DE102013009040A1 - Spindle compressor with high internal compression - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf trockenverdichtende 2-Wellen-Rotations-Verdrängermaschinen zur Förderung und Verdichtung von Gasen für Anwendungen im Vakuum und im Überdruck. Um Wirkungsgrad und Kompressionsvermögen für höhere Druckverhältnisse zu verbessern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das gegensinnig von einer äußeren Synchronisation drehwinkeltreu angetriebene Rotorpaar bestehend aus 2-zähnigem (2) und 3-zähnigem Spindelrotor einen nicht-parallelen, also auseinanderstrebenden Achsabstand derart aufweist, dass der Einlass-seitige Wert a.0 (1.a) größer ist als Auslass-seitig a.L (1.b), bei einem Achskreuzungswinkel γΣ (11) und Konstruktions-abhängig mit einer Achsversetzung aV (12) bei vielfacher Umschlingung und geringen Steigungsunterschieden sowie Einlass-seitig beim 2-zähnigen Spindelrotor (2) mit einer Abflachung (21) am äußeren Kopfkreis sowie Einlass-stirnseitig mit einer Referenzfläche (22.a, 22b), wobei jeder Spindelrotor eine Rotorinnen-Fluidkühlung (8, 9) besitzt mit Kühlfluid-Zuführung (13) an den Einlass-seitigen Trägerwellenenden, wobei die Kühlfluid-Strömungsrichtung (14) im Rotorkonus entgegengesetzt ist zur Strömungsrichtung des Fördermediums (15) und Einlass-seitig per Staurohr (29) aus einer Auffangrinne (28) über Kühlfluid-Abführungen (31) wieder in den Ölvorratsraum gelangt.The invention relates to dry-compressing 2-shaft rotary displacement machines for conveying and compressing gases for applications in vacuum and overpressure. In order to improve efficiency and compression capacity for higher pressure ratios, it is proposed according to the invention that the pair of rotors driven in opposite directions by an external synchronization consisting of 2-tooth (2) and 3-tooth spindle rotors has a non-parallel, that is to say diverging, center distance such that the The inlet-side value a.0 (1.a) is greater than the outlet-side aL (1.b), with an axis crossing angle γΣ (11) and depending on the construction with an axis offset aV (12) with multiple wrapping and small pitch differences as well On the inlet side of the 2-tooth spindle rotor (2) with a flattened portion (21) on the outer tip circle and on the inlet end with a reference surface (22.a, 22b), each spindle rotor having an internal fluid cooling system (8, 9) with cooling fluid Feed (13) at the inlet-side carrier shaft ends, the cooling fluid flow direction (14) being opposite in the rotor cone t to the direction of flow of the pumped medium (15) and on the inlet side via a pitot tube (29) from a collecting channel (28) via cooling fluid outlets (31) to the oil reservoir again.
Description
Stand der Technik:State of the art:
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 Wassereingespritzte Schraubenkompressoren, immer häufiger durch trockenverdichtende Maschinen ersetzt. Zu diesen Maschinen gehören trockene Schraubenverdichter, Klauenpumpen, 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 Wirkungsgrad immer noch nicht erreichen.Drying compressors are gaining in importance in industrial compressor technology, because of increasing obligations in environmental regulations and rising operating and disposal costs and increased demands on the purity of the medium, the known wet-running compressor, such as liquid ring machines, rotary vane pumps and oil or water-injected screw compressors, more and more replaced by dry compacting machines. These machines include dry screw compressors, claw pumps, diaphragm pumps, piston pumps, scroll machines and Roots pumps. However, these machines have in common that they still do not meet today's demands in terms of reliability and robustness and size and weight with low price level and satisfactory efficiency.
Zur Verbesserung dieser Situation bieten sich die bekannten trockenverdichtenden Spindelkompressoren an, weil sie als typische 2-Wellenverdrängermaschinen ein hohes Kompressionsvermögen einfach dadurch realisieren, dass sie die nötige Mehrstufigkeit als sogen. ”Fördergewinde” durch Hintereinanderschaltung mehrerer abgeschlossener Arbeitskammern über die Anzahl der Umschlingungen je Verdrängerrotor äußerst unkompliziert erreichen, ohne jedoch ein Betriebsfluid im Arbeitsraum zu benötigen. Außerdem wird durch die berührungslose Abwälzung der beiden gegensinnig drehenden Spindelrotore eine erhöhte Rotordrehzahl ermöglicht, so dass bezogen auf die Baugröße gleichzeitig Nennsaugvermögen sowie Liefergrad ansteigen. Dabei können trockenverdichtende Spindelmaschinen sowohl für Anwendungen im Vakuum als auch für Überdruck eingesetzt werden, wobei der Leistungsbedarf im Überdruck naturgemäß signifikant höher ist, weil im Überdruck-Bereich mit Enddrücken deutlich über 2 bar (absolut) bis auf 15 bar und noch höher deutlich größere Druckdifferenzen zu überwinden sind.To improve this situation, offer the known dry-compressing spindle compressors because they realize a typical high performance as a typical 2-wave displacement machines simply by the fact that they have the necessary multistage as so-called. "Conveyor thread" by connecting several closed working chambers on the number of wraps per displacement rotor reach extremely uncomplicated, but without requiring a working fluid in the workspace. In addition, an increased rotor speed is made possible by the non-contact rolling of the two oppositely rotating spindle rotors, so that based on the size of the same nominal suction and delivery rate increase. Here, dry-compacting spindle machines can be used both for applications in vacuum and for overpressure, the power requirement in the overpressure is naturally significantly higher, because in the overpressure range with final pressures well above 2 bar (absolute) up to 15 bar and even higher significantly greater pressure differences to be overcome.
