<Desc/Clms Page number 1>
Schroefcompressorelement.
Deze uitvinding heeft betrekking op een schroefcompressorelement dat een behuizing bevat die van een rotorkamer is voorzien, twee samenwerkende rotoren die in deze behuizing gelagerd zijn en elk in de rotorkamer een lichaam bezitten met tanden die zich in schroefvorm over zijn lengte uitstrekken, waarbij de behuizing een uitlaat bezit die op de rotorkamer uitgeeft via een uitlaatpoort die tegenover een uiteinde van de lichamen van beide rotoren is gelegen.
Een dergelijk schroefcompressorelement komt overeen met een zuigercompressor, waarbij de zuiger schroefvormig is. De vrouwelijke rotor en de mannelijke rotor bewegen naar elkaar toe, terwijl het volume of de ruimte tussen hen en de behuizing en, meer bepaald de ruimte tussen twee tanden, soms ook lobben genoemd, geleidelijk afneemt. Tijdens de rotatie van de rotoren, wordt dus door een schroefvormige of helicoïdale tand van de mannelijke rotor de lucht die via de inlaat aangezogen werd in een groef tussen twee tanden van de vrouwelijke rotor, weggeduwd uit deze laatste groef.
Het compressieproces bij één rotatie van de mannelijke rotor doorloopt dus volgende stadia : is er aanzuiging van verse lucht wanneer de vrije ruimte in een groef van de vrouwelijke rotor vergroot. Eens de inlaat afgesloten is voor deze groef, begint bij verder verdraaien van de rotoren een verkleining van voornoemde vrije ruimte die in
<Desc/Clms Page number 2>
feite de compressieruimte vormt, door het indringen van een tand van de mannelijke rotor met drukstijging tot gevolg.
Ondertussen wordt eventueel olie ingespoten om te smeren, te koelen en af te dichten en na een bepaalde verdraaiing van de mannelijke rotor komt de uitlaatpoort in verbinding met de tot op dat ogenblik afgesloten ruimte tussen twee tanden die de compressieruimte vormt.
Voor de uitlaatpoort is de druk dan opgelopen volgens de ingebouwde drukverhouding die afhangt van de lengte van de rotor, de spoed van de tand en de vorm van de uitlaatpoort.
Een typisch voorbeeld van drukverhouding is 7/1 bar. In de uitlaat zelf, na de uitlaatpoort, heerst de druk die de toepassing vraagt, bijvoorbeeld 4 bar, 10 bar of 13 bar.
Het is dus zo dat net op het moment dat voornoemde ruimte tussen twee tanden via de uitlaatpoort in verbinding komt met de uitlaat er een verschil in drukniveau aanwezig is tussen deze ruimte, in het compressorelement, en deze uitlaat.
Bij de bekende compressorelementen bezit de uitlaatpoort een zodanige vorm dat de gedeelten van de rand van de uitlaatpoort die bij de rotatie van de rotoren het eerst bereikt wordt door de flank van een groef in de lichamen of met andere woorden het eerst bereikt wordt door de in de rotatiezin achteraan gelegen flank van een tand, nagenoeg dezelfde vorm bezit als deze flank van een tand, zoals weergegeven in de hieraan toegevoegde figuur 5.
<Desc/Clms Page number 3>
Dit heeft tot gevolg dat de uitlaatpoort op hetzelfde moment wordt geopend over de gehele achterste flank van de rotortand, en dus vrij plots direct een grote sectie van de uitlaatpoort door de tand geopend wordt. Bij een minimale verdraaiing van de mannelijke rotor komt bijgevolg een relatief grote oppervlakte van de uitlaatpoort vrij waarlangs de ruimte tussen twee tanden in verbinding komt met de uitlaat.
Het gevolg hiervan is een zeer plotse aanpassing van de druk in de rotor aan die van in de uitlaat. Met andere woorden, de druk van 7 bar in de ruimte tussen twee tanden zal praktisch ogenblikkelijk tot op 4 bar vallen wanneer er 4 bar in de uitlaat heerst of zal praktisch ogenblikkelijk stijgen tot 10 of 13 bar als er respectievelijk 10 of 13 bar in de uitlaat heerst.
