BE1026106B1

BE1026106B1 - Schroefcompressor

Info

Publication number: BE1026106B1
Application number: BE2018/5153A
Authority: BE
Inventors: Wim MEEUSEN; Björn Verrelst
Original assignee: Atlas Copco Airpower Naamloze Vennootschap
Priority date: 2017-08-28
Filing date: 2018-03-13
Publication date: 2019-10-16
Also published as: ES2908273T3; KR20200021937A; BE1026106A1; BR112020003864A2; RU2745170C1; EP3676514B1; CN110869649B; JP2020530082A; CN110869649A; EP3676514A1; JP6948455B2; BR112020003864B1; PL3676514T3; WO2019043469A1; US20200200171A1; US11913451B2; KR102340757B1

Abstract

Schroefcompressor welke een eerste rotor (4) en een tweede rotor (5) omvat, waarbij elke rotor (4, 5) voorzien is van een synchronisatietandwiel (13, 14), waarbij de schroefcompressor (1) verder voorzien is van een elektrische motor (12) en één of twee aandrijftandwielen (9, 10) voor het aandrijven van de voornoemde eerste rotor (4) of tweede rotor (5), daardoor gekenmerkt dat ten minste één van de synchronisatietandwielen (13, 14) of aandrijftandwielen (9, 10) voorzien is van spaken (17) tussen een ve1g (16) met tandwieltanden (15) en een corresponderende tandwielnaaf (18).

Description

Schroefcompressor.

De huidige uitvinding heeft betrekking op een schroefcompressor.

Het is bekend dat in olievrije schroefcompressorelementen, de twee rotoren op hoge snelheid worden aangedreven teneinde lekken te minimaliseren en om de output aan samengeperst gas te maximaliseren. De eerste rotor, ofwel de mannelijke ofwel de vrouwelijke rotor, is aangedreven en drijft op zijn beurt de tweede rotor aan via twee zogenaamde synchronisatietandwielen.

In de meeste gevallen is de eerste rotor aangedreven via een gearbox of tandwieloverbrenging. Wanneer een traditionele inductiemotor wordt gebruikt, met een toerental van 1500 toeren per minuut, is een tandwieloverbrenging met een grote overbrengingsverhouding nodig om de hoge snelheid te realiseren om het olievrije schroefcompressorelement aan te kunnen drijven. Een tandwieloverbrenging met een grote overbrengingsverhouding is groot en duur en veroorzaakt niet te verwaarlozen energieverliezen.

Het is ook mogelijk om een zogenaamde directe aandrijving toe te passen, waarbij de motor het olievrije schroefcompressorelement rechtstreeks aandrijft. In dit geval is een duur controlesysteem voor de motor noodzakelijk, en de verliezen die gepaard gaan met het hoge frequentie schakelen welke nodig zijn om de motor bij deze

BE2018/5153 hoge toerentallen de controleren, worden aanzienlijk groter.

Daarom is het goedkoper en meer energie-efficiënt om een hoge snelheidsmotor met een kleine tandwieloverbrenging te gebruiken om het olie-vrije compressorelement aan te drijven.

Echter, vergeleken met de traditionele oplossing met een grote tandwieloverbrenging, is een hoge snelheidsmotor met een kleine tandwieloverbrenging meer gevoelig voor vibratie problemen. Bij een grote tandwiel overbrenging heeft het grote tandwiel van de overbrenging een grote inertie en zal verhinderen dat vibraties of trillingen die bijvoorbeeld opgewekt worden in het olievrije compressorelement doorheen de overbrenging kunnen propageren.

Men kent reeds een oplossing om bij gebruik van een hoge snelheidsmotor met een kleine tandwieloverbrenging de vibraties te vermijden, waarbij gebruik wordt gemaakt van een flexibele koppeling. Deze zal niet alleen de uitlijning tussen de motor en de eerste rotor vereenvoudigen, maar zal ook voor demping van de vibraties zorgen.

Dergelijke bekende installaties vertonen echter enkele nadelen.

Een nadeel is dat de flexibele koppeling een extra bijkomende kost vertegenwoordigt en dat hierdoor ook de omvang van de tandwieloverbrenging vergroot wordt.