In der PCT-Schrift
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, für trockenverdichtende 2-Wellen-Rotations-Verdrängermaschinen zur Förderung und Verdichtung gasförmiger Fördermedien für Anwendungen im Vakuum und im Überdruck mit Druckverhältnissen zwischen Einlass- und Auslass-Druck größer als 3 den Wirkungsgrad und das Kompressionsvermögen signifikant zu verbessern bei zugleich vereinfachter Spindelrotor-Fertigung.The object of the present invention is to significantly improve the efficiency and the compressibility for dry compressing 2-shaft rotary displacement machines for conveying and compressing gaseous media for applications in vacuum and in overpressure with pressure ratios between inlet and outlet pressure greater than 3 at the same time simplified spindle rotor production.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass für Vakuum- und für Überdruck-Einsatzfälle bei einem trockenverdichtenden Spindelkompressor als 2-Wellenverdrängermaschine das gegensinnig von einer äußeren, also außerhalb vom Verdichter-Arbeitsraum gelegenen, Synchronisation drehwinkeltreu angetriebene Rotorpaar bestehend aus einem 2-zähnigen Spindelrotor und einem verzahnungsmäßig eingreifenden 3-zähnigen Spindelrotor einen nicht-parallelen, also auseinanderstrebenden Achsabstand derart aufweist, dass auf der Fördergas-Einlass-Seite der Achsabstand zwischen beiden Spindelrotoren mindestens 20%, besser 50% und für höhere Druckverhältnisse sogar mehr als doppelt so groß ist wie der Auslass-seitige Achsabstand, wobei die beiden Rotorachsen schneidend mit einem Achskreuzungswinkel γΣ ausgeführt werden, der ungleich Null ist und zwischen 2 und 40 Winkelgrad liegt, und dann keine Achsversetzung aV aufweist, wenn bei der konstruktiven Umsetzung der verfügbare Platz für die druckseitige Lagerung ausreicht, wohingegen zur Verbesserung der konstruktiven Platzverhältnisse die beiden Rotorachsen kreuzend (auch als ”windschief” bezeichnet) mit einem Achskreuzungswinkel γΣ ungleich Null von 2 bis 40 Winkelgrad und mit einer Achsversetzung aV ausgeführt werden, die größer ist als 30 mm und innerhalb von ±20% von der Gesamtrotorlänge zum stirnseitigen Rotorauslass positioniert wird, vorzugsweise jedoch mit den Stirnschnittebenen beider Rotor-Auslass-Stirnseiten zusammenfällt, außerdem bei einem Umschlingungswinkel bezogen auf den 2-zähnigen Spindelrotor von mindestens 2500 Winkelgrad, vorzugsweise jedoch über 3600 Winkelgrad, günstigerweise noch mehr als 4500 Winkelgrad oder noch besser über 5400 Winkelgrad und für besonders hohe Druckdifferenzen sogar über 6300 Winkelgrad, denn je höher das Kompressionsvermögen sein soll, desto größer ist der Umschlingungswinkel zu wählen, wobei am Spindelrotorpaar die Einlass-seitige Steigung um weniger als 20%, für einige Einsatzfälle noch 60% aber höchstens 120% größer ist als die Auslass-seitige Steigung, wobei Einlassseitig am 2-zähnigen Spindelrotor zur Verbesserung des Ansaugvermögens eine Abflachung am äußeren Kopfkreis-Durchmesser über eine Länge L.2zyl, die mindestens der gemittelten Start-Profilsteigungs-Länge entspricht, derart erfolgt, dass der Einlass-seitige Kopfkegel-Neigungswinkel γ2K.0 vorzugsweise Null (also zylindrisch) ist, aber auf jeden Fall kleiner als der Kopfkegel-Neigungswinkel γ2K.L ist, der für mindestens 66% der Rotorprofillänge L2z die Reduzierung der Rotoraußen-Durchmesser in Richtung zur Auslass-Seite definiert, wobei zudem jeder Spindelrotor eine Innenkühlung besitzt mit dem Merkmal, dass die Strömungsrichtung des Fördermediums entgegengesetzt ist zur Kühlkonus-Strömungsrichtung des Kühlfluids, welches im Rotor-Einlass-Bereich in die jeweilige Trägerwelle zugeführt wird und bei jedem auf seiner eigenen Trägerwelle drehfest sitzenden Spindelrotor durch die Zentrifugal-Bewegung der Spindelrotordrehung zur Einlass-Seite getrieben wird und dort vorzugsweise per Staurohr aus einer Auffangrinne kontinuierlich abgezapft wird, wobei ein besonders hoher Kühlfluid-Mengenstrom derart eingestellt wird, dass die Temperatur-Erhöhung im Kühlfluid durch die Wärmeabführung aus jedem Spindelrotor während der Verdichtung des Fördermediums kleiner ist als 6 Grad, besser noch unter 4 Grad und idealerweise sogar unter 3 Grad gehalten wird, und außerdem noch der Kühlkonus-Winkel im kleineren Durchmesser-Bereich um mindestens 10%, besser noch 25% oder idealerweise mehr als 50% steiler ausgeführt wird als im nachfolgend vom Kühlfluid durchströmten Kühlkonus-Bereich, wobei über die Spindelrotorpaar-Geometrie-Werte die thermodynamische Auslegung derart erfolgt, dass der spezifische Wärmetauscher-Kennwert (denn letztendlich ist der vorliegende Spindelkompressor sowohl Verdichter als auch zugleich Wärmetauscher) eine Wärmetransfer-Flächen-Belastung als Kompressor-Leistung je Arbeitsraum-Oberflächen-Größe (also die vom Fördermedium im