Deze plotse veranderingen van druk in de compressieruimte of ruimte tussen de tanden veroorzaakt een scherp afgetekende verstoring van het gevraagde koppel op de mannelijke rotor. Met andere woorden, het koppel gevraagd om de mannelijke rotor te doen ronddraaien, wordt door het vermeld fenomeen verstoord op het moment dat de uitlaatpoort geopend wordt. Het effect vergroot bij grotere afwijkingen van de druk in de uitlaat ten opzichte van de druk in de ruimte tussen de tanden.
Indien de mannelijke rotor vier tanden bezit, dan vertoont het gevraagde koppel in functie van de hoekverdraaiing van de mannelijke rotor voor één toer bijvoorbeeld vier maal een stijgende lijn gedurende bijna 90 tijdens de
<Desc/Clms Page number 4>
compressie gevolgd door een plotse daling gedurende enkele graden. Uiteraard zijn andere tandcombinaties mogelijk.
Door het vrij plots open gaan van de uitlaatpoort en de daardoor eventueel veroorzaakte plotse dalingen van het gevraagde koppel kunnen het trillings- en het geluidsniveau van het compressorelement relatief hoog zijn en kan een onstabiel ratelgedrag ontstaan.
De uitvinding heeft een compressorelement als doel dat voornoemde nadelen niet bezit en plotse variaties in het koppel vermijdt en dus ook het trillings- en geluidsniveau verbetert en onstabiel ratelgedrag vermijdt.
Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt doordat het gedeelte van de rand van de uitlaatpoort dat bij de rotatie van de rotoren het eerst bereikt wordt door de flank van een groef tussen twee tanden op minstens één lichaam, of met andere woorden het eerst bereikt wordt door de, in de rotatiezin achteraan gelegen, flank van een tand op dit lichaam, afwijkt van de vorm die deze flank op het uiteinde van het lichaam bezit, in zodanige mate dat bij voornoemde rotatie eerst een klein oppervlak van de uitlaatpoort dat zich tussen dit uiteinde van deze flank en voornoemd gedeelte van de rand van de uitlaatpoort uitstrekt, wordt geopend, waarna de uitlaatpoort gradueel verder wordt geopend.
Voor een kleine verdraaiing van de mannelijke rotor is er slechts een kleine oppervlakte van de uitlaatpoort waarlangs het compressorelement in verbinding komt met de
<Desc/Clms Page number 5>
uitlaat. Deze oppervlakte vergroot langzaam tot de volledige oppervlakte van de uitlaatpoort. De uitvinding voorziet dus een geleidelijke toename van de oppervlakte van de uitlaatpoort bij het draaien van de rotoren.
Aangezien de uitlaatpoort zich over beide rotoren uitstrekt, bezit voornoemde rand van de uitlaatpoort twee gedeelten die afwijkend zijn van respectievelijk een uiteinde van een achteraan gelegen flank van een tand van de mannelijke rotor en een uiteinde van een achteraan gelegen flank van een tand van de vrouwelijke rotor.
Bij voorkeur wijkt voornoemd gedeelte van de rand van de uitlaatpoort zo af van een uiteinde van de achterste flank van een tand dat eerst een klein oppervlak van de uitlaatpoort aan de zijde van de voet van de tand wordt vrijgemaakt.
Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, is hierna, als voorbeeld zonder enig beperkend karakter, een voorkeurdragende uitvoeringsvorm van een schroefcompressorelement volgens de uitvinding beschreven met verwijzing naar de bijgaande tekeningen, waarin:
Figuur 1 een horizontale doorsnede weergeeft van een compressorelement volgens de uitvinding;
Figuur 2 een onderaanzicht weergeeft van het schroef- compressorelement van figuur l;
Figuur 3 een zicht in perspectief weergeeft van een gedeelte van de behuizing van het compressorelement
<Desc/Clms Page number 6>
volgens de vorige figuren, van binnenuit gezien en op grotere schaal getekend;
Figuur 4 op grotere schaal een doorsnede weergeeft volgens de lijn IV-IV in figuur 3.
Het schroefcompressorelement, weergegeven in de figuren 1, 2 en 4, bestaat in hoofdzaak uit een behuizing 1, die in het weergegeven voorbeeld uit twee aan elkaar bevestigde delen lA en 1B bestaat en die van een rotorkamer 2 is voorzien, en twee daarin aangebrachte en met elkaar samenwerkende rotoren 3 en 4.
