Schneckenmaschine
Die Erfindung betrifft eine Schneckenmaschine mit einem Gehäuse, das einander schneidende, parallele Bohrungen und Ein- und Austrittskanäle besitzt, die mit den Bohrungen über Ein- und Austrittsöffnungen des Gehäuses in Verbindung stehen, sowie mit einer Hauptschnecke und einer Steuerschnecke, wobei mindestens drei wendelförmige Stege und Nuten der Hauptschnecke mit mindestens vier wendelförmigen Stegen und Nuten der Steuerschnecke im Eingriff stehen. Die Hauptschnecke und die Steuerschnecke wirken miteinander und den Wandungen der Bohrungen unter Bildung von Arbeitsräumen für ein Arbeitsmittel zusammen, das sich von den Eintritts- zu den Austrittsöffnungen des Gehäuses bewegt.
In den erfindungsgemässen Schneckenmaschinen liegen die Stege und Nuten der Hauptschnecke im wesentlichen ausserhalb des Teilkreises der Hauptschnecke, haben die Stege der Hauptschnecken an ihrer vorlaufenden und nachlaufenden Flanke ein allgemein konvexes Profil, ist die Anzahl der Stege und Nuten der Steuerschnecke um mindestens eins grösser als die Zahl der Stege und Nuten der Hauptschnecke, liegen die Stege und Nuten der Steuerschnecke im wesentlichen innerhalb des Teilkreises der Steuerschnecke und haben die Stege und Nuten der Steuerschnecke an ihrer vorlaufenden und nachlaufenden Flanke im wesentlichen konkav gekrümmtes Profil.
Wenn derartige Maschinen als Verdichter verwendet werden, nehmen die Volumen der Arbeitsräume zu der Austrittsöffnung hin ab; wenn sie als mit elastischem Strömungsmittel betriebene Motoren verwendet werden, nehmen diese Volumen zu der Austrittsöffnung hin zu. Derartige Schneckenmaschinen können auch als Vakuumpumpen, Gaszähler und Expansionsmaschinen verwendet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeich- nung beispielsweise erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 im vertikalen Längsschnitt und
Fig. 2 in einer Draufsicht ein Beispiel eines Schneckenverdichters, dessen Schnecken ein Profil gemäss der vorliegenden Erfindung haben können,
Fig. 3 zeigt im Querschnitt einen Steg einer Hauptschnecke im Eingriff mit Nuten und Stegen der Steuerschnecke mit einem Profil, das als Grundprofil bezeichnet werden könnte,
Fig. 4r7 zeigen die Dichtlinien und Flächen zwischen der Hauptschnecke und der Steuerschnecke mit dem Profil nach Fig. 3,
Fig. 8 zeigt in grösserem Masstab das erfindungsgemässe Profil der Steuerschnecke sowie ein theoretisches Profil, mit dem ein konstanter Abstand erhalten wird.
Man erkennt somit die erzielte Veränderung der Abstände,
Fig. 9 a-f zeigen schematisch den Eingriff zwischen der Hauptschnecke und der Steuerschnecke in verschiedenen Relativstellungen zur Darstellung der Ver änderungen der Abstände in verschiedenen Stellungen der Schnecken, und die
Fig. 10 und 11 zeigen schematisch im Querschnitt bzw. im Längsschnitt diese Ausführurlgsfofm, wobei die Dichtlinien zwischen unter verschiedenen Drücken stehenden Räumen in der Umfangsprojektion dargestellt sind, damit jene Flächen des Profils der Steuerschnecke erkennbar werden, an denen die beiden entgegengesetzten Flanken der einander berührenden Rippen verschiedenen Drücken ausgesetzt sind, die auf die Schnecken ein Antriebs- oder Bremsmoment ausüben.