Arbeitsraum berührten Verdichter-Arbeitsoberflächen, nämlich Rotorpaar-Fördergewinde und umhüllende Gehäuse-Innenflächen) von weniger als 50 kW je m2 und für größere Maschinen (also über 55 kW) noch unter 30 kW je m2 und bei höheren Wirkungsgrad-Anforderungen sogar weniger als 20 kW je m2 aufweist, wobei zudem die Ausgestaltung der Fördergewinde-Profilflanken an beiden Spindelrotoren derart erfolgt, dass in jeder Stirnschnittebene innerhalb der Rotorprofil-Gewindelänge L.3z am 3-zähnigen Spindelrotor ein Kopfkreis-Radius r.3KK mit den jeweiligen Kopfendpunkten E.3a, E.3b, E.3c, E.3d, E.3e und E.3f derart gewählt wird, dass für mindestens 80% der Rotorprofil-Gesamtlänge L.3z folgende Bedingung erfüllt ist: 0,42·ā(z) ≤ r.3KK(z) ≤ 0,72·ā(z)
mit ā(z) als jeweiliger Achsabstand zur entsprechenden Paarung der Stirnschnitt-Ebenen beider Rotore, und dass ebenso in jeder Stirnschnittebene innerhalb der Rotorprofil-Gewindelänge L.2z am 2-zähnigen Spindelrotor ein Kopfkreis-Radius r.2KK mit den jeweiligen Kopfendpunkten E.2a, E.2b, E.2c und E.2d derart gewählt wird, dass für mindestens 80% der Rotorprofil-Gesamtlänge L.2z folgende Bedingung erfüllt ist: 0,25·ā(z) ≤ r.2KK(z) ≤ 0,52·ā(z) und zugleich mit der zusätzlichen Bedingung: (r.3KK(z) + r.2KK(z)) > 1,05·ā(z) als ineinandergreifende Rotorpaarung, wobei ferner bei der Einlass-seitigen Stirnseite des 2-zähnigen Spindelrotors eine angeschrägte Referenz-Anschlagfläche ausgebildet wird, die zur korrekten Positionierung der Verzahnungsebenen in Rotorlängs-Achsrichtung beider Spindelrotore zueinander um den Achskreuzungswinkel geneigt ist, und überdies die Minimierung des Verdrehflankenspiels in dem zur Synchronisation beider Rotore notwendigen Konuszahnradpaar durch axiale Verschiebung dieser Zahnräder zueinander mit anschließender Fixierung erfolgt, und die Axialkräfte aus dieser Synchro.-Verzahnung insbesondere durch Wahl der Schrägungswinkel sowie der Positionierung zum Schraubungswinkel bei kreuzender Achslage gezielt zur Kompensation der Gaskräfte durch die Druckdifferenz des Fördermediums zwischen Aus- und Einlass genutzt werden in Verbindung mit der bekannten Vorgelege-Getriebestufe zur Drehzahl-Erhöhung, wobei für sehr hohe Enddruckwerte (abhängig von den Maschinen-Abmessungen beispielsweise für mehr als 12 bar) zur Reduzierung der axialen Lagerbelastung durch die hohen Druckdifferenzen eine Druckdifferenz-Ausgleichsstufe an jedem Auslass-seitigen Trägerwellenende realisiert wird.According to the invention this object is achieved in that for vacuum and overpressure applications in a dry-compressing spindle compressor as 2-wave displacement machine in opposite directions from an outer, so located outside of the compressor working space, synchronizing rotation angle driven pair of rotors consisting of a 2-toothed spindle rotor and a toothed engaging 3-toothed spindle rotor has a non-parallel, ie diverging center distance such that on the conveying gas inlet side of the axial distance between the two spindle rotors at least 20%, better 50% and for higher pressure ratios even more than twice as large the exhaust-side wheelbase, wherein the two rotor axes are intersecting with an axis crossing angle γ Σ that is non-zero and between 2 and 40 angular degrees, and then has no axle offset a V , if available in the design implementation Space for the pressure side bearing sufficient, whereas to improve the constructive space conditions, the two rotor axes crossing (also referred to as "skewed") with an axis crossing angle γ Σ not equal to zero from 2 to 40 angular degrees and with a Achsversetzung a V are executed, which is greater than 30 mm and positioned within ± 20% of the total rotor length to the front rotor outlet, but preferably coincides with the end cutting planes of both rotor outlet end faces, also at a Wrap angle with respect to the 2-toothed spindle rotor of at least 2500 angular degrees, but preferably over 3600 angular degrees, desirably more than 4500 angular degrees or even better over 5400 angular degrees and for particularly high pressure differences even over 6300 angular degrees, because the higher the compressibility should be, the more greater is to choose the wrap angle, wherein at the spindle rotor pair, the inlet-side slope by less than 20%, for some applications still 60% but at most 120% greater than the outlet-side slope, the inlet side of the 2-toothed spindle rotor to improve the Suction capacity is a flattening at the outer tip diameter over a length L.2zyl, which corresponds at least to the averaged start profile pitch length, such that the inlet-side head cone inclination angle γ 2K.0 is preferably zero (ie cylindrical), but in any case smaller than the head cone inclination angle γ 2K.L , which defines for at least 66% of the rotor profile length L 2z, the reduction of the rotor outer