DE102013009040B4 - Spindle compressor with high internal compression - Google Patents
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Abstract
Spindelkompressor als im Arbeitsraum ohne Betriebsfluid arbeitende 2-Wellen-Rotations-Verdrängermaschine zur Förderung und Verdichtung gasförmiger Fördermedien für Anwendungen im Vakuum und für Anwendungen im Überdruck für Druckverhältnisse zwischen Einlass- und Auslass-Druck größer als 3 mit einem gegensinnig von einer äußeren, also außerhalb vom Verdichter-Arbeitsraum gelegenen Synchronisation (37) drehwinkeltreu angetriebenen Spindelrotorpaar in einem umgebenden Verdichtergehäuse mit einem Einlass (34) und einem Auslass (35) für das Fördermedium dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorpaar bestehend aus einem 2-zähnigen Spindelrotor (2) und einem verzahnungsmäßig eingreifenden 3-zähnigen Spindelrotor (3) einen nicht-parallelen, also auseinanderstrebenden Achsabstand derart aufweist, dass auf der Fördergas-Einlass-Seite (34) der Achsabstand a.0 (1.a) zwischen beiden Spindelrotoren mindestens 20%, besser 50% und für höhere Druckverhältnisse sogar mehr als doppelt so groß ist wie der Auslass-seitige Achsabstand a.L (1.b), wobei außerdem der Umschlingungswinkel bezogen auf den 2-zähnigen Spindelrotor 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 beträgt, und zudem 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 fernerhin jeder Spindelrotor eine Rotorinnen-Fluidkühlung (8, 9) besitzt mit dem Merkmal, dass die Strömungsrichtung (15) des Fördermediums entgegengesetzt erfolgt zur Kühlkonus-Strömungsrichtung (14) des Kühlfluids, welches im Rotor-Einlass-Bereich in die jeweilige zentrale Kühlfluid-Zuführ-Bohrung in jeder Trägerwelle (4, 5) zugeführt wird (13) und bei jedem auf seiner eigenen Trägerwelle drehfest sitzenden Spindelrotor (2, 3) durch die Zentrifugal-Bewegung der Rotordrehung zur Einlass-Seite im hohlen Rotorkörper getrieben wird.Spindle compressor as a 2-shaft rotary displacement machine operating in the working chamber without operating fluid for conveying and compressing gaseous conveying media for applications in a vacuum and for applications in overpressure for pressure ratios between inlet and outlet pressure greater than 3 with a spindle rotor pair driven in opposite directions by an external synchronization (37) located outside the compressor working chamber in a rotationally accurate manner in a surrounding compressor housing with an inlet (34) and an outlet (35) for the conveying medium, characterized in that the rotor pair consisting of a 2-tooth spindle rotor (2) and a 3-tooth spindle rotor (3) engaging in toothing has a non-parallel, i.e. diverging, axial distance such that on the conveying gas inlet side (34) the axial distance a.0 (1.a) between the two spindle rotors is at least 20%, better 50% and for higher pressure ratios even more than twice as large as the outlet side. Axle distance a.L (1.b), wherein the wrap angle in relation to the 2-tooth spindle rotor is at least 2500 angular degrees, but preferably over 3600 angular degrees, advantageously even more than 4500 angular degrees or even better over 5400 angular degrees and for particularly high pressure differences even over 6300 angular degrees, and in addition, on the spindle rotor pair, the inlet-side slope is less than 20%, for some applications still 60% but at most 120% greater than the outlet-side slope, wherein furthermore each spindle rotor has a rotor internal fluid cooling (8, 9) with the feature that the flow direction (15) of the conveying medium is opposite to the cooling cone flow direction (14) of the cooling fluid, which is fed (13) in the rotor inlet area into the respective central cooling fluid feed hole in each carrier shaft (4, 5) and in each case on its own carrier shaft The non-rotatably mounted spindle rotor (2, 3) is driven by the centrifugal movement of the rotor rotation to the inlet side in the hollow rotor body.
