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Schraubenradmaschine, insbesondere Schrauben ! adkompressor
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schtaubenradmaschine, wie z. B. einel1 Schraubenrad kompressor od. dgl., die in an sich bekannter Weise aus einer Anzahl Rotoren, welche mittels einer Mehrzahl ineinander eingreifender, schraubenlinienförmig verlaufender Kämme und Nuten zusammenwirken, und einem Gehäuse mit Stirnwänden besteht, das mit Ein-und Auslässen für ein Medium versehen ist. Zwischen den Stirnwänden sind die Rotoren gelagert. Die Rotoren und das Gehäuse sind in bezug aufeinander so ausgebildet, dass sie Kompressionskammern bilden, von denen jede kommunizierende Nutenräume zweier zusammenwirkender Rotoren umfasst, u. zw. mit veränderlichem Volumen, je nach der Drehrichtung der Rotoren.
Bei der üblichen Ausführung derartiger Schraubenradkompressoren arbeiten die Rotoren ohne Schmiermittel und drehen sich mit ziemlich hoher Drehzahl, beispielsweise mit 10000-12000 Umdr/min und mehr. Dank der grossen Präzision bei der Herstellung der Rotoren und des Gehäuses kann einerseits zwischen den Rotoren selbst und anderseits zwischen den Rotoren und dem Gehäuse ein genau bemessenes Spiel vorgesehen werden. Um zu verhindern, dass sich die Rotoren während des Betriebes direkt berühren, was die Gefahr des Festfressens zur Folge hätte, sind die Rotoren mit zusammenwirkenden Synchronisierungsrädern ausgerüstet, so dass die Beibehaltung des erforderlichen Spieles gewährleistet wird.
Zur Erzielung dieser hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten muss zwischen den Antriebsmotor, der beispielsweise ein Elektromotor oder ein Verbrennungsmotor mit einer Drehzahl von etwa 3000 Umdr/min ist, und der Schraubenradmaschine ein Übersetzungsgetriebe angeordnet werden, welches die Anlage vergrössert. Bei direkter Kupplung zwischen einem derartigen Motor und einem Schraubenradkompressor der erwähnten Art würde anderseits das Entweichen des geförderten Mediums (Leckverluste) durch die Spielräume auf Werte ansteigen, die, verglichen mit dem Betrieb des Schraubenradmotors bei seiner normalen höheren Drehzahl, bei gleicher Drucksteigerung sehr hoch sind.
Bei der niedrigeren Drehzahl kann jedoch im wesentlichen nur eine der Drehzahl entsprechende geringere Luftmenge durch den Kompressor gefördert werden, wogegen die Leckverluste ungefähr die gleichen sind wie bei einem Betrieb mit höherer Drehzahl.
Die Leckverluste bei der normalen hohen Drehzahl betragen nur einige Prozent, würden jedoch bei Betrieb mit der niedrigeren Drehzahl bis zu zirka 50% der Luftmenge ausmachen, die von dem Kompressor gefördert wird.
Die Erfindung bezweckt, in erster Linie eine Schraubradmaschine zu schaffen, die sich direkt von einem Elektromotor oder Verbrennungsmotor antreiben lässt und mit trotzdem minimalen Leckverlusten arbeitet.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, bei Drehkolbenverdichtern Dichtungs- und Schmierflüssigkeit in ständiger Strömung durch eine Düse in den Spalt zwischen den beiden Unrundkolben des Verdichters zu fördern, wobei die Antriebszahnräder als Pun. pe verwendet werden.
Eine gemäss der Erfindung ausgebildete Schraubenradmaschine der einleitend beschriebenen Art, bei welcher ebenfalls Zuströmöffnungen zum Arbeitsraum der Maschine für eine unter Druck zugeführte oder eingesaugte Flüssigkeit, beispielsweise Schmieröl, vorgesehen sind, die zur Dichtung des Spielraumes zwischen den Rotoren und dem Gehäuse. sowie zur Kühlung dient, ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine von dem Antriebsmotor unmittelbar, also mit einer wesentlich unter den üblichen Betriebsdrehzahlen liegenden Drehzahl, angetrieben wird, dass die Zuströmöffnungen in der Stirn wand der Einlassseite der Maschine angeordnet sind und in die Nutenräume der Rotoren münden, vorzug-
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weise neben dem Boden der Nuten.