Zoals weergegeven in de figuur 2, bestaat de mannelijke rotor 3 uit een schroefvormig lichaam 5 en twee assen 6 en 7 die op de uiteinden van het lichaam 5 staan en in lagers 8 en 9 gelagerd zijn. De as 7 steekt buiten de behuizing 1 uit en is de aandrijfas. De vrouwelijke rotor 4 bestaat eveneens uit een schroefvormig lichaam 10 en twee assen 11 en 12 op de uiteinden van het lichaam. De assen 11 en 12 zijn gelagerd in lagers 13 en 14. De lagers 8,9, 13 en 14 zijn in de behuizing 1 gevormde lagerhuizen aangebracht.
Het lichaam 5 van de mannelijke rotor 3 werkt samen met het lichaam 10 van de vrouwelijke rotor 4 en drijft dit lichaam 10 ook aan. Het bezit in het weergegeven voorbeeld vier, zich over zijn lengte in een schroefwenteling uitstrekkende, tanden 15, waartussen dus groeven 16 gevormd worden, terwijl het lichaam 10 zes zich over zijn lengte in een schroefwenteling uitstrekkende tanden 17 bezit, waartussen groeven 18 gevormd worden waarin de tanden 15 zich bij rotatie van de rotoren verplaatsen.
<Desc/Clms Page number 7>
De behuizing 1 is in het gedeelte lA van een niet in de figuren zichtbare inlaat voorzien die bovenaan op de rotorkamer 2 uitgeeft en is in het gedeelte 1B, dat in figuur 3 in perspectief is weergegeven, onderaan voorzien van een uitlaat 19 die, enerzijds, via een uitlaatpoort 20 uitgeeft op rotorkamer 2 en, anderzijds, uitmondt in een flens 21 voor het bevestigen van een uitlaatleiding.
In deze flens 21 is de uitmonding te zien van een kanaal 22 voor smeervloeistof die in de rotorkamer 2 geïnjecteerd is.
De uitlaatpoort 20 is in een eindwand van de rotorkamer 2 gelegen, tegenover de uiteinden van de lichamen 5 en 10 van de rotoren 3 en 4, en meer bepaald, tegenover het oppervlak dat het uiteinde van de tanden 15 en 17 tijdens de rotatie van de rotoren 3 en 4 beschrijven.
Zoals in detail is weergegeven in figuur 4, heeft de uitlaatpoort 20 een speciale vorm om de lucht samengeperst in een groef 16 of 18 optimaal uit deze laatste te laten stromen in de uitlaat 19 wanneer deze groef 16 en 20 zich over de uitlaatpoort 20 verplaatst.
Belangrijk is daarbij dat de gedeelten 23A en 23B van de rand 23 van de uitlaatpoort 20 die, bij rotatie van de rotoren 3 en 4, het eerste bereikt worden door een vooraan gelegen flank 16A van een groef 16, respectievelijk de vooraan gelegen flank 18A van een groef 18, in vorm afwijken van de vorm van de uiteinden van voornoemde flanken. In figuur 4 is de rotatiezin van de rotoren 3 en 4
<Desc/Clms Page number 8>
met pijlen aangeduid en zijn de gedeelten 23A en 23B van de rand 23 onderaan gelegen.
De vooraan gelegen flank 16A, respectievelijk 18A, is tegelijk de achteraan gelegen flank van een tand 15, respectievelijk 17. In vorm afwijken van de randgedeelten 23A en 23B betekent dat deze randgedeelten 23A en 23B niet evenwijdig zijn aan het uiteinde van de flanken 16A en 18A wanneer deze de uitlaatpoort 20 bereiken.
Meer bepaald springen de randgedeelten 23A en 23B aan de voet van de tand 15 of 17 die tegenover de uitlaatpoort 20 gelegen is uit naar de volgende tand 15 of 17.
Wanneer een tand 15 of 17 met zijn achteraan gelegen flank 16A of 18A de randgedeelten 23A en 23B bereikt, wordt eerst door deze tanden 15 of 17 een klein oppervlak van de uitlaatpoort 20 geopend, waarna de uitlaatpoort 20 gradueel verder wordt geopend. De samengeperste lucht in de op de tanden 15 en 17 volgende groeven 16 en 18, wordt dus eerst via een zeer beperkt gedeelte van de uitlaatpoort 20, en dus in beperkte mate, in de uitlaat 19 gelaten, en wordt vervolgens geleidelijk in sterkere mate in de uitlaat 19 gelaten.