Der Erfindungsgegenstand wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels einer Schneckenmaschine in Form eines Schneckenverdichters beschrieben, weil der Schneckenverdichter die gebräuchlichste Form einer Schneckenmaschine ist. Die erfindungsge mässe Schneckenmaschine kann jedoch auch als Schneckenmotor, Schnecken-Expansionsmaschine oder als eine andere Schneckenmaschine mit veränderlichem Arbeitsraumvolumen ausgeführt werden. Erfindungsgemässe Schneckenverdichter können eine oder mehrere Hauptschnecken und eine oder mehrere mit ihnen und dem Gehäuse zusammenwirkende Steuerschnecken haben, wobei Arbeitsräume gebildet werden, deren Volumen verändert wird, wenn sie sich längs der Schnecken von einer Eintrittsöffnung zu einer Austrittsöffnung bewegen. Die erfindungsgemässen Schnekkenverdichter können ferner einstufige, zweistufige oder mehrstufige Maschinen sein.
Die Anzahl der Verdichterstufen hat auf den Charakter der Schnecken keinen Einfluss. Das dargestellte Ausführungsbeispiel ist ein einstufiger Schneckenverdichter mit einer Hauptschnecke und einer Steuerschnecke, die mit parallelen Achsen in einander schneidenden Bohrungen in einem Gehäuse drehbar gelagert sind und ineinandergreifende wendelförmige Rippen und Nuten haben.
Der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Schneckenverdichter besitzt ein Gehäuse mit einem Unterteil 31, einem Oberteil 32, einem zweiteiligen Eintritts-Endteil 33, 34 und einem Gleichlauf-Endteil 35. Dem Gehäuse 31, 22 des Schneckenverdichters wird Luft oder ein anderes gasförmiges Strömungsmittel über den Eintrittsstutzen 36 zugeführt. Dieses Strömungsmittel tritt nach seiner in dem Verdichter erfolgten Verdichtung durch den Austrittsstutzen 37 aus dem Verdichter aus.
In dem Verdichtergehäuse 31-35 sind zwei Schnecken 38 und 39 in den einander schneidenden Bohrungen 10 und 11 drehbar gelagert. Die Schneckenwellen werden von Lagern 12 und 13 getragen, die als Gleit-, Kugel- oder Rollenlager aus gebildet sein können. Die Schnecken sind axial durch Längslager 14 festgelegt, die als Kammlager, Kugel- oder Rollenlager ausgebildet sein können. An den Enden der Schnecken sind deren Wellen von üblichen Dichtungsringen 15 und 16 umgeben, die einen Durchtritt des Arbeitsmittels in die Arbeitsräume oder aus ihnen verhindern. Der Verdichter ist mit Gleichlaufzahnrädern 17, 18 versehen.
Öldichtringe 19 und 20 verhindern Ölverluste aus den Lagergehäusen. An den Eintrittsstutzen 36 schliesst ein Eintrittskanal 21 an, der sich in zwei Teile verzweigt, welche um die Schneckenwellen herum zu einer Eintrittsöffnung 22 führen, die mit den Bohrungen 10, 11 in Verbindung steht. Im unteren Endteil und am Boden des Gehäuses 31 ist eine Austrittsöffnung 23 vorgesehen, die mit einem Austrittskanal 24 und mit dem Austrittsstutzen 37 des Verdichters in Verbindung steht. Der Verdichter kann über seine Welle 25 von jedem geeigneten Antrieb angetrieben werden, beispielsweise einem Diesel- oder Elektromotor. Der Eintrittsstutzen und Austrittsstutzen können verschieden ausgebildet sein, beispielsweise gemäss dem Schweizer Patent Nr. 469 904.
Durch das Zusammenwirken der Hauptschnecke 38 und der Steuerschnecke 39 miteinander und mit den Wandungen der Bohrungen 10 und 11 werden in üblicher Weise Arbeitsräume gebildet, die sich von der Eintrittsöffnung 22 zu der Austrittsöffnung 23 des Gehäuses hinbewegen und dabei ihr Volumen ändern. Die Ausbildung der Hauptschnecke 38 und der Steuerschnecke 39 gemäss der Erfindung ist in den Fig. 3-11 gezeigt. Fig. 3 zeigt im Querschnitt einen Teil des Gehäuses 31, 32 und ineinandergreifende Stege und Nuten der Schnecken 38 und 39, ferner die allgemeine Form der Profile ohne Berücksichtigung der Abstände und Dichtteile, die in den Fig. 4-9 genauer dargestellt sind.
