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Die Erfindung betrifft einen Schraubenverdichter mit einem Gehäuse, das zwei Rotoren, einen Haupt- und einen Nebenrotor, umschließt, deren Profilabschnitte eine ausgeprägte Schrägverzahnung mit einer axialen Länge von etwa dem 1,4-fachen Wert der axialen Zahnteilung haben. Der Hauptrotor hat im Wesentlichen konvexe Zahnflanken mit mindestens 4 Zähnen, und der Nebenrotor hat im Wesentlichen konkave Zahnflanken. Der Hauptrotor besitzt ein Antriebswellenende, mit dem er durch ein externes Drehmoment in Drehung versetzt werden kann und den Nebenrotor durch Zahneingriff antreibt. Der Profilabschnitt beider Rotoren wird zumindest im Bereich der sich infolge Rotordrehung verkleinernden Zahnlücken vom Gehäuse dichtend umschlossen, das unmittelbar oder mittelbar an die beiden Profilabschnitte angrenzend, mindestens ein Einlassfenster zum Eintritt des Arbeitsmediums in die Zahlenlücken des Rotorpaares und mindestens ein Auslassfenster zum Ausschub des Arbeitsmediums aus den Zahnlücken des Rotorpaares infolge der Drehung der Rotoren aufweist.
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Die jeweiligen Stirnseiten des durch Zahnlücken gekennzeichneten Profilabschnittes bilden mit der gegenüber liegenden Stirnwand des Gehäuses mittelbar durch das Vorhandensein eines weiteren mit dem Gehäuse fest verbundenen scheibenförmigen Bauteils, das die Funktion der Gehäusefläche übernimmt oder unmittelbar direkt mit der Gehäusewand verbunden ist, einen Stirnspalt, der auf der Saugseite als saugseitiger Stirnspalt und auf der Druckseite als druckseitiger Stirnspalt bezeichnet wird. Die Profilabschnitte der Rotoren haben Wellenansätze, die sich axial vom Profilabschnitt der Rotoren durch Wellendurchführungen in Lagerräume erstrecken und in den Lagerräumen zumindest von Radiallagern umschlossen werden, um die als Folge des Verdichtungs- und Ausschubvorganges auf die Wellenansätze radial wirkende Kräfte aufzunehmen. In der Nachbarschaft der Radiallager sind im Lagerraum Axiallager angeordnet, die resultierende Axialkräfte aus Verdichtungs- und Ausschubvorgang und einem druckbeaufschlagten Axialkraftausgleichsmittel aufnehmen. Ein solches Axialkraftausgleichsmittel ist beispielsweise eine mit dem Wellenansatz fest verbundene rotierende Scheibe, als Ausgleichskolben bezeichnet, dessen Umfang mit dem Gehäuse mittelbar oder unmittelbar abdichtend, berührungsfrei oder berührend, ausgeführt ist und dessen Stirnseiten mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt werden, so dass eine Axialkraft erzeugt wird, die der axialen Gaskraft entgegen wirkt. Ausgleichskolben und Druckdifferenz in bekannten Verdichtern sind so bemessen, dass die axiale Gaskraft bei Volllastbetrieb größer ist als die des öldruckbeaufschlagten Ausgleichskolbens, so dass die axiale Gaskraft bei Volllastbetrieb nur teilkompensiert wird und damit die resultierende Axialkraft aus Verdichtungs- und Ausschubvorgang und öldruckbeaufschlagtem Ausgleichskolben in Richtung der axialen Gaskraft, also in Richtung der Saugseite des Verdichters, zeigt.
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Diese Teilkompensation der Gaskraft hat nachteilig zur Folge, dass der druckseitige Stirnspalt mit größer werdender Gaskraft auf die Rotoren insbesondere in Anwendungsfällen mit extrem großen Betriebsdrücken und damit verbundener zunehmender Lagerbelastung und zunehmender Lagerdeformation größer wird, wodurch die Leckage zwischen benachbarten Zahnlücken am druckseitigen Stirnspalt zunimmt. Das wirkt sich nachteilig auf die Effizienz des Verdichters aus. Außerdem verändern sich nach längeren Betriebszeiten durch abrasiven Verschleiß Abmessungen der Rollbahnen sowohl von Lagerinnen- und -außenring als auch der Durchmesser der Wälzkörper, wodurch ein axiales Lagerspiel entsteht. In der Folge lässt sich der Lagerinnenring gegenüber dem Lageraußenring axial verschieben, und der druckseitige Stirnspalt vergrößert sich mit zunehmender Laufzeit. Nachteilig nimmt dadurch die axiale Abdichtung am druckseitigen Stirnspalt ab, was bei Profilabschnitten der Rotoren mit einem Verhältnis L/D aus Rotorlänge und Rotoraußendurchmesser größer als Eins in Kauf genommen wird, bei sehr kurzen Profilabschnitten jedoch nicht mehr akzeptiert werden kann.
