DE102010064388A1

DE102010064388A1 - Spindel-Kompressor

Info

Publication number: DE102010064388A1
Application number: DE102010064388A
Authority: DE
Inventors: Ralf Steffens
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-02-18
Filing date: 2010-12-30
Publication date: 2011-08-18

Abstract

Die trockenverdichtende 2-Wellen-Rotations-Verdrängermaschine zur Förderung und Verdichtung von gasförmigen Fördermedien weist eine Rotorinnenkühlung (19) für das berührungslos und gegensinnig drehende Schraubenspindelrotorpaar (1) in einem Arbeitsraumgehäuse (10), einen Einlass (18) und einen Auslass-Sammelraum (17) für das Fördermedium auf. Jeder Schraubenspindelrotorkörper besteht aus einem Spindelrotor-Verdrängerteil (1) und einem Einlass-seitigen Spindelrotor-Trägerteil (2) sowie einem Getriebe-seitigen Spindelrotor-Trägerteil (3). Das Spindelrotor-Verdrängerteil (1) ist aus einer Leichtmetall-Werkstoff mit geringem spezifischen Gewicht und sehr guter Wärmeleitfähigkeit hergestellt. Beide Trägerteile (2 und 3) sind dagegen aus einem tragfähigeren Material gefertigt.

Description

Stand der Technik:
Trockenverdichtende Kompressoren gewinnen in der industriellen Verdichtertechnik verstärkt an Bedeutung, denn durch zunehmende Verpflichtungen bei Umweltschutzvorschriften und steigende Betriebs- und Entsorgungskosten sowie erhöhte Ansprüche an die Reinheit des Fördermediums werden die bekannten nasslaufenden Verdichter, wie Flüssigkeitsringmaschinen, Drehschieberpumpen und Öl- oder Wasser-eingespritzte Schraubenkompressoren, immer häufiger durch trockenverdichtende Maschinen ersetzt. Zu diesen Maschinen gehören trockene Schraubenverdichter, Kluenpumpen, Membranpumpen, Kolbenpumpen, Scroll-Maschinen sowie Wälzkolbenpumpen. Diesen Maschinen ist jedoch gemeinsam, dass sie die heutigen Ansprüche hinsichtlich Zuverlässigkeit und Robustheit sowie Baugröße und Gewicht bei gleichzeitig niedrigem Preisniveau und befriedigendem Verdichter-Wirkungsgrad immer noch nicht erreichen.
Zur Verbesserung dieser Situation bieten sich die bekannten trockenverdichtenden Schraubenspindelpumpen an, weil sie als typische 2-Wellenverdrängermaschinen ein hohes Kompressionsvermögen einfach dadurch realisieren, dass sie die notwendige Mehrstufigkeit als sogen. ”Fördergewinde” durch Hintereinanderschaltung mehrerer abgeschlossener Arbeitskammern über die Anzahl der Umschlingungen je Verdrängerrotor äußerst unkompliziert erreichen. Zudem wird durch die berührungslose Abwälzung der beiden gegensinnig drehenden Schraubenspindelrotore eine erhöhte Rotordrehzahl ermöglicht, so dass bezogen auf die Baugröße gleichzeitig Nennsaugvermögen sowie Liefergrad ansteigen.
In der PCT-Schrift WO 00/12899 wird für eine trockenverdichtende Schraubenspindelpumpe eine einfache Rotorkühlung beschrieben, indem in eine konisch Rotorbohrung bei jedem Rotor ein Kühlmittel, vorzugsweise Öl, eingebracht wird, um einen Teil der während des Verdichtungsvorgangs entstehenden Kompressionswärme permanent abzuführen. In dem Schutzrecht PCT/EP2008/068364 wird in Fortsetzung dieses Ansatzes das Kühlmittel mit einer internen (Öl-)Pumpe des weiteren noch zur Kühlung des Pumpengehäuses verwendet, um in einem Kühlmittel-Kreislauf dann über einen separaten Wärmetauscher die aufgenommenen Wärmemengen aus der Verdichtung des Fördermediums sowie der Verlustleistungen derart abzuführen, dass die Abstands-Spielwerte zwischen dem Rotorpaar und dem umgebenden Pumpengehäuse für alle Betriebszustände erhalten bleiben.
Außerdem wird in dem Schutzrecht DE 10 2000 902 9047.8 eine günstige Ausführung als Spindel-Kompressor beschrieben.
Für höhere Anforderungen hinsichtlich eines geringeren Gesamtgewichtes bei gleichzeitig höherem Wirkungsgrad durch eine verbesserte Wärmebilanz eines derartigen trockenverdichtenden Spindel-Kompressors fehlt jedoch noch eine vorteilhafte Lösung.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei trockenverdichtenden 2-Wellen-Rotations-Verdrängermaschinen zur Förderung und Verdichtung gasförmiger Fördermedien das Gesamtgewicht der Kompressormaschine deutlich zu vermindern und zugleich den Kompressorwirkungsgrad durch eine verbesserte Wärmeabführung während der Verdichtung signifikant zu erhöhen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass bei einer trockenverdichtenden Schraubenspindelmaschine mit einer Rotorinnenkühlung für das Spindelrotorpaar jeder Spindelrotorkörper aus mindestens 3 Kernbauteilen zusammengesetzt ist, bestehend aus einem Verdrängerteil und zwei Trägerteilen, wobei der Verdrängerteil mit dem äußeren Fördergewinde aus einer Leichtmetall-Legierung (vorzugsweise Aluminium) mit geringem spezifischen Gewicht sowie sehr guter Wärmeleitfähigkeit gefertigt ist, und auf jeder Seite von einem Lagerträger aus tragfähigem Material (vorzugsweise Stahl) gehalten wird, und über federnde Ausgleichsscheiben stets spielfrei an einem definierten Anschlag in axialer Richtung exakt positioniert wird, wobei jeder Lagerträger mit steifer und selbständig stabiler Lagerung biegesteif sicher gehalten wird, und dass zwischen den Lagerträgern ein zentrales Zuführrohr die Einbringung des Kühlmittels für die Rotorinnenkühlung übernimmt.