Description
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.Dry-compressing compressors are becoming increasingly important in industrial compressor technology. Due to increasing obligations in environmental protection regulations and rising operating and disposal costs as well as increased demands on the purity of the pumped medium, the well-known wet-running compressors, such as liquid ring machines, rotary vane pumps and oil or water-injected screw compressors, are increasingly being replaced by dry-compressing 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 requirements in terms of reliability and robustness as well as size and weight while at the same time being low in price and providing 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.The well-known dry-compressing spindle compressors are ideal for improving this situation because, as typical 2-shaft displacement machines, they achieve a high compression capacity simply by achieving the necessary multi-stage function as a so-called "conveying thread" by connecting several closed working chambers in series via the number of wraps per displacement rotor, without requiring an operating fluid in the working chamber. In addition, the contactless rolling of the two counter-rotating spindle rotors enables an increased rotor speed, so that the nominal suction capacity and delivery efficiency increase at the same time in relation to the size. Dry-compressing spindle machines can be used for applications in both vacuum and overpressure, although the power requirement is naturally significantly higher in overpressure because in the overpressure range with final pressures well over 2 bar (absolute) up to 15 bar and even higher, significantly larger pressure differences have to be overcome.
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Gleichwohl sind insbesondere für anspruchsvollere Anwendungen im Überdruck mit höheren Druckverhältnissen sowohl das Kompressionsvermögen als auch die Leistungseffizienz noch zu verbessern, denn durch innere Leckagen zwischen den einzelnen Arbeitskammern gibt es immer noch zu hohe Verluste bei gleichzeitig oftmals noch unzureichender Wärmeabführung während der Verdichtung. Diese Situation gilt es zu verbessern.Nevertheless, both the compression capacity and the performance efficiency still need to be improved, particularly for more demanding applications in overpressure with higher pressure ratios, because internal leaks between the individual working chambers still result in excessive losses and, at the same time, often inadequate heat dissipation during compression. This situation needs to be improved.
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 compression capacity of dry-compressing 2-shaft rotary displacement machines for conveying and compressing gaseous conveying media for applications in vacuum and overpressure with pressure ratios between inlet and outlet pressure greater than 3, while at the same time simplifying 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 Einlass-seitig 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 kWje m2 und bei höheren Wirkungsgrad-Anforderungen sogar weniger als 20 kWje 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·
mit ä(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·
with ä(z) as the respective center distance to the corresponding pairing of the face cutting planes of both rotors, and that in each face cutting plane within the rotor profile thread length L.2z on the 2-tooth spindle rotor a tip circle radius r.2KK with the respective tip 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 met: 0.25·
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 rotation axes of the two spindle rotors in the z-axis direction is the distance between the rotation axes of the two spindle rotors for each conveyor thread gearing plane, whereby this distance between the axes of rotation as a(z) lies according to the invention between the largest value a.0 at the inlet and the smallest value a.L at the outlet. The resulting gearing with crossing, i.e. "skew" rotation axes is known to no longer belong to the rolling gears but to the helical gears.