diameter toward the outlet side, wherein moreover each spindle rotor has an internal cooling with the feature that the flow direction of the conveying medium is opposite to the cooling cone flow direction of the cooling fluid, which in Rotor inlet area is fed into the respective carrier shaft and at each on its own carrier shaft rotatably seated spindle rotor is driven by the centrifugal movement of the spindle rotor rotation to the inlet side and there is preferably continuously tapped by a pitot tube from a gutter, with a particularly high Cooling fluid flow rate is adjusted so that the temperature increase in the cooling fluid by the heat removal from each spindle rotor during the compression of the pumped medium is less than 6 degrees, better still less than 4 degrees, and ideally even kept below 3 degrees, and also still the K ühlkonus angle in the smaller diameter range by at least 10%, better still 25% or ideally more than 50% is performed steeper than in the below flowed by the cooling fluid cooling cone area, wherein on the spindle rotor geometry geometry values, the thermodynamic interpretation is such that the specific heat exchanger characteristic value (because ultimately the present spindle compressor both compressor and at the same time heat exchanger) a heat transfer surface load as compressor power per workspace surface size (ie the contacted by the pumped medium in the working space compressor working surfaces, namely rotor pair -Fördergewinde and enveloping housing inner surfaces) of less than 50 kW per m 2 and for larger machines (ie over 55 kW) still under 30 kW per m 2 and higher efficiency requirements even less than 20 kW per m 2 , where In addition, the configuration of the conveyor thread profile flanks on both spindle rotors such takes place that in each end section plane within the rotor profile thread length L.3z on 3-toothed spindle rotor a head circle radius r.3KK with the respective head end points E.3a, E.3b, E.3c, E.3d, E.3e and E.3f is chosen such that for at least 80% of the rotor profile total length L.3z the following condition is fulfilled: 0.42 · ā (z) ≤ r.3KK (z) ≤ 0.72 · ā (z)
with ā (z) as the respective center distance to the corresponding pairing of the end cutting planes of both rotors, and that also in each end section plane within the rotor profile thread length L.2z on the 2-toothed spindle rotor a head circle radius r.2KK with the respective head end points E. 2a, E.2b, E.2c and E.2d is selected such that for at least 80% of the rotor profile total length L.2z the following condition is satisfied: 0.25 · ā (z) ≤ r.2KK (z) ≤ 0.52 · ā (z) and at the same time with the additional condition: (r.3KK (z) + r.2KK (z))> 1.05 · ā (z) as an intermeshing rotor pairing, and further at the inlet side End face of the 2-toothed spindle rotor, a tapered reference stop surface is formed, which is inclined for correct positioning of the toothing planes in the rotor longitudinal axial direction of both spindle rotors to each other about the Achskreuzungswinkel, and also minimizing the Verdrehflangenenspiels in the necessary for the synchronization of both rotors Konuszahnradpaa r carried out by axial displacement of these gears to each other with subsequent fixation, and the axial forces from this Synchro.-teeth used in particular by selecting the helix angle and the positioning of the helix angle at crossing axis targeted for the compensation of the gas forces by the pressure difference of the pumped medium between output and inlet are used in conjunction with the known countershaft transmission stage for speed increase, wherein for very high end pressure values (depending on the machine dimensions, for example for more than 12 bar) to reduce the axial bearing load due to the high pressure differences, a pressure differential balancing stage at each outlet side carrier shaft end is realized.
Einige Fachausdrücke seien kurz erläutert:Some terms are briefly explained:
Als Achsabstand gilt gemäß Verzahnungsgesetz je Fördergewinde-Verzahnungsebene in z-Achsrichtung der Abstand zwischen den Rotationsachsen der beiden Spindelrotore, wobei dieser Achsabstand als a(z) erfindungsgemäß zwischen dem größten Wert a.0 am Einlass und dem kleinsten Wert a.L am Auslass liegt. Dabei gehört die entstehende Verzahnung bei kreuzenden, also ”windschiefen” Drehachsen bekanntlich nicht mehr zu den Wälz- sondern zu den Schraubgetrieben.According to the gearing law, the distance between the axes of rotation of the two spindle rotors per conveyor screw gearing plane in the z-axis direction is considered to be the axial distance between the largest value a.0 at the inlet and the smallest value a.L at the outlet. In this case, the resulting toothing in crossing, that is "skewed" axes of rotation is no longer part of the Wälz- but to the screw drives.