In der nachfolgenden Fig.-Darstellung wird die vorliegende Erfindung ausführlich erklärt.
1 zeigt beispielhaft die Ausführung der vorliegenden Erfindung in einem Längsschnitt durch den Kompressor. Dabei wird das Spindelrotor-Verdrängerteil (1) erfindungsgemäß auf der einen Seite von dem Einlass-seitigen Spindelrotor-Trägerteil (2) und auf der anderen Seite von dem Getriebe-seitigen Spindelrotor-Trägerteil (3) gehalten. Während das Spindelrotor-Verdrängerteil (1) aus einer Leichtmetall-Legierung besteht, werden beide Spindelrotor-Trägerteile (2 und 3) aus einem stärkerem Material, vorzugsweise ein Stahl-Werkstoff, hergestellt. Zudem wird erfindungsgemäß jedes Spindelrotor-Trägerteil (2 und 3) in einer besonders steifen und stabilen Lagerung sicher und beständig gehalten. In der 1 ist dies für das Einlass-seitige Spindelrotor-Trägerteil (2) dargestellt mit der Einlass-seitigen Spindelrotor-Lagerung (5), die beispielsweise als Schrägkugellagerpaar in der bekannten O-Anordnung eine hohe Steifigkeit mit stabiler und sicherer Bauteil-Führung gewährleistet, ebenso wie bei dem Getriebe-seitigen Spindelrotor-Trägerteil (3) mit seiner Getriebe-seitigen Spindelrotor-Lagerung (6), die beispielsweise ebenfalls durch die Lagerpaarung in O-Anordnung sehr steif und stabil trägt, was jeweils durch die Lager-Tragrichtungslinien dargestellt ist.
Das Spindelrotor-Verdrängerteil (1) wird in axialer Richtung auf der einen Seite über eine Haltenase mit Axialspiel (15.1) und auf der anderen Seite über eine Haltenase mit einem definierten Axial-Anschlag (15.2) gehalten. In radialer Richtung wird das Spindelrotor-Verdrängerteil (1) über Führungen mit Abdichtung auf jedem Spindelrotor-Trägerteil (2 und 3) gehalten. Die Ausgestaltung der inneren Kühlkonus-Oberfläche (19) kann wegen der guten Zugänglichkeit zur besseren Wärmeübertragung folgerichtig vergrößert werden und beispielsweise als Innengewinde gezielt unter die Verzahnungsköpfen geführt werden, wie es auch an dem geschnitten dargestellten Spindelrotor gezeigt ist. Natürlich kann auch eine einfache Kühlkonusoberfläche gewählt werden, wie am unteren Spindelrotor gezeigt. Über Kühlmittel-Rückführungen (20) durch das Getriebe-seitige Spindelrotor-Trägerteil (3) tritt das Kühlmittel (vorzugsweise Öl) wieder aus dem Spindelrotor heraus und gelangt in den Getrieberaum. Das Getriebe-seitige Spindelrotor-Trägerteil (3) ist fest verbunden sowohl mit dem rotorfesten Stirnzahnrad (9) als auch über Mitnahmestifte (13) formschlüssig mit dem Spindelrotor-Verdrängerteil (1).
Jeder Spindelrotor ist als vollständige Rotationseinheit separat vormontierbar und kann endgültig und abschließend komplett final gewuchtet werden.
In 2 ist die Einlass-seitige Spindelrotor-Lagerung (5) als Loslagerung ausgeführt. Dann übernimmt das zentrale Kühlmittel-Zuführrohr (4) den Zusammenhalt zwischen den beiden Lagerträgerteilen (2 und 3). Insbesondere thermische Dehnungsunterschiede bei den unterschiedlichen Materialen aber auch Fertigungstoleranzen werden dabei durch axiale Ausgleichsscheiben (8) kompensiert.
Die technischen Zeichnungen sind für jeden Fachmann einwandfrei aussagekräftig.
Vorzugsweise erfolgt in den Führungen 16 in radialer Richtung ein ständiger Spielausgleich durch elastisch-federnde Elemente (beispielsweise per elastischem Dichtring). Vorzugsweise wird jeder Spindelrotor als vollständige Rotationseinheit separat vormontiert sowie endgültig und abschließend gänzlich final gewuchtet.
Die Erfindung bezieht sich auf trockenverdichtende 2-wellige Rotations-Verdrängermaschinen als Schraubenspindelpumpen zur Förderung und Verdichtung von Gasen, wobei die Spindelrotore 1 über eine bereits bekannte Rotor-Innenkühlung 19 verfügen. Um das Gesamtgewicht zu reduzieren und den Verdichterwirkungsgrad zu verbessern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass jeder Schraubenspindel-Rotationskörper aus einem Spindelrotor-Verdrängerteil 1 und einem Einlass-seitigen Spindelrotor-Trägerteil 2 sowie einem Getriebe-seitigen Spindelrotor-Trägerteil 3 besteht, wobei das Verdrängerteil 1 aus einer Leichtmetall-Werkstoff vorzugsweise mit Aluminium mit geringem spezifischen Gewicht und sehr guter Wärmeleitfähigkeit hergestellt wird, während beide Trägerteile 2 und 3 aus einem tragfähigeren Material vorzugsweise ein Stahl-Werkstoff gefertigt sind, wobei jedes Trägerteil 2 und 3 mit einer eigenen stabilen Lagerung 5 und 6 selbständig dauerhaft kippsicher und biegesteifgehalten wird. Ein zentrales Kühlmittel-Zuführrohr 4 zwischen den Trägerteilen 2 und 3 übernimmt die Einbringung des Kühlmittels für die Rotor-Innenkühlung 19, deren Konusoberfläche wegen der guten Bearbeitbarkeit ideal zum Wärmetransfer ausführbar ist. Federnde Ausgleichsscheiben 8 positionieren exakt das Verdrängerteil 1 stets spielfrei an dem definierten Anschlag 15.2 in axialer Richtung. Die Mitnahmestifte 13 sichern die winkeltreue Drehmoment-Übertragung vom rotorfesten Stirnzahnrad 9 auf das Spindelrotor-Verdrängerteil 1. Vorzugsweise werden beide Trägerteile 2 und 3 aus einem zumindest 10% tragfähigeren Material gefertigt.
Bezugszeichenliste