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 twist angles along the spindle rotor axis between the individual face cut profile contours that result as the z-axis value progresses in the longitudinal direction of the rotor. If the profile face cut at a z-position z i is compared with the profile face cut at the adjacent position z i+1 , both face cuts are twisted relative to each other by an angle phii that is known according to the selected z(phi) function for exactly this step from z i to z i+1 . The sum of all twist angles for the face cuts along the spindle rotor axis results in the wrap angle, which here refers to the 2-tooth rotor and is referred to as PHI.2 for short. For the 3-tooth rotor, this twist angle must be adjusted by the transmission ratio as a factor in accordance with the gearing law and is therefore inevitably fixed if the spindle rotor length is the same. 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 stages" is the number of closed working chambers on the spindle rotor pair between the rotor inlet side and the rotor outlet side. The aim is to achieve a number of stages that is as whole as possible based on the rotor length and the selected z(phi) function with the total wrap angle PHI.2. The PHI.2 value is preferably rounded up to at least the next 10th place, e.g. 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 the tooth gap volume closed for the rotor pair, which is limited by the surrounding compressor housing and the spindle rotor profile gap flanks between the profile contour engagements defined according to the gearing law, whereby these engaging rotor pair profile flanks are considered to be touching, i.e. close with a distance of zero. In practice, however, the engaging rotor pair profile flanks have a certain, albeit minimal, distance, which results in an internal leakage backflow. The "working chamber volume on the inlet side" is the volume of the first closed working chamber on the suction side, and the "working chamber volume on the outlet side" is the volume of the last closed working chamber before the conveying gas outlet. The quotient of these two volumes represents the "internal compression ratio". Values above 3 can be conveniently defined as "higher internal compression ratios". The volume of a working chamber is calculated from the relevant working space cross-sectional area multiplied by the step-by-step working chamber extension in the longitudinal axis direction of the rotor, defined by the spindle pitch.
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, a “frontal cut” is defined as any cut perpendicular to the spindle rotor axis of rotation, which is preferably defined as the z-axis, so that the frontal cut lies in the xy-plane of the rectangular Cartesian coordinate system. In the case of crossing axes, the frontal cuts planes of the two spindle rotors 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.The "pitch" in the spindle rotor conveyor thread is the length progression in the rotor's longitudinal axis direction after exactly one revolution (i.e. 360 degrees) of the wrap angle. Thanks to modern production machines, different pitches in the rotor's longitudinal axis direction can now be realized for each rotor in order to thermodynamically adjust the volume curve as the course 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 necessary because the rotor pair in the compressor working chamber works without operating fluid, i.e. is operated in a "dry compression" manner, and because of the high speeds, rotates in opposite directions without contact and with the smallest possible flank distance from each other. In order to ensure that the rotor pair can operate without contact at all times, the two spindle rotors must be driven continuously with a high degree of angle accuracy, in the range of a few minutes of arc, which is known to be achieved via external synchronization. The most common form of external synchronization is by far the use of directly meshing gears. However, there is also the option of electronic rotor pair synchronization, for example, in which each rotor is driven electronically by its own motor with a precise 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 is created on the inlet side by increasing the angle of rotation. This occurs with the 2:3 spindle rotor pair starting from the inlet face cut side after 720 angular degrees plus the tip arc central angle ga.KB2 on the inlet side of the 2-tooth 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 intake, “overpressure” is defined as the final pressure during operation as absolute pressure values of at least 2 bar. Usually, 8 bar to 15 bar are used, but with a high number of stages, pressure values of more than 25 bar can also be achieved. In the case of non-atmospheric intake, 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 Auslass-druck, der im atmosphärischen Druckbereich liegt.Final pressures are considered to be “vacuum” or negative pressure as absolute 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 compared to the outlet pressure, which is in the atmospheric pressure range.
Über die nachfolgenden Darstellungen wird die vorliegende Erfindung noch weiter erläutert:
-
1 zeigt beispielhaft für die vorliegende Erfindung eine Schnittdarstellung durch das Spindelrotorpaar mit auseinanderstrebendem Achsabstand, wobei diese Darstellung vereinfachend ist, weil die Drehachsen (6) und (7) nicht in einer Ebene liegen müssen. Zugleich wird in dieser Zeichnung deutlich erkennbar, dass bei sich schneidender Ausrichtung der Drehachsen der Platz bei der konstruktiven Umsetzung für die Auslass-seitige Lagerung (24) knapp wird, weil diese Auslass-Lager von Rotor und Gegenrotor einander zu nahe kommen, wobei für die Trägerwellen eine beidseitige Lagerung bei zugleich möglichst geringem Lagerabstand je Rotor wegen der erforderlich hohen Rotordrehzahlen und der damit verbundenen biegekritischen Drehzahl als unabdingbar anzusehen ist. Die Positionierung der nötigen Synchro.-Räder (37) ist Auslass-seitig günstiger, weil die Baugröße der Zahnräder andernfalls Einlass-seitig zu groß wäre, was nicht nur wegen der enormen Umfangsgeschwindigkeiten aufwändig wäre. Damit ist wegen der Auslass-seitigen konstruktiven Platz-Bedingungen bei dieser Darstellung eine kreuzende Lage der Drehachsen günstiger, wobei deren Achsversetzung in die Nähe der beiden Spindelrotor-Auslass-Stirnseiten (36) sich als vorteilhaft zeigt.
