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Schraubenradmaschine
Die Erfindung betrifft Schraubenradmaschinen zur Kompression oder Expansion eines Arbeitsmediums in mindestens zwei Druckstufen, mit sich über sämtliche Druckstufen erstreckenden, ineinandergreifenden, schraubenförmigen männlichen und weiblichen Rotoren. Die Druckstufen solcher Schraubenradmaschinen müssen normalerweise zur Vermeidung von Strömungsverlusten in voneinander getrennten Kammern untergebracht sein. Aus diesem Grunde muss anderseits jeweils zwischen dem Auslass einer Stufe bzw. Kammer und dem Einlass der darauffolgenden Stufe bzw. Kammer eine Verbindung vorgesehen werden, welche den Durchgang des Arbeitsmediums durch die aufeinanderfolgenden Stufen bzw. Kammern der Schraubenradmaschine ermöglicht.
Bei den üblichen Ausführungen besteht diese Verbindung aus aussenliegenden Rohrleitungen. Die auf diese Weise ermöglichte Anordnung mehrerer Stufen in einer einzigen Maschine stellt zwar gegenüber der andern Möglichkeit einer vielstufigen Kompression oder Expansion, nämlich der Serienschaltung mehrerer einstufiger Maschinen, schon eine erhebliche Verbesserung dar, hat aber noch die Mängel, dass infolge der aussenliegenden Verbindung zwischen den Druckstufen der Aufbau der Maschine relativ kompliziert ist und dass kostspielige Montagearbeiten erforderlich sind.
Es ist auch eine Bauweise für zweistufige Rotationskompressoren bekannt, bei welcher die beiden aufeinanderfolgendenStufen durch eine senkrecht zu den Rotorachsen verlaufende Zwischenwand voneinander getrennt und durch einen zwischen der Hochdrucköffnung der Niederdruckstufe und der im wesentlichen radialen Niederdrucköffnung der Hochdruckstufe verlaufenden Gehäusekanal verbunden sind. Bei dieser Bauweise sind zwar die unerwünschten aussenliegenden Verbindungsleitungen vermieden, doch weist der Kanal an mehreren Stellen strömungshemmende enge Durchlässe und Umlenkungen auf, so dass grosse Strömungsverluste beim Übergang des Arbeitsmediums von der ersten zur zweiten Druckstufe auftreten.
Da auf diese Weise auch bei guten Stufenwirkungsgraden kein zufriedenstellender Gesamtwirkungsgrad erzielbar ist, hat sich diese Bauweise bei Schraubenradmaschinen nicht durchgesetzt.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, mehrstufige Schraubenradmaschinen mit einem im Gehäuse verlaufenden Verbindungskanal so auszubilden, dass sie gute Gesamtwirkungsgrade ergeben. Eine gemäss der Erfindung ausgebildete Schraubenradmaschine der eingangs beschriebenen Art, bei der aufeinanderfolgende Stufen durch eine senkrecht zu den Rotorachsen verlaufende Zwischenwand voneinander getrennt und durch einen zwischen der Hochdrucköffnung der Niederdruckstufe und der im wesentlichen radialen Niederdrucköffnungder Hochdruckstufe verlaufenden Gehäusekanal verbunden sind, ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal als ein in der Zwischenwand enthaltener Hohlraum ausgebildet ist, der in einen den Arbeitsraum der Hochdruckstufe nahezu ganz umschliessenden, mit dessen Niederdrucköffnung kommunizierenden Mantelraum übergeht.
Durch eine solche Gestaltung des Verbindungskanals als ein die (von der Zwischenwand gebildete) Endwand und einen wesentlichen Teil der Mantelwand einer Druckstufe umschliessender Raum wird erreicht, dass die Verbindung zwischen den beiden Öffnungen der aufeinanderfolgenden Druckstufen möglichst kurz und gerade verläuft, so dass die Strömungsverluste auf ein Minimum reduziert sind. Die Niederdrucköffnung der Hochdruckstufe verläuft im wesentlichen radial und hat in Übereinstimmung mit dem Verlauf der Rotorkämme zweckmässig ungefähr die Form eines V, dessen Spitze an der Schnittlinie der
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Bohrungen liegt, während die Schenkel längs je einer der beiden zylindrischen Mantelwände verlaufen.
Vorzugsweise liegen die durch den Kanal verbundenen Öffnungen der Arbeitsräume einander diagonal gegenüber, weil auf diese Weise die Verbindung zwischen zwei Druckstufen besonders kurz wird ; dabei können die Ein- und Auslässe jeder Druckstufe ebenfalls einander diagonal gegenüberliegend angeordnet sein.