In Fig. 3 bezeichnen die Buchstaben M und G die Achsen der Hauptschnecke und der Steuerschnecke, Rl und R2 die Teilkreisradien der Hauptschnecke und der Steuerschnecke und RM und RG die Bohrungsradien der Hauptschnecke und der Steuerschnecke. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht der Bohrungsradius RG der Steuerschnecke dem Teilkreisradius R2 derselben. Mit al-bl-cl ist die nachlaufende Flanke des Steges der Hauptschnecke und mit a2-b2-c2 die vorlaufende Flanke des Steges der Steuerschnecke bezeichnet. Ein bandförmiger, geradliniger Dichtteil a2-b2 ist ein Teil eines Radius der Steuerschnecke, b2-c2 ist ohne Berücksichtigung der Dichtspalte entsprechend dem Scheitel c1 des Steges der Hauptschnecke erzeugt.
Der nachlaufende Fussteil al-bl des Steges der Hauptschnecke wird ohne Berücksichtigung der Dichtspalte entsprechend dem geradlinigen Teil a2-b2 des Steges der Steuerschnecke erzeugt, sodass zwischen diesen Teilen eine bandförmige Abdichtung erzielt wird. Der Punkt al wird entsprechend a2 und der Punkt b1 entsprechend b2 ebenfalls ohne Rücksicht auf die Dichtspalte erzeugt. Der Teil bl-cl der nachlaufenden Flanke der Hauptschnecke wird entsprechend dem Punkt b2 oder dem inneren Endteil des bandförmigen Dichtteiles a2-b2 der Steuerschnecke ebenfalls ohne Rücksicht auf die Dichtspalte erzeugt.
Der Teil cl-dl des Steges der Hauptschnecke ist kreisförmig mit einem Radius r und einem Mittelpunkt P, der auf dem Schnittpunkt zwischen den Teilkreisen liegt. Der Teil dl-el der vorlaufenden Flanke des Steges der Hauptschnecke wird ohne Rücksicht auf die Abstände entsprechend einem radialen Teil hd2-e2 der nachlaufenden Flanke des Steges der Steuerschnecke erzeugt. Der Teil c2-d2 der nachlaufenden Flanke des Steges der Steuerschnecke ist ein Kreisbogen, der im wesentlichen den Radius r hat und mit einem geeigneten Abstand dem Bogen c1-d1 entspricht.
Fig. 4-7 zeigen die Dichtflächen zwischen zwei Schnecken der in Fig. 3 gezeigten Art. Man erhält eine ununterbrochene Dichtlinie im wesentlichen über die ganze Strecke bis zu der Schnittlinie 26 zwischen den einander schneidenden Bohrungen 10 und 11. In den Fig. 3-7, 10 und 11 sind mit den Bezugszeichen 1-6 Stellen auf der Dichtlinie von erfindungsgemässen Schnecken bezeichnet. Der in dem vorstehend beschriebenen, bekannten Verdichter auftretende Durchlass ist hier ebenso wie in dem vorstehend beschriebenen LSI-Verdichter auf ein bedeutungsloses Minimum verkleinert, weil die Dichtlinien zwischen den Schnekken im wesentlichen mit der Schnittlinie 26 übereinstimmen.
Die Güte der Abdichtung längs der Dichtlinie, d. h. die mehr oder weniger vollkommene Abdichtung, wird in Fig. 4 und 5 durch eine grössere oder kleinere Anzahl von parallelen strichpunktierten Linien dargestellt und nachstehend zum Vergleich mit Fig. 10 und 11 herangezogen.
Fig. 8 zeigt in etwas grösserem Masstab ein Beispiel emes Profils 42 -e2 -a1 -b;';' einer erfin- dungsgemässen Steuerschnecke und strichliert ein Profil mit gleichbleibendem Dichtspalt, sodass die beabsichtigten Veränderungen der Abstände zwischen der Steuerschnecke und dem Profil der Hauptschnecke zum Unterschied von einem üblichen Profil erkennbar sind. Dieselbe Veränderung des Abstandes kann natürlich auch durch geeignete Abänderung des Profils der Hauptschnecke oder durch verschiedene Kombinationen von Abänderungen beider Schneckenprofile erzielt werden.