Als ”Umschlingungswinkel” am Spindelrotor gilt die Summe aller Verdrehwinkel längs der Spindelrotorachse zwischen den einzelnen Stirnschnitt-Profilkonturen, die sich bei fortschreitendem z-Achs-Wert in Rotorlängsachsrichtung insgesamt ergeben. Wenn also der Profil-Stirnschnitt an einer z-Position zi mit dem Profil-Stirnschnitt an der benachbarten Position zi+1 verglichen wird, sind beide Stirnschnitte zueinander um einen gemäß der gewählten z(phi)-Funktion für genau diesen Schritt von zi nach zi+1 bekannten Winkel phii verdreht. Die Summe aller Verdrehwinkel für die Stirnschnitte längs der Spindelrotorachse ergibt den Umschlingungswinkel, der hier auf den 2-zähnigen Rotor bezogen ist, und kurz als PHI.2 bezeichnet wird. Für den 3-zähnigen Rotor ist dieser Verdrehwinkel um das Übersetzungsverhältnis als Faktor gemäß Verzahnungsgesetz anzupassen und ist bei gleicher Spindelrotorlänge somit zwangsläufig festgelegt. Der Umschlingungswinkel ist das ausschlaggebende Maß für die Stufenzahl.The "wrap angle" on the spindle rotor is the sum of all angles of rotation along the spindle rotor axis between the individual cross-sectional profile contours that occur as the z axis axis progresses. Overall result in rotor longitudinal axis direction. Thus, if the profile endcut at a z-position z i is compared to the profile-endcut at the adjacent position z i + 1 , then both endcuts are one to another according to the selected z (phi) function for that particular step of z i twisted to z i + 1 known angle phi i . The sum of all angles of rotation for the end cuts along the spindle rotor axis gives the wrap angle, which is here referred to the 2-toothed rotor, and is referred to briefly as PHI.2. For the 3-toothed rotor, this angle of rotation is to be adjusted by the gear ratio as a factor according to the gearing law and is therefore necessarily determined at the same spindle rotor length. The wrap angle is the decisive measure for the number of stages.
Als ”Stufenzahl” gilt die Anzahl der abgeschlossenen Arbeitskammern am Spindelrotorpaar zwischen der Rotor-Einlass-Seite und Rotor-Auslass-Seite. Über Rotorlänge und gewählter z(phi)-Funktion mit Gesamt-Umschlingungswinkel PHI.2 ist eine möglichst ganzzahlige Stufenzahl anzustreben. Dabei wird vorzugsweise der PHI.2-Wert mindestens auf die nächste 10er-Stelle aufgerundet, also z. B. von 2411° auf 2420°.The number of completed working chambers at the spindle rotor pair between the rotor inlet side and the rotor outlet side is considered as "number of stages". The rotor length and selected z (phi) function with overall wrap angle PHI.2 should be aimed at as even an integer number of stages as possible. In this case, preferably the PHI.2 value is rounded up to at least the next 10th digit, ie z. From 2411 ° to 2420 °.
Eine ”Arbeitskammer” ist das für das Rotorpaar geschlossene Zahnlückenvolumen, das begrenzt wird von dem umgebenden Verdichtergehäuse sowie den Spindelrotor-Profillückenflanken zwischen den gemäß Verzahnungsgesetz definierten Profilkontur-Eingriffen, wobei diese eingreifenden Rotorpaar-Profilflanken als berührend, also dicht mit Abstand Null, betrachtet werden. Praktisch jedoch haben die eingreifenden Rotorpaar-Profilflanken einen gewissen, wenn auch möglichst minimalen Abstand, wodurch sich eine innere Leckage-Rückströmung ergibt. Als ”Arbeitskammer-Volumen auf der Einlass-Seite” gilt der Rauminhalt der saugseitig ersten abgeschlossenen Arbeitskammer, und das ”Arbeitskammer-Volumen auf der Auslass-Seite” ist entsprechend der Rauminhalt der letzten abgeschlossenen Arbeitskammer vor dem Fördergas-Auslass. Der Quotient dieser beiden Volumina stellt das ”innere Verdichtungsverhältnis” dar. Als ”höhere innere Verdichtungsverhältnisse” sind Werte über 3 zweckmäßig festlegbar. Das Volumen einer Arbeitskammer berechnet sich aus der betreffenden Arbeitsraum-Querschnittsfläche multipliziert mit der per Spindelsteigung definierten schrittweisen Arbeitskammer-Erstreckung in Rotorlängsachsrichtung.A "working chamber" is closed for the rotor pair tooth space volume, which is bounded by the surrounding compressor housing and the spindle rotor profile back flanks between the defined according to gearing law profile contour interventions, said engaging rotor pair profile edges are considered as touching, so close to zero distance , Practically, however, the engaging rotor pair profile flanks have a certain, albeit minimal, distance, resulting in an internal leakage return flow. The "working chamber volume on the inlet side" is the volume of the first working chamber closed on the suction side, and the "working chamber volume on the outlet side" is corresponding to the volume of the last closed working chamber in front of the conveying gas outlet. The quotient of these two volumes represents the "internal compression ratio". Values over 3 can be suitably defined as "higher internal compression ratios". The volume of a working chamber is calculated from the respective working area cross-sectional area multiplied by the stepwise working chamber extent defined by the spindle pitch in the rotor longitudinal axis direction.