Vorteilhaft ist eine erfindungsgemässe Schraubenradmaschine so ausgebildet, dass bei zwei aufeinanderfolgenden Druckstufen, wie von andern Bauweisen an sich bekannt, die Seiten höheren Druckes gegeneinander weisen, so dass sie je an eine Seite der Zwischenwand anschliessen.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemässen Maschine gehen aus der folgenden Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels hervor. Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer teilweise aufgeschnittenen Schraubenradmaschine gemäss der Erfindung ; Fig. 2 ist ein vertikaler Längsschnitt durch die Maschine längs der Linie 2-2 in Fig. 3 ; Fig. 3 ist ein Horizontalschnitt, gesehen in Richtung der Pfeile 3-3 in Fig. 2, und Fig. 4 ein Horizontalschnitt, gesehen in Richtung der Pfeile 4-4 in Fig. 2 ; die Fig. 5 und 6 zeigen vertikale Querschnitte längs der Linie 5-5 bzw. 6-6 in Fig. 2 ; schliesslich zeigt Fig. 7 einen vertikalen Querschnitt längs der Linie 7-7 in Fig. 4.
Die in den Zeichnungen dargestellte Schraubenradmaschine ist hinsichtlich der schraubenförmigen Profile der Rotoren gemäss der Patentschrift Nr. 169479 und hinsichtlich der Aufteilung in zwei Druckstufen gemäss der Patentschrift Nr. 176285 aufgebaut. Bei der Kombination dieser beiden Konstruktionsprinzipien ergibt sich ein günstiger Anwendungsfall für die vorliegende Erfindung, die aber durchaus nicht auf diesen Anwendungsfall bzw. das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt ist.
Die in der Zeichnung dargestellte erfindungsgemässe Schraubenradmaschine ist eine zweistufige Maschine und dient als Kompressor. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist das Maschinengehäuse zwei Bohrungen 10 und 12 auf, die zur Aufnahme der beiden Rotoren dienen, von denen der besseren Übersichtlichkeit halber nur der weibliche Rotor 14 dargestellt ist. Durch eine Zwischenwand 16 wird das Gehäuse in zwei Druckstufen 18 und 22 (Fig. 2) geteilt, von denen die erste die Rotorabschnitte 20 der Niederdruckstufe und die zweite die Rotorabschnitte 24 der Hochdruckstufe enthält. Die Rotorabschnitte zumindest eines der unterteilten Rotoren sind in beliebiger Weise miteinander gekuppelt. Es ist ersichtlich, dass die Steigung der Rotorabschnitte in der Niederdruckstufe grösser ist als die Steigung der Rotorabschnitte in der Hochdruckstufe.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist ferner der Umschlingungswinkel der schraubenförmigen Profile (Zentriwinkel zwischen dem Anfangspunkt und dem Endpunkt der schraubenförmigen Profile) in beiden Stufen etwa gleich gross und beträgt ungefähr 240 C. Die Anzahl der schraubenförmigen Kämme des weiblichen Rotors beträgt beim vorliegenden Beispiel sechs, wobei angenommen ist, dass dieser weibliche Rotor mit einem männlichen Rotor zusammenwirkt, der vier Kämme hat. Die Steigungen der Rotorabschnitte sind in den beiden zusammenarbeitenden Stufen gegensinnig, um die Axialschübe in den Lagern auszugleichen, welche die Rotoren in den Abschlusswänden des Gehäuses lagern. Da diese Bauweise an sich bekannt ist, sind diese Abschlusswände in der Zeichnung zur Erhöhung der Übersichtlichkeit fortgelassen worden.
Das Gehäuse weist ferner in der Niederdruckstufe 18 oben eine Einlassöffnung 26 für das Arbeitsmedium und in der Hochdruckstufe 22 unten eine Auslassöffnung 28 für das nun komprimierte Medium auf.
Die Zwischenwand 16, welche die Maschine in die beiden Druckstufen 18 und 22 unterteilt, ist mit Bohrungen 30 und 32 (Fig. 3) für die Zapfen ausgestattet, welche die Rotorabschnitte der einzelnen Rotoren verbinden. Diese Bohrungen enthalten vorzugsweise je ein gegebenenfalls hälftig geteiltes Axiallager 34 (Fig. l, 6). Die Axiallager 34 stützen die Rotoren bzw. Rotorabschnitte in der Zwischenwand ab, um so die bei nur endseitiger Lagerung der Rotoren auftretende Durchbiegung zu vermeiden. Wenn die Maschine sehr kurz ist, können jedoch derartige Zwischenlager fortgelassen und durch eine übliche Dichtung zur Vermeidung von Strömungsverlusten durch die Zwischenwand ersetzt werden.