In den Fig. 9 a-f sind miteinander zusammenwirkende Teile von erfindungsgemässen Schneckenprofilen in verschiedenen Drehstellungen und mit verschiedenen Dichtspalten gezeigt. Die Dichtspalten an verschiedenen Stellen der Profile sind in den Fig. 10a-f mit C1 und einer nachgesetzten Ziffer bezeichnet. In einer geeigneten Ausführungsform ist C1 1 kleiner als C1 7, C1 5 und C1 4, ferner C1 2 kleiner als C1 4 und C1 8 kleiner als C1 5 und C1 6.
Das vorstehend beschriebene Querschnittsprofil der Schnecke führt dazu, dass der Dichtspalt C1 8 zwischen dem erzeugten Fussteil al-bl und dem bandförmigen Dichtteil a2-b2 der Steuerschnecke minimal oder gleich Null ist. In diesem Bereich ist im Betrieb der Maschine die Relativbewegung zwischen der Steuerschnecke und der Hauptschnecke nur sehr klein. Es hat sich daher gezeigt, dass in einem schnellaufenden Schneckenverdichter in diesem Bereich eine Berührung ohne Schmierung zulässig ist. Wenn in Schneckenverdichtern dieser Konstruktion, die mit Gleichlaufzahnrädern, z. B. 17, 18 versehen sind, eine derartige Berührung stattfindet, wird dadurch nur eine Honwirkung auf die einander berührenden Flächenteile ausgeübt.
Infolge der geringen Relativbewegung, die in diesem Bereich zwischen der Steuerschnecke und der Hauptschnecke stattfindet, wird nur eine sehr geringe Reibungswärme erzeugt, sodass sich die Schnecken aus diesem Grunde nicht verformen. In dem Bereich zwischen b2 und c2 bewegt sich der Scheitel c1 der Hauptschnecke mit beträchtlicher Geschwindigkeit gegenüber der Fläche der Flanke der Steuerschnecke. Daher sind in diesem Bereich die Dichtspalte C1 5, C1 6 so gross, dass eine Berührung zwischen dem Scheitel c1 und irgendeinem Punkt der Fläche b2-c2 unter allen Umständen vermieden wird.
Infolgedessen können in der erfindungsgemässen Schneckenmaschine keine gefährlichen oder schädlichen Berührungen zwischen den Schnecken auftreten und ist kein Festfressen der Schnecken infolge einer derartigen Berührung möglich.
Selbst eine Verformung einer Schnecke unter der Wirkung der Kompressionswärme oder des Strömungsmit tel druckes kann nur zwischen den bandförmigen Dichtteilen a2-bo und den Fussteilen aJ-bl zu einer Berührung führen; eine derartige Berührung ist für die Schnecken nicht schädlich. Weiter ist der Dichtspalt C1 4 zwischen den kreisbogenförmigen Teilen c-dt und c-d2 so gross, dass ein Festfressen in diesem Bereich verhindert wird.
Der Dichtspalt C1 2 ist kleiner als der Dichtspalt C1 4, sodass eine Gleichlaufstörung nur zwischen dem Fussteil d-el und dem Teil d2-e2 der Steuerschnecke zu einer Berührung führen kann, und zwar in Bereichen, in denen die Relativbewegung zwischen diesen Teilen nur klein ist. Ferner ist der Dichtspalt C1 1 kleiner als C1 7, sodass ein Verschleiss von Lagern oder eine quer zur Schneckenachse gerichtete Verformung der Schnecken nur zu einer gefahrlosen Wälzberührung zwischen den Scheiteln der Steuerschnecke und dem zylindrischen Grund der Nuten der Hauptschnecke führen kann.