-
1 shows, as an example of the present invention, a sectional view through the spindle rotor pair with diverging center distances, whereby this view is simplified because the axes of rotation (6) and (7) do not have to lie in the same plane. At the same time, it is clearly visible in this drawing that when the axes of rotation intersect, space in the structural implementation for the exhaust-side bearing (24) becomes tight because these exhaust bearings of the rotor and counter rotor come too close to one another, whereby for the carrier shafts, bearings on both sides with the smallest possible bearing distance per rotor is essential due to the necessary high rotor speeds and the associated bending-critical speed. The positioning of the necessary synchronizer wheels (37) is more favorable on the exhaust side because the size of the gear wheels on the inlet side would otherwise be too large, which would be complex not only due to the enormous peripheral speeds. Therefore, due to the structural space conditions on the outlet side, a crossing position of the rotation axes is more favorable in this representation, whereby their axis offset in the vicinity of the two spindle rotor outlet front sides (36) proves to be advantageous.
Des weiteren wird in dieser Darstellung deutlich, dass im Fördergewinde-Bereich (16 und 17) die RotorAußen-Durchmesser und damit auch die Fördergewinde-Profilhöhe von h.0 auf h.L dem veränderlichen Achsabstand a(z) folgen, was über die erfindungsgemäß oben genannten Bedingungen bei Wahl der Kopf-Radien-Werte direkt nachvollziehbar ist. Auf diese Weise wird gegenüber dem Stand der Technik besonders vorteilhaft das gewünscht hohe innere Verdichtungsverhältnis erreicht bei zugleich höherer Stufenzahl und damit verbunden größeren Arbeitskammer-Oberflächen zur Wärmeabführung während der Verdichtung, um gemäß den Gesetzen der Thermodynamik den Wirkungsgrad der Verdichtung über einen geringeren Polytropenexponenten zu verbessern. Durch die genannten Bedingungen bei Festlegung der Fördergewinde-Profilflanken wird zudem die innere Leckage durch Blasloch-freie Verdichtung reduziert.Furthermore, this illustration clearly shows that in the conveyor thread area (16 and 17) the rotor outer diameter and thus also the conveyor thread profile height from h.0 to h.L follow the variable center distance a(z), which can be directly understood from the conditions mentioned above when selecting the head radius values. In this way, the desired high internal compression ratio is achieved in a particularly advantageous manner compared to the state of the art, with a higher number of stages and associated larger working chamber surfaces for heat dissipation during compression in order to improve the efficiency of compression via a lower polytropic exponent in accordance with the laws of thermodynamics. The conditions mentioned when determining the conveyor thread profile flanks also reduce internal leakage through blowhole-free compression.
Zudem verbessert die erfindungsgemäße Abflachung (21) am Außen-Durchmesser des 2-zähnigen Spindelrotors das Ansaugvermögen des Spindel-Kompressors und muss nicht mehr wie bisher über Änderung der Fördergewinde-Steigung erreicht werden. Dies verstärkt die Wirkungsgrad-Verbesserung.In addition, the flattening (21) according to the invention on the outer diameter of the 2-tooth spindle rotor improves the suction capacity of the spindle compressor and no longer has to be achieved by changing the conveyor thread pitch as was previously the case. This increases the efficiency improvement.