BE2018/5153

Bovendien is een flexibele koppeling gevoelig voor slijtage omdat het flexibel materiaal degradeert over tijd, zodat de flexibele overbrenging regelmatig vervangen moet worden.

Bovendien absorbeert de demping van de flexibele koppeling veel energie zodat de energie-efficiëntie van de overbrenging verminderd wordt.

US 3.371.549 beschrijft een tandwiel dat vervaardigd is uit een thermoplastisch materiaal, waardoor het vervormbaar is om toe te laten dat de velg excentrisch ten opzichte van de naaf kan komen te liggen. Alhoewel dergelijk tandwiel vibraties of trillingen zal kunnen opvangen, is het veel te slap om toegepast te worden in hoge snelheidstoepassingen zoals schroefcompressoren.

US 4.17.643 beschrijft een tandwiel dat voorzien is van beugels tussen de naaf en de velg, waarbij de ruimte tussen de beugels wordt opgevuld met een geluiddempend materiaal om het geluid afkomstig van de resonantie van de beugels te absorberen.

De huidige uitvinding heeft tot doel aan minstens één van de voornoemde en andere nadelen een oplossing te bieden door een overbrenging te voorzien voor een olievrije schroefcompressor met een hoge snelheidsmotor en een kleine tandwieloverbrenging die meer robuust is met betrekking tot vibratie problemen.

De huidige uitvinding heeft een schroefcompressor als voorwerp welke een eerste en een tweede rotor omvat,

BE2018/5153 waarbij elke rotor voorzien is van een synchronisatietandwiel, waarbij de schroefcompressor verder voorzien is van een elektrische motor en één of twee aandrijftandwielen voor het aandrijven van de voornoemde eerste of tweede rotor, met als kenmerk dat ten minste één van de synchronisatietandwielen of aandrijftandwielen voorzien is van spaken tussen een velg met tandwieltanden en een corresponderende tandwielnaaf.

Een voordeel is dat door ten minste één van de tandwielen van spaken te voorzien, de overbrenging meer stabiel gemaakt kan worden.

Door tandwielen met spaken te gebruiken, wordt het tandwiel meer torsioneel flexibel, zodat de propagatie van vibraties op efficiënte wijze verhinderd wordt, in het bijzonder tornionele vibraties.

Dit is vooral van belang bij tandwielen met een schuine vertanding, waar er een sterke koppeling bestaat tussen de axiale en torsionele vibraties.

Door een tandwiel volgens de uitvinding met spaken op de motor te monteren, kunnen de axiale en ook de torsionele vibraties op de motor en de rotoren van de compressor verminderd worden.

Tandwielen met een schuine vertanding worden vaak verkozen boven tandwielen met een rechte vertanding, omdat ze een beter loopgedrag vertonen, bovendien kunnen ze axiale

BE2018/5153 krachten overbrengen waardoor ze nuttig kunnen zijn om de axiale belasting in de lagers te verbeteren.

Door de flexibiliteit van het tandwiel met spaken te veranderen, kan de trilvorm of 'mode shape' op resonantie van de aandrijflijn gewijzigd worden. Zo kunnen de knopen verplaatst worden naar plaatsen waar de torsionele vibraties mogelijks de andere vrijheidsgraden (axiaal en/of lateraal) kunnen aanslaan. De positie van het tandwiel met spaken (link tussen torsionele, axiale en eventueel laterale beweging) is dan typisch een buik van de torsionele vibraties. Hierdoor is er geen torsionele twist over het tandwiel en worden de axiale of laterale beweging niet geëxiteerd door torsietrillingen.

Door het verwijderen van een flexibele koppeling wordt de stijve aandrijflijn extreem gevoelig aan allerlei tolerantie fouten van componenten die op de verschillende assen geplaatst worden, onder andere de passing van het tandwiel zelf. Door de verminderde stijfheid van de aandrijflijn via de tandwielspaken wordt deze gevoeligheid sterk gereduceerd en zullen geïnduceerde trillingen door deze tolerantie fouten drastisch gereduceerd worden.