Die Grösse der verschiedenen, vorstehend erwähnten Dichtspalten ist von mehreren Faktoren abhängig, beispielsweise
1. den Schneckendurchmessern,
2. den Betriebsbedingungen des Verdichters,
3. Kühleinrichtungen an dem Verdichtergehäuse und den Schnecken,
4. Herstellungstoleranzen der Schnecken, Lager, Gleichlauf-Zahnräder und des Verdichtergehäuses.
Beispielsweise sei angeführt, dass bei einem Verdichter für ein maximales Druckverhältnis von 4,5:1 und eine Eintritts-Höchsttemperatur von 500 C und mit einer ÖIkühlung für das Gehäuse und die Schnekken und den für eine normale Serienfertigung geeigneten Herstellungstoleranzen bei einem Schneckendurchmesser von 200 mm die Unterschiede zwischen den Dichtspalten an den verschiedenen Stellen gegenüber den üblichen Maschinen mit gleichbleibenden Dichtspalten etwa t 30 o/e betrugen.
Das heisst, dass der Dichtspalt zwischen a2"-e2" und dem Grund der Nuten der Hauptschnecke, zwischen a2"-b2" und al-bl auf der nachlaufenden Flanke der Hauptschnecke und zwischen d2"-e2" und al-bt auf der nachlaufenden Flanke der Hauptschnecke und zwischen d2"-e2" und dl-el auf der vorlaufenden Flanke der Hauptschnecke nur etwa 70 /o der entsprechenden Dichtspalte in üblichen Maschinen mit gleichbleibenden Dichtspaltenbeträgt. Die Dichtspalte zwischen b2" und b-cl auf der nachlaufenden Flanke der Hauptschnecke beträgt etwa 130 0/0 des Dichtspaltes in den Maschinen mit gleichbleibendem Dichtspalt.
Dasselbe gilt für den Dichtspalt zwischen c1 und b2"-c2" oder mindestens dem Bereich von b2" (Fig. 8).
Fig. 10 und 11 zeigen in einer Axialansicht und in der Drehprojektion die Dichtlinien zwischen den ineinandergreifenden Teilen der Schnecken 38, 39. Man erkennt, wie das verdichtete Gas in der Drehrichtung auf die Vorsprünge der Steuerschnecke einwirkt. Zu diesem Zweck sind alle auf der Dichtlinie liegenden Punkte in den richtigen Radialabständen von der Mittellinie der Steuerschnecke gezeigt. Dies ist durch die Pfeile x, y, z angedeutet.
Die von einem Vorsprung der Dichtlinie eingeschlossenen Bereiche A und die zwischen der Dichtlinie und dem Umfang C der Steuerschnecke eingeschlossenen Bereiche B zeigen die in Umfangsrichtung projizierten Flankenflächen der Steuerschnecke, die Drücken in entgegengesetzten Drehrichtungen ausgesetzt sind und die Grösse, welche diese druckbeaufschlagten Flächen haben müssen, damit auf die Schnecke ein Antriebs- oder Brems-Moment ausgeübt wird. In den Fig. 10 und 11 entspricht der Punkt 1 dem Punkt P (e2,) der Fig. 3, der Punkt 2 dem Punkt d2, der Punkt 3 dem Punkt c2, der Punkt 4 dem Punkt b2,, der Punkt 5 dem Punkt b2, und der Punkt 6 dem Punkt P (a2'). In den Fig. 4-7 werden dieselben Zahlen wie in den Fig. 10 und 11 verwendet, damit die in diesen Figuren gezeigten Dichtlinien leichter miteinander verglichen werden können.
Die Fig. 6 und 7 zeigen im Querschnitt, wie die in den Seitenansichten in Fig. 4 und 5 gezeigten Projektionen auf die betreffende Schnecke vorgenommen werden. In der in Fig. 3 angedeuteten Drehrichtung Wn, WG übt der auf die Fläche A wirkende Druck ein Antriebsmoment und der auf die Fläche B wirkende Druck ein Bremsmoment auf die Steuerschnecke aus. Durch Veränderung der Länge der Profilteile a2-b2 und d2-e2 in Fig. 3 können die Flächen A und B in Fig. 11 verändert werden. Es kann der Profilteil a2-b2 vorzugsweise 5-50 /e der Höhe des Steges der Steuerschnecke und d2-e2 5-25 O/o dieser Höhe betragen. Bei einem kurzen Profilteil a2-b2 ist der Durchtrittsquerschnitt klein und die Dichtlinie lang.
