Roots-Gebläse

Dieser Artikel liefert unter anderem Antworten auf die folgenden Fragen:

  • Was ist ein Roots-Gebläse?
  • Wie funktioniert ein Drehkolbenverdichter?
  • Weshalb kommen in Drehkolbenpumpen meist dreiflüglige Rotoren zum Einsatz?
  • Wie werden die Flügel für Roots-Gebläse konstruiert?

Funktionsweise

Die untere Animation zeigt das Funktionsprinzip eines zweiflügligen Drehkolbengebläses, welches auch Roots-Gebläse, Drehkolbenverdichter, Drehkolbenkompressor, DrehkolbenpumpeKreiskolbenpumpe, oder Kapselpumpe genannt wird. Das zu fördernde Medium wird dabei zwischen den rotierenden Drehkolben und dem Gehäuse von der Saugseite (Lufteinlass, unten) zur Druckseite (Luftauslass, oben) gefördert und dort bei Gegendruck entsprechend verdichtet.

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Abbildung: Aufbau eines Roots-Gebläses
Animation: Funktionsweise eines zweiflügeligen Roots-Gebläses (Drehkolbenverdichter)

Angetrieben wird der Drehkolbenverdichter meist über einen rückseitig angebrachten Riementrieb und ein Zahnradpaar. Die Drehkolben treiben sich also nicht über den Kontakt ihrer Flügel an! Vielmehr muss sogar ein kleiner Luftspalt zwischen den Drehkolben verbleiben, da es aufgrund der hohen Drehzahlen sonst zu einer unzulässigen Wärmeentwicklung kommen würde und die Rotoren rasch verschleißen würden.

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Abbildung: Antriebsscheibe und Zahnradantrieb eines Roots-Gebläses

Die Drehkolben werden auch als Rotoren, Flügel oder als Läufer bezeichnet. Anstelle von zweiflügeligen Läufern kommen in der Praxis meist jedoch dreiflügelige oder gar vierflügelige Rotoren zum Einsatz. Um dabei eine kontinuierliche Verdichtung zu erreichen und somit Druckstöße zu vermeiden sind die Flügel zudem entlang ihrer Rotationsachse verdreht. Das Querschnittsprofil der Rotoren besteht dabei aus Zykloiden. Aufgrund der kontaktlosen Rotation handelt es sich allerdings nicht um eine Zykloidenverzahnung im eigentlichen Sinne!

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Abbildung: Dreiflügeliger Rotor eines Roots-Gebläses
Animation: Funktionsweise eines dreiflügeligen Roots-Gebläses (Drehkolbenverdichter)

Roots-Gebläse werden unter anderem als Kompressoren zur Aufladung von Verbrennungsmotoren verwendet. Aber auch bei der Förderung von Flüssigkeiten oder Lebensmitteln wie bspw. Reis oder Getreide werden Roots-Gebläse eingesetzt.

Anwendung als Kompressor zur Aufladung

Die untere Animation zeigt schematisch den Aufbau und das Funktionsprinzip eines Roots-Gebläse wie es zur Aufladung der Verbrennungsluft in Automobilen eingesetzt wird.

Animation: Funktionsweise eines Roots-Gebläses (Drehkolbenverdichter)
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Abbildung: Roots-Gebläse

Die Luft wird über einen vorderseitig angebrachten Schlitz eingesaugt. Über diesen Lufteinlass gelangt die Luft in das mit Kühlrippen ausgestattete Gehäuse des Drehkolbenverdichters.

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Abbildung: Lufteinlass eines Roots-Gebläses

Im Inneren des Roots-Gebläses befinden sich die dreiflügelige Drehkolben (Läufer), die die angesaugte Luft zwischen Läufer und Gehäuse-Innenwand von der Saugseite (oben) zur Druckseite (unten) befördern. Aufgrund der „angestauten“ Luft auf der Druckseite erhöht sich dort der Druck und die Luft wird entsprechend verdichtet.

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Abbildung: Dreiflügeliger Läufer eines Roots-Gebläses
Animation: Funktionsweise eines Roots-Gebläses (Drehkolbenverdichter)

Der Antrieb der Drehkolben erfolgt über einen Riementrieb, wobei die Antriebsscheibe zunächst nur einer der beiden Läufer direkt antreibt (d.h. auf einer Welle sitzt). Der Antrieb des zweiten Drehkolbens erfolgt wie üblich über zwei schrägverzahnte Stirnräder.

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Abbildung: Antriebsscheibe und Zahnräder eines Roots-Gebläses

Ist die Luft durch die Drehkolben zur Druckseite befördert worden, dann strömt sie in verdichteter Form durch den Luftauslass zum Motor. Der ungewollten Temperaturerhöhung während der Kompression wird mit den Kühlrippen am Gehäuse entgegengewirkt.

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Abbildung: Luftauslass eines Roots-Gebläses

Das Druckverhältnis zwischen Druck- und Saugseite liegt bei Roots-Gebläsen in der Regel bei maximal 2. Der Wirkungsgrad liegt je nach Drehzahl in diesen Fällen bei etwa 50 %. bei Bei größeren zu erzeugenden Druckverhältnissen nimmt der Wirkungsgrad sehr stark ab! Grundsätzlich sind Roots-Gebläse umso effektiver je geringer der Druckunterschied ist.

Konstruktion der Flügel

Die Form der Rotorflügel setzt sich bei Roots-Gebläsen aus Zykloiden zusammen und entspricht im Prinzip Zykloidenverzahnung. Zwischen den Flügeln findet jedoch nicht wie bei klassischen Zahnrädern eine Kraftübertragung statt!

Zweiflügler

Zur Konstruktion von zweiflügeligen Rotorformen werden die Rollkreise für die Epizykloide und die Hypozykloide zu einem Viertel des Durchmessers des Grundkreises gewählt (siehe hierzu Artikel Geometrie von Zykloidenzahnräder). Auf diese Weise ergeben sich symmetrisch am Umfang verteilt zwei „Zahnköpfe“ und zwei „Zahnfüße“, in die bzw. auf die wieder zwei „Zahnfüße“ und „Zahnköpfe“ des Gegenflügels passen.

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Abbildung: Konstruktion der Flügel eines zweiflügeligen Roots-Gebläses (Drehkolben-Verdichter)
Animation: Konstruktion der Flügel eines zweiflügeligen Roots-Gebläses (Drehkolben-Verdichter)

Dreiflügler

Für die Konstruktion eines dreiflügligen Rotors sind die Rollkreise zur Erzeugung der Hypozykloide bzw. Epizykloide zu einem Sechstel des Durchmessers des Grundkreises zu wählen.

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Abbildung: Konstruktion der Flügel eines dreiflügeligen Roots-Gebläses (Drehkolben-Verdichter)
Animation: Konstruktion der Flügel eines dreiflügeligen Roots-Gebläses (Drehkolben-Verdichter)