Durch den Fortfall des Getriebes zwischen dem Motor und der Schrau- benradmaschine wird der Raumbedarf geringer, ausserdem wird der sonst bei hohen Drehzahlen durch die Maschine erzeugte störende Lärm vermieden. Um die Leckverluste in annehmbaren Grenzen zu halten, arbeitet die Schraubenradmaschine gemäss der Erfindung mit Schmiermitteldichtung in den Spielräumen zwischen den Rotoren, sowie zwischen diesen und dem Gehäuse, wobei die auf die vorstehend angeführte Weise zugeführte Flüssigkeit gleichzeitig auch als Kühlmittel dient.
Die bei der Verdichtung von Luft oder Gas in der Maschine entstehende Kompressionswärme wird auf das Drucköl oder eine sonstige Dichtungs- und Kühlfltissigkeit übertragen.
Dies trifft besonders dann zu, wenn das Drucköl in äusserst feinverteilter Form zugeführt wird, so dass eine grosse Oberfläche für die Wärmeübertragung erhalten wird, wodurch der Verdichtungsprozess immer mehr einen isothermischen Verlauf annimmt, was zur Folge hat, dass weniger Leistung zur Verdichtung ein und derselben Luftmenge erforderlich ist. In vielen Fällen kann der sonst erforderliche, hinter dem Kompressor angeordnete Kühler für das komprimierte Gas fortfallen.
Die sonst bei trocken arbeitenden Kompressoren erforderlichen Kühlkanäle an den Enden des Gehäuses bzw. an den Lagerungen für die Rotorachsen können vereinfacht und zu einem gemeinsamen Öl-und Druckflüssigkeits-Zirkulationssysiem zusammengefasst werden, das Druckflüssigkeit zur Dichtung der Spielräume zwischen den Rotoren untereinander, sowie zwischen den Rotoren und dem Mantel des Gehäuses, sowie den Stirnwänden. wie auch zur Kühlung des Kompressors im Betrieb liefert, wobei die erwähnte Kühlung ausser der Kühlung der Arbeitsräume auch der Kühlung der Rotoren in ihrem Inneren dienen kann und gleichzeitig oder alternativ mit der Kühlung des Kompressorgehäuses verbunden werden kann.
Zur Kühlung des Kompressorgehäuses wird wenigstens der Mantel des Gehäuses und vorzugsweise auch die an der Auslassseite des Kompressors befindliche Stirnwand doppelwandig ausgeführt, wobei die Druckflüssigkeit zum Zirkulieren durch die entsprechenden Hohlräume gebracht wird.
Da bei diesem Kompressor durch Mischung des Gases mit der Druckflüssigkeit das Arbeitsmedium eine grössere Dichte als das Gas allein aufweist, kann bei gleicher Leckmenge wie bei einem trocken arbeitenden Kompressor ein relativ grosses Spiel im Kompressor angewendet werden, d. h., es können die ex- tremen Ansprüche hinsichtlich der Präzision bei der Herstellung des Kompressors herabgesetzt werden, wo durch dessen Herstellung verbilligt wird.
Die sonst bei trocken arbeitenden Kompressoren des Schraubenradtypus erforderlichen Synchronisierungsvorrichtungen zwischen den Rotoren fallen fort, so dass auch hiedurch der Kompressor vereinfacht und verbilligt wird.
Infolge der Schmierung können die Rotoren direkt ineinander eingreifen, durch welche Massnahme die Wahl des Materials zur Herstellung der Rotoren freier wird. In gewöhnlichen Fällen bestehen die Rotoren von Schraubenradkompressoren aus Stahl, oft aus legiertem, vergütetem Stahl. Bei der Ausführung gemäss der Erfindung können die zusammenwirkenden Rotoren vorzugsweise aus verschiedenen Materialien bestehen, z. B. der eine aus Stahl und der andere aus Bronze, oder in einigen Fällen der eine aus einem metallischen Material und der andere aus Kunststoff.
Diese und weitere für die Erfindung wesentlichen Merkmale und damit zusammenhängende Vorteile sollen an Hand der in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher beschrieben werden.