Dagegen ist bei einem langen Teil a2-b2 der Durchtritt grösser und die Dichtlinie kürzer, sodass sie eine bessere Abdichtung bewirkt. Bei zunehmender Grösse der Schnecke nimmt der Durchtrittsquerschnitt im Verhältnis zu dem Quadrat des Durchmessers und die Länge der Dichtlinie proportional mit dem Durchmesser zu.
Die optimale Länge des Profilteils a2-b2 ist daher von den Abmessungen der Schnecke abhängig. Bei der Wahl der Länge des Teiles a2-b2 müssen auch die Herstellungstoleranzen berücksichtigt werden, welche die Verluste an der Dichtlinie stärker beeinflussen als die Verluste durch den Durchtritt. Bei einer Schnecke von 200 mm Durchmesser und für die normale Serienfertigung geeigneten Herstellungstoleranzen hat es sich erwiesen, dass der Profilteil a2-b2 vorzugsweise etwa 10 0/o der Höhe des Steges der Steuerschnecke entspricht. Die Länge des Profilsteiles d2-e2 kann dann so gewählt werden, dass die Fläche A eine Grösse erhält, bei der auf die Steuerschnecke ein geeignetes Antriebsmoment ausgeübt wird.
Da das erforderliche Drehmoment von der Lagerreibung der Schnecke abhängt, haben Wälzlager einen günstigen Einfluss auf den Wirkungsgrad des Verdichters Sie bewirken ferner indirekt eine Herabsetzung der Innenverluste, weil sie eine Vergrösserung des Profilteiles d2-e2 gestatten, sodass die Dichtlinie noch etwas verkürzt wird. Wenn der vorstehend angegebene Verdichter mit Wälzlagern versehen ist, kann die Länge des Profilteiles d1-e2 vorzugsweise etwa 25 O/o der Höhe des Steges der Steuerschnecke betragen.
Um einen einwandfreien formschlüssigen Eingriff und einen glatten Lauf des Verdichters unter allen Betriebsbedingungen zu gewährleisten, müssen auf der Hauptschnecke eines erfindungsgemässen Verdichters mindestens drei Stege vorgesehen sein und müssen die Schnecken eine solche Länge und Steigung haben, dass der Fussteil al-bt der Hauptschnecke mit dem bandförmigen Dichtteil a2-b2 der Steuerschnecke ständig in mindestens drei Querschnitten der Schnecken in Berührung steht. Die Steuerschnecke muss mindestens einen Steg mehr haben als die Hauptschnecke.
Die Erfindung führt zu dem überraschenden Effekt, dass der Wirkungsgrad eines Schneckenverdichters, der mit den für eine normale Serienfertigung geeigneten Toleranzen hergestellt ist, um mehrere Prozent erhöht wird, sodass die Erfindung die Herstellung eines Schneckenverdichters ermöglicht, der hinsichtlich des Wirkungsgrades einem Verdichter mit hin- und hergehendem Kolben fast gleichwertig ist.
Ferner hat es sich gezeigt, dass bei in Öl laufenden Verdichtern, bei denen ein zum Schmieren und Abdichten dienendes Öl eingespritzt wird, das die Kompressionswärme abführt und die Schnecken gegen das Gehäuse abdichtet, die Gleichlaufzahuräder entfallen können, ohne dass an den Schneckenteilen a2-b2, a,-bl oder d2-e2, d,-et ein Verschleiss auftritt, der die wichtigen Abstände verändert.
Der Wirkungsgrad kann ferner dadurch verbessert werden, dass auf den Stegen der Steuerschnecke und/ oder der Hauptschnecke im wesentlichen auf den Flächen zwischen den Stellen b2-c2 und c2-d2 sowie zwischen den Stellen b1-dt Farbe oder Flocken oder ein anderes Verschleissmaterial vorgesehen wird.