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Daher sind bekannte Verdichterkonstruktionen, bei der sich der druckseitige Stirnspalt während des Betriebes vergrößert, insbesondere dann von Nachteil, wenn die Profilabschnitte der Rotoren sehr kurz sind. Bei sehr kurzen Profilabschnitten der Rotoren mit einem sehr kleinen Verhältnis L/D aus Rotorlänge und Rotoraußendurchmesser ist besonderes Augenmerk auf die axiale Abdichtung zu legen. Belastungsabhängige und verschleißbedingte Stirnspaltzunahme und sind gravierende Nachteile dieser bekannten konstruktiven Gestaltung. Außerdem sinkt die Lebensdauer der Axiallager, wenn die resultierende Kraft aus Ausgleichskolbenkraft und durch Gaskräfte generierter Kraft mit zunehmendem Betriebsdruck auch zunimmt. In diesen bekannten Verdichtern sind die Axiallager der Rotoren auf den druckseitigen Wellenansätzen angeordnet, damit das Axiallager möglichst nahe am druckseitigen Stirnspalt angeordnet werden kann, um bei Temperaturdifferenzen zwischen Wellenanssatz und diesen Wellenabschnitt umfassenden Gehäuseabschnitt Wärmedehnungsunterschiede zwischen Gehäuse und Wellenansatz möglichst klein zu halten.
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Das Ziel der Erfindung besteht darin, diese Nachteile der bekannten technischen Lösungen zu beseitigen.
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Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass die Größe des druckseitigen Stirnspaltes mit größer werdender Betriebsdruckdifferenz kleiner wird und dass die Größe des druckseitigen Stirnspaltes mit zunehmendem verschleißbedingten Axiallagerspiel kleiner wird.
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In einem Schraubenverdichter gemäß der Erfindung sind die Axiallager und der Ausgleichskolben in der Nachbarschaft des Radiallagers auf dem saugseitigen Wellenansatz angeordnet, also auf der Seite des Profilabschnittes, auf der sich der saugseitige Stirnspalt befindet, und das Antriebswellenende ist Teil des druckseitigen Wellenzapfens und damit auf der Seite des Profilabschnittes, auf der sich der druckseitige Stirnspalt befindet.
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Bei scheibenförmigen Profilabschnitten der Rotoren mit kleiner axialer Erstreckung unterscheidet sich die Länge des Rotorabschnittes vom des Axiallagers zum saugseitigen oder zum druckseitigen Stirnspalt nur noch durch die kurze axiale Erstreckung des Profilabschnittes der Rotoren, so dass sich Wärmedehnungsunterschiede zwischen Gehäuse und für die Wärmedehnung relevantem Wellenabschnitt vom Axiallager zum druckseitigen oder zum saugseitigen Stirnspalt unwesentlich unterscheiden. Deshalb werden die Axiallager auf der Saugseite des Profilabschnitte angeordnet, was eine vorteilhafte Gestaltung in Bezug auf die Kompensation der Axialkraft erlaubt.
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Gemäß der Erfindung sind Ausgleichskolbenfläche und Druckdifferenz an den Stirnflächen des Ausgleichskolbens so bemessen, dass die Ausgleichlkolbenkraft während des Betriebes des Verdichters größer ist, als die durch den Arbeitszyklus Ansaugen, Verdichten, Ausschieben generierte axiale Gaskraft. Der Außendurchmesser des Ausgleichskolbens wird deshalb in einer Relation zum Hauptrotordurchmessers ausgeführt.