Fig. 1 zeigt einen vertikalen Längsschnitt eines Schraubenradkompressors gemäss der Erfindung. Fig. 2 zeigt eine Ansicht der Stirnwand an der Einlassseite des Kompressors längs der Linie 2-2 in Fig. 1. Fig. 3 zeigt eine Ansicht der Stirnwand an der Auslassseite einer andern Ausführungsform. Fig. 4 zeigt einen par- tiellen vertikalen Längsschnitt einer abgeänderten Ausführungsform des Rotorendes an der Auslassseite.
Fig. 5 zeigt eine Teilansicht des Rotors in der Richtung 5-5 in Fig. 4. Fig. 6 zeigt einen vertikalen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Schraubenradkompressors gemäss der Erfindung. Fig. 7 zeigt eine Ansicht der Stirnwand des Gehäuses an der Einlassseite, längs der Linie 7-7 in Fig. 6. Fig. 8 zeigt im Schnitt eine Einzelheit der Anordnung gemäss Fig. 7. Fig. 9 zeigt in einem Teilschnitt, ähnlich dem in Fig. 6, eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Schraubenradkompressors, und schliesslich veranschaulicht Fig. 10 schematisch eine komplette Anlage mit einem Schraubenradkompressor gemäss. der Erfindung.
Der Schraubenradkompressor gemäss Fig. l besteht aus zwei zusammenwirkenden Rotoren 20, von deaen der eine, der"männliche"Rotor, mit konvexen Kämmen und zwischenliegenden Nuten versehen ist und mit dem ändern Rotor zusammenarbeitet, nämlich mit dem"weiblichen"Rotor, der mit konkaven Kämmen und zwischenliegenden Nuten versehen ist. Die Rotoren haben Achszapfen 32 und 34, die stimseitig an den Stellen 36 und 38 am Gehäuse 40 des Kompressors gelagert sind, das im übrigen aus einem Mantel 42 besteht, der die Rotoren umschliesst. Die Stirnwände 36 und 38 sind als selbständige Teile ausgeführt.
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Das Gehäuse hat einen Einlass 14 und einen Auslass 46 für das Medium (Gas bzw. Luft), das in der
Maschine komprimiert werden soll. Im gezeigten Fall ist der Einlass 44 unten und der Auslass46oben, teils im Mantel 42, teils in der Stirnwand 38, angeordnet. Die Erfindung ist jedoch nicht an diese Anordnung oder Gestaltung des Ein-und Auslasses gebunden.
Der Mantel 42 und die Stirnwände 36 und 38 sind doppelwandig ausgebildet. In diese Hohlräume 48 dieser Wände wird Druckflüssigkeit von einer nicht dargestellten Druckflüssigkeitsquelle eingeführt und sodann durch die Zufuhröffnungen in den Arbeitsraum der Maschine eingespritzt. Wie aus den Fig. l und 2 hervorgeht, kann die Druckflüssigkeit durch Einspritzöffnungen 74 eingeführt werden, die längs einer
Kreislinie in der Stirnwand 36 an der Niederdruckseite der Maschine angeordnet sind und die in die Nutenräume der Rotoren, vorzugsweise nahe am Boden der Nuten, münden. Die zugeführte Druckflüssigkeit wirkt während des Arbeitens des Kompressors als Schmierstoff bzw. Kühlmittel, überdies auch als Dichtungsmittel zwischen den Teilen der Rotoren, die während ihres Umlaufes in Eingriff miteinander gelangen.
Abgesehen vom Leckspalt zwischen den Rotoren dichtet sie auch die Leckspalten zwischen den Rotorkämmen und den Mantelteilen, sowie zwischen den Rotorenden und den Stirnwänden des Gehäuses.
Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 1 sind die Rotoren selbst mit einer Kühlung versehen. Der Rotor 20 ist mit einem Hohlraum 64 ausgestattet, wobei durch die Bohrung 66 im Achszapfen 34 das Kühlmittel mittels einer Einspritzdüse 68 eingeführt wird. Von der Bohrung 70 im Achszapfen 32 gelangt das Kühlmittel durch die radialen Kanäle 72 zum Hohlraum 48 in den Gehäusewänden und wird von dort in den Arbeitsraum des Kompressors eingespritzt.