In figuur 4 zijn de rotoren 3 en 4 in de stand getekend, waarbij een tand 15 en een tand 17 het kleine oppervlak bepaald door voornoemd uitspringend gedeelte van de randgedeelten 23A en 23B vrijgemaakt heeft.
<Desc/Clms Page number 9>
Ter vergelijking zijn in figuur 5 de rotoren 3 en 4 in exact dezelfde positie weergegeven, maar in een compressorelement volgens de stand van de techniek en dus met de bekende vorm van de uitlaatpoort. In deze figuur 5 zijn gelijkaardige elementen als in figuur 4 met hetzelfde verwijzingscijfer weergegeven maar vermeerderd met 100.
Doordat de randgedeelten 123A en 123B daar praktisch evenwijdig zijn aan de achteraan gelegen flanken 116A en 118A van de tanden 115 en 117, is het gedeelte van de uitlaatpoort 120 dat open is merkelijk groter dan volgens figuur 4.
In het compressorelement volgens de figuren 1, 2 en 4 is de druk in een groef 16 of 18, juist voor deze in verbinding komt met de uitlaat 19 met de uitlaatpoort 20 volgens de uitvinding, geleidelijk tot op het niveau van de uitlaatdruk, bijvoorbeeld 4,10 of 13 bar, gebracht.
Een algemene formule om de hoeksnelheid van een compressorelement 1, aangedreven door een motor, te bepalen is :
EMI9.1
dco M - M compressor 1- = motor I dt motor compressor waarin :
I = het massatraagheidsmoment van de rotor [kg.m2] # = de hoeksnelheid [rad/s] d#/dt = de variatie van hoeksnelheid per tijdseenheid
M = het koppel
<Desc/Clms Page number 10>
Volgens deze vergelijking treedt er een verandering in hoeksnelheid op als er een verschil is in het koppel geleverd door de motor en gevraagd door het compressorelement.
Omgezet naar een verandering in hoeksnelheid zelf geeft dit :
EMI10.1
(0 fdO) dt Volgens deze vergelijking levert het integreren van de variatie van de hoeksnelheid in de tijd de hoeksnelheid zelf op.
Het toerental is een lineaire omrekening van hoeksnelheid volgens
EMI10.2
zon 60 waarin : N = het toerental in toeren per minuut, (tpm) # = het getal Pi Een verschil in geleverd koppel door de motor en het gevraagd koppel door het compressorelement levert dus een effectieve schommeling van het toerental op.
Een combinatie van voorgaande vergelijkingen is:
EMI10.3
N= 60 f Mmotor - Mcompressor dt 2 J
<Desc/Clms Page number 11>
In tegenstelling tot de uitlaatpoort 120 volgens de stand van de techniek, geeft de uitlaatpoort 20, weergegeven in figuur 4, een geleidelijke wijziging van het gevraagde compressorkoppel. Het motorkoppel is nagenoeg constant, waardoor de term boven de breukstreep geleidelijk verandert.
Aangezien I constant is, alhoewel verschillend tussen de mannelijke rotor 3 en de vrouwelijke rotor 4, is hierdoor de effectieve ogenblikkelijke toerentalverstoring minder groot en minder verschillend tussen beide rotoren, zodat toch een stabiele werking van het compressorelement mogelijk is. Het compressorelement veroorzaakt minder geluid en trillingen dan het compressorelement volgens de stand van de techniek.
In het hiervoor beschreven voorbeeld bezit de rand 23 twee afwijkende randgedeelten 23A en 23B respectievelijk ten opzichte van een tand 17 en een tand 15. Hete is duidelijk dat in een variante de rand 23 slechts één dergelijk afwijkend randgedeelte 23A of 23B kan bezitten. In dit geval is het, ofwel een tand 15 van de mannelijke rotor 3, ofwel een tand 17 van de vrouwelijke rotor 4 die eerst een klein oppervlak van de uitlaatpoort 20 vrijmaakt en vervolgens de poort geleidelijk verder opent.
De uitvinding is geenszins beperkt tot de hiervoor beschreven en in de bijgaande figuren 1 tot 4 weergegeven uitvoeringsvorm, doch dergelijk schroefcompressorelement kan in verschillende varianten worden verwezenlijkt zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.