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Die am weitesten vom saugseitigen Stirnspalt entfernte Stirnfläche des Ausgleichskolbens wird durch den Außendurchmesser des Ausgleichskolbens dominiert und zumindest mit einem Druck beaufschlagt, der dem Verdichtungsenddruck nahe kommt. Auf die andere projizierte Stirnfläche des Ausgleichskolbens wirken zwei unterschiedliche Drücke. Zum einen ein Druck, der dem Saugdruck nahe kommt, auf eine Ringfläche, die durch den Außendurchmesser des Ausgleichkolbens und einen Abdichtdurchmesser an der Gleitringwellenabdichtung in der Nähe des Antriebswellenendes gebildet wird, und zum anderen ein Druck, der gleich dem Atmosphärendruck ist, auf die Fläche, die innerhalb des Abdichtdurchmessers an der Gleitringwellenabdichtung angeordnet ist.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung verkleinert sich die Größe des druckseitigen Stirnspaltes mit größer werdender Betriebsdruckdifferenz und die Größe des druckseitigen Stirnspaltes nimmt mit zunehmendem verschleißbedingten Axialspiel des Axiallagers ab.
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Hauptrotor und Nebenrotor stehen im Zahneingriff. Der Nebenrotor wird dabei vom Hauptrotor angetrieben. Daher hat der Nebenrotor kein Antriebswellenende. Wellenansätze, Stirnspalte und Lagerung sind aber in Analogie zum Hauptrotordesign ausgeführt. Axiallager und Ausgleichskolben sind in der Nachbarschaft des Radiallagers auf dem saugseitigen Wellenzapfen angeordnet, also auf der Seite des Profilabschnittes, auf der sich der saugseitige Stirnspalt befindet.
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Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörige Figur zeigt teils den Längsschnitt durch einen Schraubenverdichter mit einer erfindungsgemäßen Anordnung von Ausgleichskolben, Lagerung und Antriebswellenende.
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Der Verdichter hat ein Gehäuse 15, einen Hauptrotor 2 und einen nicht dargestellten Nebenrotor. Der Hauptrotor 2 hat einen Profilabschnitt 23, einen druckseitigen Wellenansatz 24 und einen saugseitigen Wellenansatz 18, die sich jeweils in einen druckseitigen Lagerinnenraum 26 und in einen saugseitigen Lagerinnenraum 27 erstrecken. Im Schraubenverdichter gemäß der Erfindung sind die Axiallager 5, 6 und der Ausgleichskolben 7 in der Nachbarschaft des Radiallagers 3 auf dem saugseitigen Wellenansatz 18 angeordnet, also auf der Seite des Profilabschnittes 23, auf der sich der saugseitige Stirnspalt 13 befindet, und das Antriebswellenende 1 ist Teil des druckseitigen Wellenansatzes 24 und damit auf der Seite des Profilabschnittes 23, auf der sich der druckseitige Stirnspalt 14 befindet. Das Gehäuse 15 besitzt unter anderem das Einlassfenster 11 und einen fest mit dem Gehäuse 15 verbundenen Gehäuseeinsatz 22, in dem das Auslassfenster 12 angeordnet ist. Die Stirnwand des Gehäuseeinsatzes 22 bildet mit dem stirnseitigen Profilabschnitt des Hauptrotors 2 den druckseitigen Stirnspalt 14. Die Wand des Gehäuses 15 bildet mit dem stirnseitigen Profilabschnitt des Hauptrotors 2 auch den saugseitigen Stirnspalt 13. Der druckseitige Wellenansatz 24 erstreckt sich berührungsfrei dichtend durch den Gehäuseeinsatz 22, in welchem eine Dichtbuchse 25 angeordnet ist, trägt den Innenring des druckseitigen Radiallagers 4, wird von der Gleitringdichtung 17 umfasst, die am Durchmesser 28 eine Abdichtung hin zur Atmosphäre beinhaltet. Der saugseitige Wellenansatz 18 erstreckt sich berührungsfrei dichtend durch das Gehäuse 15, in welchem die Dichtbuchse 25 angeordnet ist, in den saugseitigen Lagerinnenraum 27, trägt den Lagerinnenring des saugseitigen Radiallagers 3, den inneren Distanzring 20, dessen axiale Erstreckung die Größe des druckseitigen Stirnspaltes 14 festlegt, und trägt sowohl die Innenringe der drei Axiallager 5 und 6 als auch den Ausgleichskolben 7. Ausgleichskolben 7 und Axiallager 5, 6 sind auf der Saugseite des Profilabschnittes 23 angeordnet. Die Anordnung des Ausgleichskolbens 7 und der Axiallager 5, 6 auf der Saugseite des Rotorprofils erlaubt eine Überkompensation der in axialer Richtung wirkenden Gaskraftkomponente. Die eine Stirnseite des Ausgleichskolbens 7 zeigt zum Hydraulikraum 16, der durch den Deckel 8, der zum Gehäuseabschnitt 10 dichtend verschlossen ist, und über die Bohrung 9 mit Drucköl versorgt wird. Das Drucköl steht nahezu unter Verdichtungsenddruck und wirkt in Richtung Druckseite des Profilabschnittes 23, also in der Figur von links nach rechts. Der Außenzylinder des Ausgleichskolbens 7 bildet mit der Bohrung in der Ausgleichskolbenbuchse 21, die fest im Gehäuseabschnitt 10 angeordnet ist, eine berührungslose Dichtung mit einem Spalt, wodurch ein Ölleckstrom durch den Spalt strömt, der in geschlossene Zahnlückenräume des Profilabschnittes 23 geführt wird, in denen noch keine Verdichtung stattfindet, deren Strömungsverbindung zum Einlassfenster 11 jedoch infolge der Rotordrehung abgeschlossen ist.