Wie aus Fig. 3 hervorgeht, enthält die Stirnwand 38 an der Auslassseite eine Verteilungsnut 82 für die Druckflüssigkeit. Diese Nut besteht aus den Teilnuten 84 und 86, von denen jede für sich die untere Hälfte der entsprechenden Ausnehmungen 88 und 90 für die Rotorachsen in der Stirnwand der Auslassseite 38 umschliesst, wobei eine mittlere Teilnut 92 die Teilnuten 84,86 miteinander vereinigt ; diese Teilnuten setzen sich fort in den Teilnuten 94 und 96, die sich an der Aussenseite der entsprechenden Äusnehmung 88,90 gegen die oberen Eckenpartien der Stirnwand erstrecken. Durch die untere und die obere Bohrung 98 bzw. 100 steht die Verbindungsnut mit dem Hohlraum 48 der Stirnwand 38, der mit Druck- flüssigkeit gefüllt ist, in Verbindung. Von diesem Hohlraum aus werden dichtende und schmierende Mittel durch die Nut geführt.
Die Fig. 4 und 5 zeigen eine andere Möglichkeit, um das Hochdruckende des Rotors von dem entspre- chenden, mit Druckflüssigkeit gefüllten Hohlraum der Stirnwand abzudichten und zu schmieren. Das Rotorende ist innerhalb der Nutenvertiefungen 82 bzw. 84 (Fig. 3) mit herausragenden, am besten ringförmigen Dichtungsleisten 102 versehen, zwischen welche die Druckflüssigkeit von den Hohlräumen 48 mittels der Zufuhröffnungen 104 eingeführt wird.
Die Rotoren werden durch den ausgeübten Druck gegen die Stirnseite der Einlassseite gepresst, wobei der auf der Hochdruckseite frei hervorragende Achszapfen des Rotors mittels einer Anschlagmutter od. dgl. fest verriegelt ist.
Diese Verriegelungsvorrichtungen können durch Ausnutzung der Wirkung der Druckflüssigkeit in der Stirnwand der Niederdruckseite zur Abstützung der Rotoren gegen axiale Verschiebung in Richtung gegen das Niederdruckende vermieden werden. Die Fig. 6-8 zeigen ein Ausführungsbeispiel, gemäss welchem in der Stirnwand 36 der Niederdruckseite eine Ringnut 106 angeordnet ist, in der sich ein Lagerring 108 befindet, dessen gegen das Rotorende weisende Oberfläche mit mehreren radialen Schmierspalten 110 versehen ist, die in Richtung der Drehung des Rotors seichter werden, wie dies in Fig. 8 mit einem Pfeil angegeben ist. Die besondere Form dieser Spalten ermöglicht die Erzeugung eines zusätzlichen Druckes in der durch Kanäle von den Hohlräumen 48 in der Stirnwand 36 zugeführten Druckflüssigkeit.
Die Fig. 9 zeigt einen in der Stirnwand 36 (Fig. 6) verlegten Ringspalt 111, der für den geschilderten Dichtungs- und Entlastungszweck mit Druckflüssigkeit gefüllt wird.
Der Kompressor 112 in der Anlage gemäss Fig. 10 wird direkt von einem Elektromotor 114 angetrie- ben. und das durch den Einlass 44 aufgenommene Medium wird in komprimiertem Zustand über den Auslass 46 an die Verwendungsstelle abgegeben. In dem gezeigten Falle passiert das Druckmedium zunächst einen Separator 116 zur Abscheidung des Schmieröls, ehe es durch die Leitung 118 weitergeführt wird. Das Schmieröl wird aus einer Ölwanne 120 durch zwei Ölpumpen 122 und 124 entnommen und mittels der Leitungen 126 und 128, in denen je ein Kühler 130 bzw. 132 zwischengeschaltet ist, dem Kompressor zur Einspritzung zugeführt. Das im Kompressor einerseits, sowie das im Separator anderseits abgeschiedene Öl gelangt durch die Leitungen 134 bzw. 136 wieder in die Ölwanne zurück.
In vielen Fällen kann auch Wasser als Schmier- und Dichtungsmittel mit ausgezeichnetem Ergebnis verwendet werden.