Volgens een voorkeurdragend kenmerk van de uitvinding is het synchronisatietandwiel of aandrijftandwiel met de grootste diameter voorzien van spaken tussen een velg met tandwieltanden en een corresponderende tandwielnaaf.

Dit heeft als voordeel dat het grootste en zwaarste tandwiel niet alleen veel lichter kan uitgevoerd worden

BE2018/5153 waarbij tevens veel materiaal bespaard kan worden, maar ook dat het grootste tandwiel, wat typisch het beste trillingen kan opvangen, door het voorzien van spaken nog efficiënter zal zijn in het opvangen van trillingen.

Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, zijn hierna, als voorbeeld zonder enig beperkend karakter, enkele voorkeurdragende uitvoeringsvormen beschreven van schroefcompressor volgens de uitvinding, met verwijzing naar de bijgaande tekeningen, waarin:

figuur 1 schematisch een schroefcompressor volgens de uitvinding weergeeft;

figuur 2 het aandrijftandwiel van de compressorinrichting van figuur 1 weergeeft;

figuur 3 een doorsnede weergeeft volgens de lijn IIIIII uit figuur 2;

figuur 4 schematisch een variant van figuur 1 weergeeft ;

figuur 5 schematisch een variant van figuur 2 weergeeft.

In figuur 1 is schematisch een schroefcompressor 1 volgens de uitvinding weergegeven welke voorzien is van een compressorelement 1.

Het compressorelement 2 omvat een behuizing 3 waarin twee rotoren 4, 5 gelagerd zijn met hun assen 6, 7. Deze rotoren

4, 5 zijn zogenaamde schroefrotoren, te weten een mannelijke schroefrotor 4 en een vrouwelijke schroefrotor

5, met lobben 8 die samenwerkend in elkaar kunnen draaien.

BE2018/5153

De mannelijke rotor 4 heeft bijvoorbeeld vijf lobben 8 en de vrouwelijke rotor 5 drie lobben 8.

Het is uiteraard mogelijk dat de rotoren 4, een ander aantal lobben 8 bezitten of dat de schroefcompressor 1 voorzien is van meer dan één dergelijke compressorelementen.

Op één uiteinde 7a van de as 7 van één van de rotoren 5 is een aandrijftandwiel 9 voorzien dat kan ingrijpen op een tweede aandrijftandwiel 10, waarbij dit tweede tandwiel 10 op de as 11 van een elektrische motor 12 is aangebracht. Het aandrij ftandwiel 9 is in dit geval op de vrouwelijke rotor 5 aangebracht, maar kan ook op de mannelijke rotor 4 aangebracht zijn.

De elektrische motor 12 is een hoge snelheidsmotor, die een toerental kan halen van minstens 3000 toeren per minuut.

Door deze hoge snelheid kan het aandrij ftandwiel 10 op de motor een kleinere diameter hebben dan bij een motor met een toerental van bijvoorbeeld maximum 1500 toeren per minuut. Bovendien kan hierdoor ervoor gezorgd worden dat de overbrengingsverhouding tussen de twee aandrijftandwielen 9, 10 maximum 6 is.

Verder is op het andere uiteinde 7b van de as 7 van de voornoemde rotor 5 en op het overeenkomstige uiteinde 6b van de as 6 van de andere rotor 4, telkens een zogenaamd synchronisatie tandwiel 13, 14 aangebracht.

BE2018/5153

Zoals duidelijk te zien op figuur 1, is er geen elastische koppeling aanwezig tussen de elektrische motor 12 en de aangedreven rotor 5.

De overbrenging tussen de elektrische motor 12 en de aangedreven rotor 5 wordt volledig verzorgd door de aandrijftandwielen 9, 10.

In totaal omvat de schroefcompressor 1 vier tandwielen: twee aandrijftandwielen 9, 10 en twee synchronisatietandwielen 13, 14.

De voornoemde tandwielen 9 en 10 zijn typisch voorzien van tandwieltanden 15 met een schuine vertandingen op hun betreffende velgen 16. Maar er kunnen uitvoeringsvormen zijn waar dit met een rechte vertanding wordt voorzien.