Als ”Stirnschnitt” gilt insbesondere je Spindelrotor jeder Schnitt senkrecht zur Spindelrotor-Drehachse, die vorzugsweise als z-Achse festgelegt wird, so dass der Stirnschnitt in der x-y-Ebene des rechtwinkligen kartesischen Koordinatensystems liegt. Bei kreuzender Achslage haben die Stirnschnittebenen der beiden Spindelrotore den Achskreuzungswinkel zueinander.In particular, per spindle rotor, each cut is perpendicular to the spindle rotor rotation axis, which is preferably defined as a z-axis, so that the end cut lies in the x-y plane of the right-angled Cartesian coordinate system. When the axis position is crossed, the end section planes of the two spindle rotors have the axis crossing angle to each other.
Als ”Steigung” im Spindelrotor-Fördergewinde gilt der Längenfortschritt in Rotorlängsachsrichtung nach genau einer Umdrehung (also 360 Winkelgrad) des Umschlingungswinkels. Dank moderner Fertigungsmaschinen sind heute bei jedem Rotor unterschiedliche Steigungen in Rotorlängsachsrichtung realisierbar, um die Volumenkurve als Verlauf der Arbeitskammer-Volumina thermodynamisch gezielt einzustellen.As "pitch" in the spindle rotor conveying thread is the length progress in Rotorlängsachsrichtung after exactly one revolution (ie 360 degrees angle) of the wrap. Thanks to state-of-the-art production machines, different gradients in the rotor's longitudinal axis can be realized today with each rotor in order to set the volumetric curve in a thermodynamically targeted manner as a progression of the working chamber volumes.
Die ”äußere Synchronisation” der beiden Spindelrotore ist erforderlich, weil das Rotorpaar im Verdichter-Arbeitsraum ohne Betriebsfluid arbeitet, also ”trockenverdichtend” betrieben wird, und wegen der hohen Drehzahlen folglich berührungsfrei mit möglichst geringem Flankenabstand zueinander gegensinnig dreht. Damit diese berührungsfreie Arbeitsweise des Rotorpaares ständig gewährleistet werden kann, sind die beiden Spindelrotoren ständig mit hoher, im Bereich weniger Winkelminuten genauer Drehwinkelgenauigkeit anzutreiben, was bekanntermaßen über eine äußere Synchronisation durchgeführt wird. Die weitaus häufigste Ausführung zur äußeren Synchronisation erfolgt über direkt eingreifende Zahnräder. Es gibt aber durchaus auch beispielsweise die Möglichkeit zur elektronischen Rotorpaar-Synchronisation, indem jeder Rotor von seinem eigenen Motor elektronisch drehwinkeltreu angetrieben wird.The "external synchronization" of the two spindle rotors is required because the rotor pair operates in the compressor working space without operating fluid, ie "dry compressing" is operated, and therefore because of the high speeds rotates without contact with the least possible edge distance to each other in opposite directions. In order for this non-contact operation of the rotor pair can be constantly ensured, the two spindle rotors are constantly driven with high, accurate in the range less minute minutes rotation angle accuracy, which is known to be carried out via external synchronization. By far the most common version for external synchronization is via directly meshing gears. But there is also, for example, the possibility of electronic rotor pair synchronization by each rotor is driven by his own engine electronically true to the angle of rotation.
Der ”Einlass-Bereich” lässt sich über das Umschlingungswinkel-Gebiet beschreiben, mit dem Einlass-seitig die erste abgeschlossene Arbeitskammer durch fortschreitenden Verdrehwinkel entsteht. Dies geschieht bei dem 2:3-Spindelrotorpaar von der Einlass-Stirnschnitt-Seite beginnend nach 720 Winkelgrad zuzüglich dem Kopfkreisbogen-Zentriwinkel ga.KB2 auf der Einlass-Seite des 2-zähnigen Spindelrotors.The "inlet area" can be described by the wrap angle area with which the first closed working chamber on the inlet side is formed by progressive twist angle. This happens in the case of the 2: 3 spindle rotor pair starting from the inlet end cutting side after 720 degrees of angle plus the head arc angle ga.KB2 on the inlet side of the 2-toothed spindle rotor.
Als ”Überdruck” gelten bei atmosphärischer Ansaugung Enddrücke im Betrieb als Absolut-Druckwerte von mindestens 2 bar, üblich sind meistens 8 bar bis 15 bar, aber bei hoher Stufenzahl sind auch Druckwerte von mehr als 25 bar erreichbar. Bei nicht-atmosphärischer Ansaugung verschieben sich diese Werte entsprechend.In the case of atmospheric suction, the term "overpressure" is defined as absolute pressures of at least 2 bar, usually 8 bar to 15 bar, but with a high number of stages, pressure values of more than 25 bar can be achieved. With non-atmospheric aspiration, these values shift accordingly.
