Roots-Gebläse
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Roots-Gebläse sind Drehkolbengebläse ohne innere Verdichtung, die Zahnrad- und Flügelzellenpumpen ähneln. Zwei meist dreiflügelige Läufer transportieren in den Lücken zwischen den Flügeln und der Außenwand ein Gas (meistens Luft) von der Saug- zur Druckseite, die dann von der Rückströmung des verdichteten Gases verdichtet wird. Sie werden bei kleinen bis mittleren Leistungen und meistens kleinen Druckunterschieden verwendet. Sie dienen als einfache Vakuumpumpen, in industriellen Trocknungs- und Absauganlagen, beim Laden und Löschen von Massengütern wie Getreide bei Schiffen, als Saugpumpen in Fäkalientankwagen oder als Auflade- oder Spülgebläse für Verbrennungsmotoren. Dort werden sie üblicherweise von der Kurbelwelle über einen Riemen angetrieben.
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[Bearbeiten] Funktionsweise
Die Welle eines Drehkolbens wird direkt angetrieben. Damit der Gegenläufer drehzahlgleich in umgekehrter Richtung mitdreht, ohne dabei den anderen Läufer zu berühren, ist beiden Kolben stirnseitig ein Getriebe vorgelegt.
Die Abbildung 2 zeigt ein zerlegtes Gebläse (System Lysholm) mit schrägverzahnter Kammradstufe. In der Grundfunktion ist dieses System mit dem Roots-System vergleichbar, hat aber innere Verdichtung. Die Schrägverzahnung dient zur Geräuschreduzierung. Das Lysholm-System ist vom Roots-System dadurch unterscheidbar, dass die Läufer beim Lysholm verschiedene Profile haben und folglich mit verschiedenen Drehzahlen betrieben werden. Beim Lysholm kämmt z.B. eine fünfgängige Schneckenwelle mit einer viergängigen Schneckenwelle. Daher unterscheiden sich auch die Durchmesser der Antriebszahnräder. Dies vermeidet eines der klassischen Probleme der Roots-Gebläse: die immer wieder gleich aufeinandertreffenden Zähne bei Eins-zu-Eins-Übersetzungsstufen, die zu weit früherem Zahnradverschleiss führen als bei ungleichen Zähnezahlen.
[Bearbeiten] Geschichte
Der Name stammt von den Gebrüdern Philander und Francis Roots, die es sich 1860 patentieren ließen. Damals wurden Rootsgebläse meistens als Winderzeuger für Hochöfen verwendet, aber auch in anderen Industrien.
Gottlieb Daimler baute 1900 als erster einen Rootslader in ein Auto ein.
[Bearbeiten] Bauweise
Sie bestehen aus einem Gehäuse, in dem sich zwei Wellen drehen, die außerhalb des Gehäuses mit einer Zahnradstufe auf synchron gegenläufig gleicher Drehzahl verbunden sind. Jede Welle trägt einen Läufer, dessen Profil anfangs einer 8 ähnelte; heute sind auch andere Profile bekannt. In der Lücke der einen Acht läuft jeweils eine Kopfspitze der anderen 8; die beiden Profile "kämmen" miteinander, wobei sie miteinander und zum Gehäuse zwar abdichten sollen, aber möglichst keine Reibung entstehen soll.
[Bearbeiten] Fertigung
Roots-Gehäuse und -Läufer sind hoch anspruchsvolle Bauteile, die mit erheblichen Anforderungen an die maßlichen Toleranzen, die Materialqualitäten und an die Bearbeitungverfahren gefertigt werden, und von daher sehr teuer herzustellen sind.
[Bearbeiten] Kritikpunkte
Die Wärmeausdehnung der Bauteile mit steigender Temperatur erfordert, im Kaltlauf ein Spiel zwischen ihnen zuzulassen, was die Abdichtung des Roots-Gebläses verschlechtert, solange die Maschine ihre Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat. Bei Übertemperatur können die Läufer aus demselben Grund verklemmen oder fressen.
Roots-Gebläse reagieren stark auf Verschmutzungen, so können kleine Abweichungen am Verdichter den Ladedruck und damit die Leistung erheblich vermindern.
Roots-Gebläse müssen gegen Unwuchten geprüft werden; sie werden zudem bei maschinenbaulichen Einsatzfällen in der Regel mit 15 bis 20% Überdrehzahl auf einem Prüfstand probegefahren.
[Bearbeiten] Einsatz
Zweitakt-LKW-Dieselmotoren hatten fast immer Roots-Gebläse (z.B. Commer TS 3 oder der Motor des Krupp Titan). Heutige Luxusfahrzeuge mit Kompressor anstelle eines Turboladers (Bentley, Mercedes-Benz 200 "Kompressor" in C- und E-Klasse) haben Schraubenlader, die sich von Rootsgebläsen durch innere Verdichtung und damit besserem Wirkungsgrad unterscheiden. Bei den effizientesten Wärmekraftmaschinen überhaupt, den Zweitakt-Schiffsdieselantrieben finden sich Rootsgebläse oft als Hilfs- und Anfahrgebläse. (Hierzu können sie, statt über den Kurbeltrieb im festen Drehzahlverhältnis angetrieben zu werden, auch einen komplett eigenen, drehzahlentkoppelten Antrieb haben.)