1: Spindelrotor-Verdrängerteil mit äußerem Fördergewinde bestehend aus einer Leichtmetall-Legierung, vorzugsweise mit Aluminium
2: Einlass-seitiges Spindelrotor-Trägerteil (aus einem Stahl-Werkstoff)
3: Getriebe-seitiges Spindelrotor-Trägerteil (aus einem Stahl-Werkstoff)
4: zentrales Kühlmittel-Zuführrohr
5: Einlass-seitige Spindelrotor-Lagerung
6: Getriebe-seitige Spindelrotor-Lagerung
7: zentrale Befestigungsschraube
8: federnde Ausgleichsscheiben
9: rotorfestes Stirnzahnrad
10: Arbeitsraum-Gehäuse (kann mehrteilig ausgeführt sein) bestehend aus einer Leichtmetall-Legierung, vorzugsweise mit Aluminium
11: Kühlmittel-Kühlung für das Arbeitsraum-Gehäuse
12: äußerer Kühlmantel für die Kühlung am Arbeitsraum-Gehäuse
13: Mitnahmestift
14: Getriebe-Gehäuse (kann mehrteilig ausgeführt sein), bestehend aus einer Leichtmetall-Legierung, vorzugsweise mit Aluminium
15: Haltenase zwischen Spindelrotor-Verdrängerteil und Spindelrotor-Trägerteil
15.1: Haltenase” mit Dehnungsspiel in axialer Richtung
15.2: ”Haltenase” mit definiertem Anschlag in axialer Richtung
16: Führung mit Abdichtung zwischen Spindelrotor-Verdrängerteil und -Trägerteil
17: Auslass-Sammelraum für das Fördermedium
18: Einlass für das Fördermedium in den Verdichter-Arbeitsraum
19: Innenkühlung für jeden Schraubenspindelrotor, vorzugsweise gemäß WO 00/12899
20: Kühlmittel-Rückführung durch das Getriebe-seitige Spindelrotor-Trägerteil
21: zusätzliche Platzoption für eine Ausgleichsfeder
22: Fixierung am Lageraußenring