Die Kühlfluid-Zuführung (31) erfolgt an jedem Einlass-seitigen Ende der Trägerwellen (4 und 5) in deren zentrale Zuführ-Bohrung, so dass eine Betriebs-abhängige Druckdifferenz-Belastung im Ölvorratsraum und damit auch für die Antriebswellen-Durchführung vorteilhaft vermieden wird.The cooling fluid supply (31) takes place at each inlet-side end of the support shafts (4 and 5) in their central supply bore, so that a Operation-dependent pressure difference load in the oil reservoir and thus also for the drive shaft feedthrough is advantageously avoided.
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.When mathematically determining the respective counter profile flank, the "principle of kinematic reversal" is cleverly used, whereby the spindle rotor with the generating head profile end points rotates around its stationary counter rotor in space according to the axis crossing angle and (if selected) axis offset from each other, so that for this observation the actually fixed housing axis distance rotates. The stationary observer then sees the respective counter profile being created for "his" stationary rotor.
In
Für einfachere Applikationen kann diese Staurohr-Lösung auch durch einfache Kühlfluid-Auffangkissen als simple (Stahl-)Wolle-Pakete (Anhäufungen) ersetzt werden.For simpler applications, this pitot tube solution can also be replaced by simple cooling fluid collection pads as simple (steel) wool packages (accumulations).
Bezugszeichenliste:List of reference symbols:
- 11
- Achsabstand a(z) als nicht-paralleler, also auseinanderstrebender Abstand je Verzahnungsebene in z-Achsrichtung zwischen den Rotationsachsen der beiden Spindelrotore innerhalb der Grenzwerte:Axial distance a(z) as non-parallel, i.e. diverging distance per gear plane in the z-axis direction between the rotation axes of the two spindle rotors within the limit values:
- 1.a1.a
- Einlass-seitiger Achsabstand a.0 als größter Fördergewinde-Verzahnungs-AbstandInlet-side center distance a.0 as the largest conveyor thread toothing distance
- 1.b1.b
- Auslass-seitiger Achsabstand a.L als kleinster Fördergewinde-Verzahnungs-AbstandOutlet-side center distance a.L as smallest conveyor thread toothing distance
- 22
- 2-zähniger Spindelrotor, kurz als „Rotor-2“ bezeichnet, mit der Fördergewinde-Gesamtlänge L.2z2-tooth spindle rotor, referred to as “Rotor-2” for short, with the total conveyor thread length L.2z
- 33
- 3-zähniger Spindelrotor, kurz als „Rotor-3“ bezeichnet, mit der Fördergewinde-Gesamtlänge L.3z3-tooth spindle rotor, referred to as “Rotor-3” for short, with the total conveyor thread length 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 connected to the rotor-2 in a rotationally fixed manner (preferably pressed on) with a 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 connected to the rotor-3 in a rotationally fixed manner (preferably pressed on) with a 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 rotor-3 with angular velocity ω.3 opposite to ω.2 while maintaining the gear ratio between the 2-tooth and the 3-tooth rotor
- 88th
- Rotorinnen-Fluidkühlung für den Rotor-2 gemäß PCT-Schrift WO 00 / 12899 A1Rotor interior fluid cooling for rotor-2 according to PCT document WO 00 / 12899 A1
- 99
- Rotorinnen-Fluidkühlung für den Rotor-3 gemäß PCT-Schrift WO 00 / 12899 A1Rotor interior fluid cooling for rotor-3 according to PCT document WO 00 / 12899 A1
- 1010
- Momentan-Achse der Spindelrotorpaar-Verzahnung bei kreuzenden DrehachsenInstantaneous axis of the spindle rotor pair gearing with crossing rotation axes