De voornoemde tandwielen 13 en 14 zijn typisch voorzien van tandwieltanden 15 met een rechte vertandingen op hun betreffende velgen 16. Eveneens kunnen er uitvoeringsvormen zijn waar er een schuine vertanding voorzien is voor de synchronisatie tandwielen.

De zogenaamde helix hoek van zo'n schuine vertanding heeft typische waarden tussen 20 tot 35 graden, doch de uitvinding is niet beperkt tot dit bereik.

Eén van de voornoemde tandwielen 10 is voorzien van spaken 17 zoals weergegeven in figuren 2 en 3, welke aangebracht zijn tussen de velg 16 met de tandwieltanden 15 en de tandwielnaaf 18 van het tandwiel 10.

BE2018/5153

In dit geval is het aandrijftandwiel 10 dat op de motor 12 gemonteerd is, voorzien van dergelijke spaken 17. Het is natuurlijk niet uitgesloten dat een ander of meerdere andere tandwielen 9, 13, 14 voorzien zijn van dergelijke spaken 17.

In figuren 2 en 3 is duidelijk zichtbaar dat het tandwiel 10 voorzien is van in dit geval acht spaken 17 die zich uitstrekken vanaf de naaf 18 naar de velg 16. Zodoende is de grootste gemene deler van het aantal spaken 17 en van de lobben 8 van de rotoren 4, 5 gelijk aan 1.

De spaken 17 zijn in het weergegeven voorbeeld, doch niet noodzakelijk voor de uitvinding, balkvormig en hebben een constante dwarsdoorsnede.

De oppervlakte van de ruimte 19 tussen de spaken 17 is bij voorkeur meer dan drie keer, en liever nog meer dan vier keer, en in dit geval zelfs meer dan vijf keer de oppervlakte van de spaken 17, zoals gezien in de richting van de as 20 van het tandwiel 10, i.e. zoals gezien in figuur 2.

Door voldoende open, ruimte 19 te laten, wordt een relatief 'slappe' structuur bekomen van het tandwiel .10 met een lage stijfheid of rigiditeit, zodat de elastische vervormbaarheid vergroot wordt van het tandwiel 10.

Naast de oppervlakte van de open ruimte 19 wordt ook de dikte van de spaken 17 verkleind ten opzichte van de tandwiel breedte zodat de rigiditeit verlaagd wordt.

BE2018/5153

Zoals te zien is in figuur 3, is de ruimte 19 tussen de spaken 17 in dit geval opgevuld met een dempingsmateriaal

21.

Dit dempingsmateriaal 21 kan bijvoorbeeld rubber gebaseerd zijn of meer algemeen een soort van composietmateriaal waarbij een rubber gebruikt wordt als bindmiddel.

Ook een kunststof materiaal, hars of metaal gaas kan dienst doen als het dempingsmateriaal 21.

Alhoewel in het weergegeven voorbeeld alle ruimtes 19 tussen de spaken 17 gevuld zijn met een dempingsmateriaal 21, is dit niet noodzakelijk het geval. Eén of meer ruimtes 19 kunnen ook leeg zijn of bijvoorbeeld kunnen de ruimtes 19 afwisselend opgevuld zijn met een dempingsmateriaal 21 en leeg zijn.

Het dempend materiaal heeft dan tot doel om de dempingswaarde in de aandrijflijn te verhogen om de bijkomend de trillingen bij het aanslaan van de resonanties nog verder te reduceren.

Indien de compressorinrichting 1 voorzien is van meerdere tandwielen 9, 10, 13, 14 met spaken 17, is bij voorkeur in ten minste één tandwiel 9, 10, 13, 14 met spaken 17 ten minste één van de ruimtes 19 tussen de spaken 17 opgevuld met een dempingsmateriaal 21. Hierbij dient opgemerkt te worden dat het materiaal 21 verschillend kan zijn van tandwiel tot tandwiel 9, 10, 13, 14 en eventueel zelfs van opgevulde ruimte 19 tot opgevulde ruimte 19.

BE2018/5153

Bijkomend aan het dempingsmateriaal 21 zijn in het weergegeven voorbeeld de ruimtes 19 tussen de spaken 17 bedekt. Dit is duidelijk zichtbaar in figuur 3, waarbij de ruimtes bedekt zijn met een plastic plaat 22 of deksel, teneinde het dempingsmateriaal 21 in de ruimtes 19 te houden.