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 00/12899 [0003, 0015]
EP 2008/068364 [0003]
DE 1020009029047 [0004]

Claims

Trockenverdichtende 2-Wellen-Rotations-Verdrängermaschine zur Förderung und Verdichtung von gasförmigen Fördermedien mit einer Rotorinnenkühlung (19) für das berührungslos und gegensinnig drehende Schraubenspindelrotorpaar (1) in einem Arbeitsraumgehäuse (10) sowie mit einem Einlass (18) und einem Auslass-Sammelraum (17) für das Fördermedium, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Schraubenspindelrotorkörper ein Spindelrotor-Verdrängerteil (1), ein Einlass-seitiges Spindelrotor-Trägerteil (2) sowie ein Getriebe-seitiges Spindelrotor-Trägerteil (3) aufweist, dass das Spindelrotor-Verdrängerteil (1) aus einer Leichtmetall-Werkstoff mit geringem spezifischen Gewicht und sehr guter Wärmeleitfähigkeit hergestellt ist, und dass beide Trägerteile (2 und 3) aus einem im Vergleich zu dem Leichtmetall-Werkstoff tragfähigeren Material gefertigt werden.
Schraubenspindelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff für das Spindelrotor-Verdrängerteil (1) eine Aluminium-Legierung ist und/oder dass die Spindelrotor-Trägerteile (2 und 3) aus einem Stahl-Werkstoff gefertigt sind.
Schraubenspindelpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindelrotor-Trägerteile (2 und 3) jeweils in eigener stabiler Lagerung (5 und 6) selbständig dauerhaft kippsicher gehalten werden.
Schraubenspindelpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Lagerung (5 und 6) der Spindelrotor-Trägerteile (2 und 3) für sich selbst durch gegenseitig angestellte Wälzlager eine hohe Biegesteifigkeit aufweist.
Schraubenspindelpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Trägerteilen (2 und 3) ein zentrales Kühlmittel-Zuführrohr (4) die Einbringung des Kühlmittels für die Rotorinnenkühlung (19) übernimmt.
Schraubenspindelpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spindelrotor-Verdrängerteil (1) über Führungen (16) auf den Spindelrotor-Trägerteilen (2 und 3) gehalten wird, insbesondere dass zwischen Spindelrotor-Verdrängerteil (1) und Spindelrotor-Trägerteilen (2 und 3) bei den Führungen Abdichtungen (16) vorgesehen sind.
Schraubenspindelpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Haltenasen (15) die Verbindung zwischen Spindelrotor-Verdrängerteil (1) und Spindelrotor-Trägerteilen (2 und 3) sichern, insbesondere (a) dass bei den Haltenasen (15) der Neigungswinkel am überstehenden Trägerteile-Ring der jeweiligen Materialwahl sowie den herrschenden Temperaturen angepasst wird und von waagerecht bis senkrecht reichen kann, und/oder (b) dass bei einer Haltenase (15.1) ein Dehnungsspiel in axialer Richtung vorhanden ist und auf der anderen Seite ein definierter Anschlag (15.2) in axialer Richtung zur exakten Positionierung der berührungslosen Spindelrotorpaarabwälzung besteht, und/oder (c) dass im Dehnungsspiel bei der Haltenase (15.1) eine federnde Ausgleichsscheibe (8) sitzt.
Schraubenspindelpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spindelrotor-Verdrängerteil (1) fest mit dem Getriebe-seitigen Spindelrotor-Trägerteil (3) verbunden ist.
Schraubenspindelpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das rotorfeste Stirnzahnrad (9) über das Getriebe-seitige Spindelrotor-Trägerteil (3) formschlüssig mittels mindestens eines Mitnahmestiftes (13) drehfest mit dem Spindelrotor-Verdrängerteil (1) verbunden ist.
Schraubenspindelpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das (mehrteilige) Arbeitsraum-Gehäuse (10) ebenso wie das Verdrängerteil (1) aus einer Leichtmetall-Legierung besteht und/oder dass auch das (mehrteilige) Getriebegehäuse (14) aus einer Leichtmetall-Legierung besteht.