Als ”Vakuum” bzw. Unterdruck gelten Enddrücke als Absolut-Druckwerte von unter 50 mbar, besser noch unter 1 mbar und bei entsprechender Stufenzahl sogar unterhalb von 0,01 mbar absolut gegen Auslassdruck, der im atmosphärischen Druckbereich liegt.The term "vacuum" or negative pressure is defined as the ultimate pressure values of less than 50 mbar, better still less than 1 mbar and with a corresponding number of stages even less than 0.01 mbar absolute versus outlet pressure, which is in the atmospheric pressure range.
Über die nachfolgenden Darstellungen wird die vorliegende Erfindung noch weiter erläutert:The present invention will be further explained by means of the following illustrations:
Des weiteren wird in dieser Darstellung deutlich, dass im Fördergewinde-Bereich (
Zudem verbessert die erfindungsgemäße Abflachung (
Die Kühlfluid-Zuführung (
Bei der mathematischen Bestimmung der jeweiligen Gegenprofilflanke wird geschickterweise nach dem ”Prinzip der kinematischen Umkehrung” verfahren, indem jeweils der Spindelrotor mit den erzeugenden Kopfprofil-Endpunkten seinen feststehenden Gegenrotor gemäß Achskreuzungswinkel und (sofern so gewählt) Achsversetzung zueinander im Raum umläuft, so dass für diese Betrachtung der eigentlich Gehäuse-feste Achsabstand rotiert. Der ortsfeste Betrachter sieht dann für ”seinen” stehenden Rotor das jeweilige Gegenprofil entstehen.In the mathematical determination of the respective counter-profile flank is cleverly proceeded according to the "principle of kinematic inversion" by each of the spindle rotor with the generating head profile end points its fixed counter-rotor according to Achskreuzungswinkel and (if selected) axle offset from each other in space, so that for this Consideration of the actually housing-fixed center distance rotates. The stationary observer then sees the respective counter-profile arising for "his" standing rotor.
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
-
Achsabstand a(z) als nicht-paralleler, also auseinanderstrebender Abstand je Verzahnungsebene in z-Achsrichtung zwischen den Rotationsachsen der beiden Spindelrotore innerhalb der Grenzwerte:
1.a Einlass-seitiger Achsabstand a.0 als größter Fördergewinde-Verzahnungs-Abstand1.b Auslass-seitiger Achsabstand a.L als kleinster Fördergewinde-Verzahnungs-AbstandCenter distance a (z) as a non-parallel, ie diverging distance per tooth plane in the z-axis direction between the axes of rotation of the two spindle rotors within the limits:1.a. Intake-side center distance a.0 as the largest conveying thread-toothing distance1.b Outlet-side center distance aL as the smallest conveyor thread-toothing distance - 22
- 2-zähniger Spindelrotor, kurz als ”Rotor-2” bezeichnet, mit der Fördergewinde-Gesamtlänge L.2z2-toothed spindle rotor, referred to for short as "Rotor-2", with the overall thread length L.2z
- 33
- 3-zähniger Spindelrotor, kurz als ”Rotor-3” bezeichnet, mit der Fördergewinde-Gesamtlänge L.3z3-tooth spindle rotor, referred to for short as "Rotor-3", with the overall length of the conveyor thread L.3z
- 44
- Trägerwelle für den Rotor-2, die drehfest mit dem Rotor-2 verbunden ist (vorzugsweise aufgepresst) mit zentraler Kühlfluid-Zuführ-BohrungSupport shaft for the rotor-2, which is rotatably connected to the rotor-2 (preferably pressed) with central cooling fluid supply hole
- 55
- Trägerwelle für den Rotor-3, die drehfest mit dem Rotor-3 verbunden ist (vorzugsweise aufgepresst) mit zentraler Kühlfluid-Zuführ-BohrungSupport shaft for the rotor-3, which is non-rotatably connected to the rotor-3 (preferably pressed) with central cooling fluid supply hole
- 66
- Rotationsachse für den Rotor-2 mit der Winkelgeschwindigkeit ω.2Rotation axis for the rotor-2 with the angular velocity ω.2
- 77
- Rotationsachse für den Rotor-3 mit der Winkelgeschwindigkeit ω.3 entgegengerichtet zu ω.2 unter Einhaltung der Verzahnungs-Übersetzung zwischen dem 2-zähnigen und dem 3-zähnigen RotorRotation axis for the rotor-3 with the angular velocity ω.3 opposite to ω.2 while maintaining the gear ratio between the 2-toothed and the 3-toothed rotor
- 88th
-
Rotorinnen-Fluidkühlung für den Rotor-2 gemäß PCT-Schrift
WO 00/12899 WO 00/12899 - 99
-
Rotorinnen-Fluidkühlung für den Rotor-3 gemäß PCT-Schrift
WO 00/12899 WO 00/12899 - 1010