De voornoemde platen 22 of deksels kunnen tussen de spaken 17 vastgemaakt worden met schroeven of dergelijke of vastgeklikt worden middels een klikverbinding.

Het is ook mogelijk dat de ruimtes 19 tussen de spaken 17 enkel bedekt zijn, maar niet opgevuld zijn met dempingsmateriaal 21 zodat er als het ware lege kamers gecreëerd worden.

Het is tevens mogelijk, net zoals bij het dempingsmateriaal 21, dat niet alle ruimtes 19 tussen de spaken 17 bedekt zijn.

Het bedekken van de lege ruimtes 19 heeft als voordeel dat er bij het ronddraaien van het tandwiel 10 geen ongewenste wervelingen gecreëerd worden met bijhorende verliezen, de zogenaamde winding losses.

Het tandwiel 10 met spaken 17 is bij voorkeur vervaardigd uit één stuk materiaal.

Het materiaal waaruit het tandwiel 10 met spaken 17 vervaardigd is, kan bijvoorbeeld staal zijn of gietijzer, maar dit is niet noodzakelijk voor de uitvinding.

BE2018/5153

De werking van de schroefcompressor 1 is zeer eenvoudig en als volgt.

Op de gekende wijze zal de motor 12 de rotoren 4, 5 van de schroefcompressor 1 kunnen aandrijven, waarbij de rotatie van as 11 van de motor 12 via het aandrijftandwiel 10 naar het aandrij ftandwiel 9 op de as 7 van de rotor 5 wordt doorgegeven.

Door deze rotatie van de rotor 5 zal het bijhorende synchronisatie tandwiel 13 roteren en synchronisatietandwiel 14 meenemen, waardoor rotor 4 zal meedraaien.

Tijdens deze werking van de schroefcompressor 1 zal er door de rotoren 4, 5 gas samengeperst kunnen worden, waarbij er vibraties of trillingen opgewekt worden in het compressorelement 2.

Het verslapte aandrijftandwiel 10 zal deze vibraties kunnen reduceren door de ontkoppeling tussen de vrijheidsgraden enerzijds en door de mogelijks aangebrachte demping anderzijds, waardoor vermeden wordt dat de ongewenste vibraties die doorheen de overbrenging kunnen propageren en zo bijvoorbeeld schade kunnen toebrengen aan de motor 12 of de axiale en/of laterale beweging van de compressorrotoren 4, 5 zelf niet aanslaan.

In figuur 4 is een variante weergegeven volgens figuur 1, waarbij in dit geval de schroefcompressor 1 slechts één

BE2018/5153 aandrij ftandwiel 10 omvat voor het aandrijven van de rotor

5.

De synchronisatietandwielen 13, 14 zijn in dit geval aan de andere zijde van de rotoren 4, 5 gemonteerd vergeleken met figuur 1, zodat één van de synchronisatietandwielen 13 ook dienst doet als aandrijftandwiel 9.

Hierdoor is de schroefcompressor 1 uit figuur 4 van slechts drie tandwielen 10, 13, 14 voorzien, waarbij de overbrenging tussen de motor 12 en de aangedreven rotor 5 verzorgt wordt door het aandrijftandwiel 10 en het synchronisatietandwiel 13.

Het aandrijftandwiel 10 is ook in dit geval een tandwiel 10 met spaken 17, zoals bijvoorbeeld het tandwiel 10 uit figuren 2 en 3.

De werking is voor de rest analoog aan de werking van de compressorinrichting uit figuur 1.

Figuur 5 geeft een alternatieve uitvoeringsvorm weer van figuur 1, waarbij in dit geval het tandwiel 10 voorzien is van twaalf spaken 17 tussen de naaf 18 en de velg 16.

Tevens zijn de ruimten 19 tussen de spaken 17 niet opgevuld noch afgedekt. De ruimte 19 tussen de spaken 17 van het tandwiel 10 is met andere woorden open.