Der Roots-Lader eines Motors wird mechanisch angetrieben und verbraucht daher einen Teil der Leistung, im Gegensatz zum Abgas-Turbolader, der seine Antriebsenergie aus dem Abgasstrom bezieht, und dabei die Pumpverluste ein wenig erhöht. Deshalb versehen einige Hersteller das Gebläseantriebsrad mit einer Magnetkupplung (Prinzip Klimakompressor), mit der das Gebläse im unteren Teillastbereich abgeschaltet werden kann. Vorteil der Kolbenladegebläse ist der bei Bedarf sofort verfügbare Ladedruck, während etwa beim Turbolader das System aus Turbine und Verdichter erst mit einer gewissen Verzögerung Druck aufbauen kann.
Wird das Gebläse als Lader verwendet, läuft es trocken; als Roots-Verdichter für größere Drücke ab 8 bar wird es ölgeschmiert, damit es seine Dichtwirkung erzielt.
Ein weiterer Einsatzpunkt waren und sind Belüftungsanlagen im Ex-geschützten Bereichen (z.B. Bergwerke und Bunker). Durch ihre Bauweise sind Sie gut in der Lage, Druckstösse von der einen Seite auf die andere zu unterdrücken.
[Bearbeiten] Rennfahrzeuge
Das Aufkommen der Roots-Lader im Rennsport Mitte der 1920er Jahre (Blower-Bentley gegen Mercedes SSK) war Auslöser für die Rennformel-Diskussionen: soweit Hubraum Rennklassen-Kriterium ist, wird seither oftmals der Hubraum eines aufgeladenen Motors mit einem Korrekturfaktor beaufschlagt, um ihm keinen Wettbewerbsvorteil gegen unaufgeladene Motoren zu verschaffen. Das bedeutet, ein aufgeladener Motor muss einen im Verhältnis zum Saugmotor kleineren Hubraum haben. Dieses gilt oftmals unabhängig vom Prinzip des Laders, ob nun Turbo oder Kompressor. Hoch erfolgreiche Rennfahrzeuge waren neben den Kompressor-Rennwagen der 1920er auch die BMW-Rennmotorräder der 1930er Jahre, die es kurz vor dem 2. Weltkrieg hiermit zu Rennsiegen, u.a. beim berühmten Rennen auf der Isle of Man, brachten.
[Bearbeiten] Klassifizierung
Rootsgebläse liefern kontinuierlich - wenn man von der Rückströmung absieht, die Ursache des für die Rennen der dreißiger Jahre typischen "Kompressorkreischens" sind - und sind deshalb übergeordnet Strömungsmaschinen. Der Bauform nach sind es Drehkolbenmaschinen, welche in diesem Fall nach dem Verdrängerprinzip ohne innere Verdichtung arbeiten.
[Bearbeiten] Alternativen, ähnliche andere Prinzipien
VW baute einige zeitlang in den 1990er Jahren sogenannte G-Lader mit einem feststehenden und einem oszillierenden, "G"-förmigen Bauteil, der ebenso wie ein Kompressor oder der Roots-Lader mechanisch angetrieben wird. Allerdings hat dieses G nur eine durchgehende Verdichtungsleiste, welche kaum Reibungsverluste erzeugt, aber bei Schmierfehlern als Defekt in Frage kommen könnte. Dieses Bauprinzip schien sich in der Ökonomie und Marktstrategie des VW-Konzerns nicht bewährt zu haben, und verschwand nach wenigen Jahren aus den Neufahrzeugen.
Unter den mechanisch angetriebenen Ladersystemen gibt es auch noch den sogenannten Comprex- (oder Druckzellen-) Lader. Dieser ist jedoch nicht im eigentlichen Sinne eine Verdrängermaschine, sondern der mechanische Antrieb hat lediglich Steuerungs-Funktion. In den axialen Druckzellen "trifft" ein Abgas-Stoß auf frische Luft und komprimiert diese; durch ein passendes Drehzahl- und Übersetzungstiming des Laderzellenrades (nur eines vorhanden) soll bewirkt werden, dass der Auspuff-Druckstoß eine Frischluft-Partie in einer jeweils gerade angesteuerten Zelle dynamisch verdichtet. Dann wird durch Weiterdrehen der Frischluftdruck in der Zelle gehalten, und kurz darauf wird die so verdichtete Luft dem Ansaugtrakt zugeführt. Der mechanische Antrieb überträgt kein Drehmoment außer der Lagerreibung; es geht beim Antrieb von Comprex nur um eine Drehzahl- Synchronisation zwischen Kurbelwelle, den jeweiligen Zylindern und dem Austausch der Druckstöße zwischen Abgas und Frischluft. Dieses Bauprinzip fand sich ab 1984 für kurze Zeit beim Hersteller Opel mit den letzten Rekord- Diesel-Modellen, die bei der beginnenden Leistungssteigerung von Dieselmotoren anderer Hersteller mit den ehedem ca. 65 PS sonst am Markt der "geräumigen oberen Mittelklasse" nicht mehr konkurrenzfähig waren. Mit Comprex-Lader stiegen die Motorleistungen auf ca. 85 bis 90 PS.