- Momentan-Achse der Spindelrotorpaar-Verzahnung bei kreuzenden DrehachsenCurrent axis of the spindle rotor toothing with crossing axes of rotation
- 1111
- Achskreuzungswinkel γΣ Axis crossing angle γ Σ
- 1212
- Achsversetzung aV Axle displacement a V
- 1313
- Kühlfluid-ZuführungCooling fluid supply
- 1414
- Kühlfluid-Strömungsrichtung im Kühlkonus von jedem RotorCoolant flow direction in the cooling cone of each rotor
- 1515
- Strömungsrichtung des FördermediumsFlow direction of the pumped medium
- 1616
-
Fördergewinde des Rotors-2
Rotor 2 Feed Screws - 1717
-
Fördergewinde des Rotors-3
Rotor 3 Feed Screws - 1818
- Fördergewinde-Eingriffsgebiet für das SpindelrotorpaarConveying thread engagement area for the spindle rotor pair
- 1919
- Kopfkegel-Neigungswinkel γ3K.L am Rotor-3 Head taper inclination angle γ 3K.L at rotor-3
- 2020
- Kopfkegel-Neigungswinkel γ2L.L am Rotor-2Head cone inclination angle γ 2L.L at the rotor-2
- 2121
- Einlass-seitige Abflachung am äußeren Kopfkreis-Durchmesser unter dem Neigungswinkel γ2k.0 für die Länge L.2zyl am Rotor-2Inlet-side flattening at the outer tip circle diameter at the inclination angle γ 2k.0 for the length L.2zyl at the rotor-2
- 2222
-
Referenz-Positionsfläche wahlweise ausgeführt als:
22.a Referenz-Positionsfläche an der Einlass-Stirnseite vom Rotor-2 oder22.b Referenz-Positionsfläche an der Einlass-Stirnseite vom Rotor-3Reference position area optionally executed as:22.a Reference position area on the inlet end of the rotor-2 or22.b Reference position surface at the inlet end of the rotor-3 - 2323
- Einlass-seitige RotorlagerungInlet side rotor bearing
- 2424
- Auslass-seitige RotorlagerungOutlet-side rotor bearing
- 25 25
- Wellenabdichtung für den Kompressor-ArbeitsraumShaft seal for the compressor working space
- 2626
- neutraler Raum zwischen ölfreiem Kompressor-Arbeitsraum und ölgeschmiertem Lagerungs-Raumneutral space between oil-free compressor working space and oil-lubricated storage space
- 2727
- rotierender Kühlfluid-Sammel-Ring, von den Zentrifugalkräften in der Auffangrinne (28) gehaltenrotating cooling fluid collecting ring, held by the centrifugal forces in the gutter (28)
- 2828
- Staurohr-Auffangrinne, drehfest mit jedem Spindelrotorkörper rotierendPitot tube, rotatably rotating with each spindle rotor body
- 2929
- Staurohr, feststehend und Gehäuse-ortsfest mit Abführungs-HohlräumenPitot tube, fixed and housing-fixed with exhaust cavities
- 3030
- Kühlfluid-Sammelraum, feststehend und Gehäuse-ortsfestCooling fluid collecting chamber, fixed and housing-fixed
- 3131
- Kühlfluid-AbführungCooling fluid discharge
- 3232
- Gegenprofil-erzeugende Kopfendpunkte am Rotor-2, namentlich die Punkte E.2a, E.2b, E.2c und E.3d gemeinsam auf Kreis mit Radius r.2KK(z)Counter profile-generating head end points on rotor-2, namely points E.2a, E.2b, E.2c and E.3d together on circle with radius r.2KK (z)
- 3333
- Gegenprofil-erzeugende Kopfendpunkte am Rotor-3, namentlich die Punkte E.3a, E.3b, E.3c, E.3d, E.3e und E.3f gemeinsam auf Kreis mit Radius r.3KK(z)Counter profile-generating head end points on rotor-3, namely the points E.3a, E.3b, E.3c, E.3d, E.3e and E.3f together on circle with radius r.3KK (z)
- 3434
- Einlassraum für das FördermediumInlet space for the pumped medium
- 3535
- Auslassraum für das FördermediumDischarge space for the pumped medium
- 3636
- Spindelrotor-Auslass-StirnseiteSpindle rotor outlet face
- 3737
- Konuszahnradpaar (auch ”Beveloid” genannt) zur Synchronisation für das SpindelrotorpaarConical gear pair (also called "beveloid") for synchronization for the spindle rotor pair
- 3838
- Fördergewinde-Profilflanken am Rotor-2, erzeugt durch die Kopfendpunkte vom Rotor-3Conveyor thread flanks on the rotor-2, generated by the head end points of the rotor-3
- 3939
- Fördergewinde-Profilflanken am Rotor-3, erzeugt durch die Kopfendpunkte vom Rotor-2Conveyor thread flanks on the rotor-3, generated by the head end points of the rotor-2
- 4040
- Gehäuse-/ortsfestes Kühlfluid-Zuführ-RohrHousing / stationary cooling fluid supply tube
- 4141
- Trägerwellen-feste Überlauf-BuchseCarrier shaft fixed overflow socket
- 4242
- Kühlfluid-Übergabe-BohrungenCooling fluid transfer bores
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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