De huidige uitvinding is geenszins beperkt tot de als voorbeeld beschreven en in de figuren weergegeven uitvoeringsvormen, doch een schroefcompressor volgens de

BE2018/5153 uitvinding kan in allerlei vormen en afmetingen worden verwezenlijkt zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.

Claims

Conclusies .

1. - Schroefcompressor welke een eerste rotor (4) en een tweede rotor (5) omvat, waarbij elke rotor (4, 5) voorzien is van een synchronisatietandwiel (13, 14), waarbij de schroefcompressor (1) verder voorzien is van een elektrische motor (12) en één of twee aandrijftandwielen (9, 10) voor het aandrijven van de voornoemde eerste rotor (4) of tweede rotor (5), daardoor gekenmerkt dat ten minste één van de synchronisatietandwielen (13, 14) of aandrijftandwielen (9, 10) voorzien is van spaken (17) tussen een velg (16) met tandwieltanden (15) en een corresponderende tandwielnaaf (18).
2. - Schroefcompressor volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de schroefcompressor (1) slechts één aandrijftandwiel (10) omvat voor het aandrijven van de voornoemde eerste rotor (4) of tweede rotor (5).
3. - Schroefcompressor volgens conclusie 1 of 2, daardoor gekenmerkt dat het synchronisatietandwiel (13, 14) of aandrijftandwiel (9, 10) met de grootste diameter voorzien is van spaken (17) tussen een velg (16) met tandwieltanden (15) en een corresponderende tandwielnaaf (18).
4. - Schroefcompressor volgens één of meer van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat ten minste één van de aandrijftandwielen (9, 10) of synchronisatietandwielen (13, 14) met spaken (17) een tandwiel (9, 10, 13, 14) is met een

BE2018/5153 schuine vertanding, waarbij de tanden (15) onder een hoek met de as (20) van het tandwiel (9, 10, 13, 14) staan.
5. - Schroefcompressor volgens één of meer van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat één van de voornoemde aandrijftandwielen (9, 10) op de elektrische motor (12) is gemonteerd, waarbij dit aandrijftandwiel (9, 10) voorzien is van spaken (17) tussen een velg (16) met tandwieltanden (15) en een corresponderende tandwielnaaf (18).
6. - Schroefcompressor volgens één of meer van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de spaken (17) balkvormig zijn en een constante dwarsdoorsnede hebben.
7. - Schroefcompressor volgens één of meer van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de oppervlakte van de ruimte (19) tussen spaken (17) meer dan drie keer en bij voorkeur meer dan vier keer en nog liever meer dan vijf keer de oppervlakte van de spaken (17) is, zoals gezien in de richting van de as (20) van het tandwiel (9, 10, 13, 14) .
8. - Schroefcompressor volgens één of meer van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de tandwielen (9, 10, 13, 14) met spaken (17) vervaardigd zijn uit één stuk materiaal.
9. - Schroefcompressor volgens één of meer van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de tandwielen (9, 10, 13, 14) met spaken (17) vervaardigd zijn uit staal of gieti j zer.

BE2018/5153
10.- Schroefcompressor volgens één of meer van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat er geen elastische koppeling aanwezig is tussen de elektrische motor (12) en de aangedreven rotor (4, 5).
11.- Schroefcompressor volgens één of meer van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de elektrische motor (
12) een hoge snelheidsmotor is, die een toerental kan halen van boven de 3000 toeren per minuut.

12 . - Schroefcompressor volgens één of meer van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de overbrengingsverhouding van de aandrijftandwielen (9, 10) maximum 6 is.
13,- Schroefcompressor volgens conclusie 12, daardoor gekenmerkt dat één van de synchronisatie tandwielen (13, 14) ook dienst doet als een aandrijftandwiel (9, 10).
14. - Schroefcompressor volgens één of meer vande voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat inten minste één tandwiel (9, 10, 13, 14) met spaken (17),de ruimtes (19) tussen de spaken (17) bedekt zijn.
15. - Schroefcompressor volgens één of meer vande voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat in ten minste één tandwiel (9, 10, 13, 14) met spaken (17) , ten minste één van de ruimtes (19) tussen de spaken (17) opgevuld is met een dempingsmateriaal (21).