsprechend der Linie A-A von Fig.1, eingebaut in einem Gehäuse, im gleichen Maßstab dargestellt wie Fig.l.

Fig.4 : Eine Ausführung der Förderschrauben in einem axialen Schnitt, ausschnittweise.

In der gewählten Ausführung haben die Förderschrauben 1, 2 (Fig.l und 3). Umschlingungswinkel von ca. 1600° und gleiche Stirnprofile mit einer Mantelflanke, die aus mehreren Flankenteilkurven zusammengesetzt ist : Der Sattel 7 (Fig.l und 2) ist kreisbogenförmig mit einem Radius der Größe des halben Achsabstands ausgeführt und korrespondiert im Einbau mit dem Sattel der Gegenschraube. Die Innenflanke 8 (Fig.2) besteht aus einem an den Sattel 7 knickfrei anschließenden, exzentrischen Kreisbogen, hier Flankenkreis 10 (Fig.2) genannt, und einer knickfrei anschließenden verlängerten Zykloide, der Wurzelzykloide 11 (Fig.2), zur Anbindung an den Kernkreisbogen 4 (Fig.2 und 3). Der Mittelpunkt des Flankenkreises der Gegenschraube bewegt sich bezüglich des betrachteten Profils auf einer verkürzten Epizykloide 12 (Fig.2), deren innere Parallelkurve im Abstand des Flankenkreisradius f die Außenflanke 9 (Fig.2) des betrachteten Profils ist.

Zur quantitativen Festlegung wird wie folgt vorgegangen :

1. Festsetzung des Achsabstandes: a= 100 L.E. (Längeneinheiten) .

2. Hieraus folgt direkt der Sattelkreisradius: d = a/2 = 50 L.E.

3. Festsetzung des Kernkreisradius: c - 23 L.E.

4. Hieraus folgt direkt der Außenkreisradius: b = a-c = 77 L.E.

5. Mit a und b wird die Hohlflanken-Zykloide 5 (Fig.2 und 3) berechnet.

Einige Zahlenwerte sind in Tabelle I aufgeführt, wobei u, v die Koordinaten eines recht winkligen Koordinatensystems mit Ursprung in der Achsmitte sind.

6. Aus a und b erhält man den Eintauchwinkel α, der den Bereich der gegenseitigen Durchdringung der kämmenden

Förderschrauben 1, 2 (Fig.3) angibt: α/2 = 49,51°

7. Festlegung des Außenkreissektorwinkels ß: Zur Aufrechterhaltung der Funktion muß ß > α/2 werden. Festlegung ß -» 76°.

Wegen Gegeneingriff des gleichen Profils ist der Kernkreissektorwinkel ebenfalls = ß ■ 76°.

8. Festlegung der Schraubensteigung : 1 = 100 L.E.

9. Die Werte 1, a, b, und die Forderung gemeinsamer Bearbeitung der Flanken 5, 6 und Kern 4 mit einem Werkzeug führt über Berechnungen am Axialschnitt (Fig.4) zu einer Bedingung für den Flankenkreisradius von f ≥ 22 L.E. Festlegung : f - 22 L.E., woraus sich die Exzentrizität e der Flankenkreismitte ergibt: e == d-f = 28 L.E.

10. Die Wurzelzykloide 11 wird durch die Kopfecke am Stoßpunkt Außenkreis/Außenflanke des Gegenprofils erzeugt und ist wegen gleicher Hebel a, b deckungsgleich zu einem Teil der Hohlflanke 5. Bei knickfreier Verbindung von Flankenkreis 10 und Kernkreis 4 durch die Wurzelzykloide ll ergibt sich der Innenflankensektorwinkel : γ = 65,94°.

Wegen Gegeneingriff des gleichen Profils ist der Außenflankensektorwinkel ebenfalls γ = 65,94°.

11. Der Sattelsektorwinkel wird somit δ = 360°- 2ß-2γ = 76,12°.

12. Die Werte a, e, f führen zu der Kontur der Außenflanke 9, ein Abschnitt einer Innenparallelkurve zu einer verkürzten Epizykloide. Einige Zahlenwerte sind in Tabelle II aufgeführt, wobei u, v der Definition von Tabelle I entsprechen.

Nach Festlegung der Profilkontur folgt nunmehr:

13. Schwerpunktmittenabstand g = 21,58 L.E.

14. Rotorfläche - Z = 8295,4 (L.E.) ² und somit g-z = l,79*10 ⁵ (L.E.) ³ .

15 Wirkungsgrad η = 49,51 %.

16. Aus Betriebsdrehzahl und Geometriedaten erhält man die relative Förderleistung in (L.E. ) ³ /Zeiteinheit, woraus sich durch Gleichsetzen mit der korrigierten Soll- Förderleistung der Wert für 1 L.E. ergibt. Bei einer Soll-

Förderleistung von 250 m /h (unkorrigiert) und einer Drehzahl von 3000 UpM ergibt sich: 1 L.E. = 1 mm.

Die danach jetzt am Profil für berührungsfreien Betrieb noch durchgeführten Maßkorrekturen sind zwar für einwandfreie Funktion und Fertigung unerläßlich und mit erheblichem Aufwand verbunden, spielen jedoch bei der Profilauswahl nur eine untergeordnete Rolle.

Der Vergleich mit bekannten Profilen zeigt eine Verbesserung des volumetrischen Wirkungsgrades um ca. 6,5%-Punkte, eine Verbesserung der Dynamik (g-z veringert um 27,2 %) und eine gemeinsame Fertigungsmöglichkeit der gesamten Ganginnenfläche, gebildet durch Kern 4, Hohlflanke 5, Innenflanke 8, Sattel 7 und Außenflanke 9. Der Flächenanteil im Bereich des Flankenkreises erlaubt eine bessere Anpassung der Steuerung des Mediums, geführt über Kanäle 13 (Fig.3) in der Gehäusestirnwand.

Tabelle I Tabelle II

(L.E.) v (L.E.) u (L.E) v (L.E.)

0 -39,37 -30,82 ,63 - 4,18 -33,98 -38,03 ,97 - 7,24 -31,69 -41,22 ,40 - 9,32 -29,85 -43,79 ,92 -10,97 -28,20 -46,05 ,71 -11,68 -26,64 -48,12 ,53 -12,34 -25,12 -50,05 ,21 -13,48 -23,62 -51,88 ,98 -14,44 -22,10 -53,63 ,81 -15,23 -20,55 -55,30 ,72 -15,86 -18,97 -56,92 ,69 -16,34 -17,33 -58,49 ,72 -16,67 -15,64 -59,99 ,80 -16,86 -14,78 -60,73 ,93 -16,90 -12,08 -62,85 ,10 -16,78 -10,20 -64,20 ,30 -16,52 - 8,24 -65,48 ,54 -16,11 - 6,20 -66,71 ,80 -15,55 - 4,09 -67,88 ,07 -14,83 - 1,90 -68,97 ,35 -13,96 + 0,37 -70,00 ,64 -12,92 + 1,54 -70,48 ,92 -11,73 + 2,73 -70,95 ,18 -10,38 + 5,17 -71,81 ,42 - 8,86 + 7,69 -72,59 ,63 - 7,18 + 10,30 -73,28 ,80 - 5,34 + 12,99 -73,87 ,92 - 3,33 + 15,77 -74,35 ,99 - 1,15 + 17,19 -74,54

0 + 18,63 -74,71