Die Zwischenwand 16 ist hohl ausgebildet, wobei der so erhaltene Hohlraum 36 als Verbindung zwischen der Niederdruckstufe 18 und der Hochdruckstufe 22 dient. Der Wandteil 38, welcher der Seite höheren Druckes in der Niederdruckstufe 18 zugekehrt ist, lässt einen Auslass 40 (Fig. 2,7) für das in der ersten Stufe komprimierte Arbeitsmedium frei, das durch den Hohlraum 36 in der Zwischenwand nach oben zum Oberteil 42 des die Hochdruckstufe 22 umschliessenden Gehäuseabschnittes führt. Der Hohlraum 44 in dem erwähnten Oberteil 42 des Gehäuses (Fig. 2-4) führt über eine Einlassöffnung 46 am äusseren Ende der Schraubenradmaschine zur Hochdruckstufe.
Das auf den Enddruckkomprimierte Arbeitsmedium wird durch einen Auslass 28 (Fig. l, 2,6) der Maschine abgeleitet, der sich nahe dem Teil 48 der Zwischenwand bafindet, welcher der Seite höheren Druckes der Hochdruckstufe zugekehrt ist.
Die Einlassöffnung 26 (Fig. 1, 2,5) befindet sich in einem erweiterten Ansatz 50 des ansonsten die Rotorabschnitte in der Niederdruckstufe 18 eng umschliessenden Gehäusemantels 52. Die Gehäuseauswei-
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tung 50 dient dazu, eine möglichst günstige Zufuhr des Arbeitsmediums zur Niederdruckstufe zu gewähr- leisten.
Der sich im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Rotorachsen erstreckende Hohlraum 36 in der Zwischenwand 16, welcher die beiden Druckstufen unterteilt, geht, wie schon erwähnt, in den Kammerteil 44 über (Fig. 2, 6), der sich in Achsrichtung erstreckt und die Hochdruckstufe mit ihren Rotoren bis knapp zum Hochdruckauslass 28 umschliesst. Es ist also der den Hochdruckteil umschliessende Mantel 54 des Gehäuses doppelwandig ausgebildet und besteht aus einer tragenden Aussenwand 56, welche in den Gehäusemantel 52 der Niederdruckstufe übergeht (Fig. 3), sowie aus einer Innenwand 58, welche die Rotorteile der Hochdruckstufe 52 eng umschliesst. wobei sich zwischen diesen Wänden 56 und 58 der den Kammerteil 44 bildende Hohlraum befindet.
Die Doppelwände 56,58 der Hochdruckstufe setzen sich, wie die Fig. 3, 4 und 7 zeigen, jenseits der Zwischenwand 16 auf der anliegenden Seite der Niederdruckstufe eine kurze Strecke fort, um einen sanften Übergang zwischen den die einzelnen Stufen umschliessenden Mantelteilen zu erzielen. Da die Rotorabschnitte in den einzelnen Stufen gleichen Durchmesser haben, stimmen die Dimensionen der Wandteile 52 und 58 im wesentlichen überein.
Das dargestellte Gehäuse ist einstückig ; es kann aber auch aus einer oberen und unteren Hälfte bestehen, d. h. in einer die Achsen der Rotoren enthaltenden Ebene geteilt sein. Nach einer angewandten Ausführung kann das Gehäuse in axialer Richtung aus mehreren passenden Einzelteilen zusammengesetzt sein.
Die Schraubenradmaschine kann, wie bekannt,"trocken", d. h. ohne Dichtungsmittel, laufen, wenn die Rotoren und das sie umschliessende Gehäuse mit sehr geringem Spiel zusammenwirken. Wahlweise kann aber, wie in den Fig. 2 und 5 gezeigt, das Gehäuse für die Zufuhr von Dicht-und/oder Kühlflüssigkeit, wie z. B. Öl oder Wasser, zur Niederdruckstufe eingerichtet sein. Zu diesem Zweck verteilt eine Zufuhrleitung 60 die Flüssigkeit über mehrere Kanäle 62. in der Niederdruckstufe. Beim dargestellten Beispiel wird die Flüssigkeit längs der Verschneidungslinie der Bohrungen 10 und 12 eingeführt, doch kann sowohl die Lage als auch die Richtung der Zufuhrkanäle geändert werden. Wahlweise oder zusätzlich kann auch die Hochdruckstufe eine derartige Flüssigkeitsversorgung aufweisen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schraubenradmaschine zur Kompression oder Expansion eines Arbeitsmediums in mindestens zwei Druckstufen, mit sich über sämtliche Druckstufen erstreckenden, ineinandergreifenden, schraubenförmigen männlichen und weiblichen Rotoren, wobei aufeinanderfolgende Stufen durch eine senkrecht zu den Rotorachsen verlaufende Zwischenwand voneinander getrennt sind und durch einen zwischen der Hochdrucköffnung der Niederdruckstufe und der im wesentlichen radialen Niederdrucköffnung der Hochdruckstufe verlaufenden Kanal verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal als ein in der Zwischenwand (16) enthaltener Hohlraum (36) ausgebildet ist, der in einen den Arbeitsraum der Hochdruckstufe (22) nahezu ganz umschliessenden, mit dessen Niederdrucköffnung (46) kommunizierenden Mantelraum (44) übergeht.