- 1111
- Achskreuzungswinkel γΣ Axis crossing angle γ Σ
- 1212
- Achsversetzung aV Axis offset a V
- 1313
- Kühlfluid-ZuführungCooling fluid supply
- 1414
- Kühlfluid-Strömungsrichtung im Kühlkonus von jedem RotorCooling fluid flow direction in the cooling cone of each rotor
- 1515
- Strömungsrichtung des FördermediumsFlow direction of the pumped medium
- 1616
- Fördergewinde des Rotors-2Conveying thread of rotor-2
- 1717
- Fördergewinde des Rotors-3Conveying thread of rotor-3
- 1818
- Fördergewinde-Eingriffsgebiet für das SpindelrotorpaarConveyor thread engagement area for the spindle rotor pair
- 1919
- Kopfkegel-Neigungswinkel γ3K.L am Rotor-3Head cone inclination angle γ 3K.L on rotor-3
- 2020
- Kopfkegel-Neigungswinkel γ2K.L am Rotor-2Head cone inclination angle γ 2K.L on 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 on the outer tip circle diameter at the inclination angle γ 2K.0 for the length L.2zyl on rotor-2
- 2222
- Referenz-Positionsfläche wahlweise ausgeführt als:Reference position surface optionally designed as:
- 22.a22.a
- Referenz-Positionsfläche an der Einlass-Stirnseite vom Rotor-2 oderReference position surface on the inlet face of Rotor-2 or
- 22.b22.b
- Referenz-Positionsfläche an der Einlass-Stirnseite vom Rotor-3Reference position surface on the inlet face of Rotor-3
- 2323
- Einlass-seitige RotorlagerungInlet-side rotor bearing
- 2424
- Auslass-seitige RotorlagerungExhaust-side rotor bearing
- 2525
- Wellenabdichtung für den Kompressor-ArbeitsraumShaft seal for the compressor working chamber
- 2626
- neutraler Raum zwischen ölfreiem Kompressor-Arbeitsraum und ölgeschmiertem Lagerungs-Raumneutral space between oil-free compressor working space and oil-lubricated bearing space
- 2727
- rotierender Kühlfluid-Sammel-Ring, von den Zentrifugalkräften in der Auffangrinne (28) gehaltenrotating cooling fluid collecting ring, held by centrifugal forces in the collecting channel (28)
- 2828
- Staurohr-Auffangrinne, drehfest mit jedem Spindelrotorkörper rotierendPitot tube collecting trough, non-rotatably rotating with each spindle rotor body
- 2929
- Staurohr, feststehend und Gehäuse-ortsfest mit Abführungs-HohlräumenPitot tube, fixed and housing-fixed with discharge cavities
- 3030
- Kühlfluid-Sammelraum, feststehend und Gehäuse-ortsfestCooling fluid collection 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 the points E.2a, E.2b, E.2c and E.3d together on a 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 a circle with radius r.3KK(z)
- 3434
- Einlassraum für das FördermediumInlet space for the conveying medium
- 3535
- Auslassraum für das FördermediumOutlet space for the pumped medium
- 3636
- Spindelrotor-Auslass-StirnseiteSpindle rotor outlet face
- 3737
- Konuszahnradpaar (auch „Beveloid“ genannt) zur Synchronisation für das SpindelrotorpaarCone 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 profile flanks on rotor-2, generated by the head end points of rotor-3
- 3939
- Fördergewinde-Profilflanken am Rotor-3, erzeugt durch die Kopfendpunkte vom Rotor-2Conveyor thread profile flanks on rotor-3, generated by the head end points of rotor-2
- 4040
- Gehäuse-/ ortsfestes Kühlfluid-Zuführ-RohrHousing/fixed cooling fluid supply pipe
- 4141
- Trägerwellen-feste Überlauf-BuchseCarrier shaft fixed overflow bushing
- 4242
- Kühlfluid-Übergabe-BohrungenCooling fluid transfer holes
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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