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Daher liegt der Druck hinter dem Ausgleichskolben 7 im saugseitigen Lagerinnenraum 27 in der Nähe des Saugdruckes. Da auch das Funktionsöl aus dem druckseitigen Lagerinnenraumes 26 auf gleiche Weise in geschlossene Zahnlücken abgeleitet wird, liegt auch der Druck im druckseitigen Lagerinnenraum 26 in der Nähe des Saugdruckes, so dass die projizierte Ringfläche, die zwischen dem Außendurchmesser des Ausgleichskolbens 7 und dem Durchmesser 28 an der Gleitringwellendichtung angeordnet ist, durch den Druck in der Nähe des Saugdruckes beaufschlagt wird.
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Damit wirkt in einem Teilbereich der Stirnfläche des Ausgleichskolbens 7 die größtmögliche Druckdifferenz zwischen Verdichtungsenddruck und Atmosphärendruck und in einem anderen Teilbereich der Stirnfläche des Ausgleichskolbens 7 die Druckdifferenz zwischen Verdichtungsenddruck und Saugdruck auf den Ausgleichskolben.
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Der Außendurchmesser des Ausgleichskolbens 7 ist so groß dimensioniert, dass die Kraft des Ausgleichskolbens 7 unter allen Betriebsbedingungen größer ist die der Gaskraft.
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Vorteilhaft ist die Ausgleichskolbenkraft 20% größer als die Gaskraft.
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Der Außendurchmesser des Ausgleichskolbens 7 hat ca. 60% der Größe des Hauptrotordurchmessers.
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Die erfindungsgemäße Anordnung führt zur Überkompensation der in axialer Richtung wirkenden Gaskraftkomponente und damit zu einer resultierenden Axialkraft aus Gas- und Ausgleichskraft, die in Richtung Druckseite wirkt. Damit wird der druckseitige Stirnspalt mit zunehmender Belastung kleiner. Durch die erfindungsgemäße Anordnung verkleinert sich die Größe des druckseitigen Stirnspaltes mit größer werdender Betriebsdruckdifferenz und die Größe des druckseitigen Stirnspaltes nimmt mit zunehmendem verschleißbedingten Axialspiel des Axiallagers ab.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebswellenende
- 2
- Hauptrotor
- 3
- Saugseitiges Radiallager
- 4
- Radiallager
- 5
- Axiallager
- 6
- Axiallager
- 7
- Ausgleichskolben
- 8
- Deckel
- 9
- Bohrung
- 10
- Gehäuseabschnitt
- 11
- Einlassfenster
- 12
- Auslassfenster
- 13
- Saugseitigenr Stirnspalt
- 14
- druckseitiger Stirnspalt
- 15
- Gehäuse
- 16
- Hydraulikraum
- 17
- Gleitringdichtung
- 18
- saugseitiger Wellenansatz
- 19
- äußerer Distanzring
- 20
- innerer Distanzring
- 21
- Ausgleichskolbenbuchse
- 22
- Gehäuseeinsatz
- 23
- Profilabschnitt
- 24
- druckseitiger Wellenansatz
- 25
- Dichtbuchse
- 26
- druckseitiger Lagerinnenraum
- 27
- saugseitiger Lagerinnenraum
- 28
- Durchmesser
