DE1403614A1 - Rotationsverdichter fuer hohe Leistungen und hohen Druck - Google Patents

Description

Schi Möichen-fullach, den"

9. Juni 1961

Fernand Zimmern, 29, Boulevard Jules Sandeau, Paris, Frankreich.

Rdationsverdiehter für hohe Leistungen und hohen Druck

Es ist bekannt, daß Turboverdichter auf Grund Ihrer hohen Drehzahl eine verhältnismäßig hohe leistung zu erzfelen gestatten, daß es a"ber nicht möglich ist, mit nur einer Druckstufe hohe Verdichtungsverhältnisse zu erreichen, so daß trotz der hohen Drehzahl der thermische und der Mengenwirkungsgrad vermindert ist.

Man hat bereits versucht, diese Nachteile dadurch zu beheben, daß man Kompressoren mit einem konischen (globique), drehangetriebenen Schraubenrad (vis) gebaut hat, das in einem zweiteiligen, feststehenden und sich dicht an den Umriß der Gewindegänge am Schraubenrad anschließenden Gehäuse schnell rotiert.

Das Schraubenrad kämmt mit mindestens einem oder zwei Ritzeln, die vorzugsweise in einer Radialebene beiderseits des Schraubenrades angeordnet sind und deren Zähne als Druckkolben insofern wirken, als sie eine bestimmte Anzahl von Kompressionskammern abschließen, wobei diese Kammern durch den Zwischen je zwei Gewindegängen und der Gehäuseinnenwand liegenden Raum gebildet sind·

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Die Kompressionskammern sind zunächst unmittelbar an einem Ende mit dem niederdruckseitigen Einlaß für das zu verdichtende Arbeitsmittel verbunden, werden aber dann durch die Zähne des einen Ritzels verschlossen. Sodann kommen die Kammern nacheinander an ihrem anderen Ende mit einer Auslaßöffnung für das verdichtete Strömungsmittel in Verbindung, wenn der eine der sie begrenzenden G-ewindegänge von dem zweiten Ritzel - oder wenn nur ein Ritzel verwendet wird, von der anderen Seite dieses Ritzels - freikommt.

Bei Verdichtern dieser Art erfolgt die Volumenänderung der Kompressionskammern dadurch , daß sich fortschreitend die Höhe jedes Gewindeganges zwischen dem Mittelteil eines konischen Schraubenrades, d.h. dem der Druckseite zunächst gelegenen Mittelteil (partie mediane placee du cote de I¹enceinte contenant Ie fluide comprime) und dem äußeren Teil des Schraubenrades, an dem sich der Einlaß für das noch nicht verdichtete Strömungsmittel befindet, ändert.

wenn sich das Schraubenrad dreht, verringert sich auf Grund der Axialbewegung der Kammern zwischen dem Außen- und dem Mittelteil des Schraubenrades und der hierdurch verursachten fortschreitenden Verminderung der Höhe der Gewindegänge (hauteur des filets) zwischen dem äußeren und dem mittleren Teil des Schraubenrades somit fortgesetzt der zwischen zwei Kitzeln oder den beiden Seiten eines Ritzels (falls nur ein Ritzel verwendet wird) vorhandene Rauminhalt der Kompres si onskamniern.

Diese fortschreitende Volumenverminderung erfolgt solange, bis die betreffende Kompressionskammer durch das zweite Ritzel freigegeben wird und das verdichtete Strömungsmittel hochdruckseitig

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abfließen kann.

Wie leicht einzusehen ist, ergeben sich durch die Ioi?endigkeit, die Höhe (hauteur) der Gewindegänge eines konischen Schraubenrades zu verändern, recht schwierige Herstellungsprobleme, wobei außerdem das Strömungsmittelvolumen lediglich in Eichtung seiner Dicke, d.h. quer zur Richtung seiner größte'n Eisbreckung, verdichtet wird, während es in Richtung seiner Längserstreckung im wesentlichen unverändert bleibt. Durch diesen Umstand verringert sich das erreichbare Kompresaionsverhältnis·

Der erfindungsgemäße Kompressor gestattet nun, eine wesentlich höhere Verdichtung zu erzielen, weil die Gewilidegänge eine solche Steigung aufweisen, daß in dem Augenblick, in dem das eine Ritzel eine Kompressionskanmer abschließt, das anderen Ende dieser Kammer bereits von dem anderen Ritzel freigegeben ist, aber durch eine Platte abgeschlossen wird. Dieser Abschluß bleibt bestehen, bis das untere Ende der Kompressionskammer wieder am ersten Ritzel anlangt und das verdichtete Strömungsmittel durch eine dort in der Platte vorgesehene Öffnung abfließen kann.

Das neue Merkmal der Erfindung, nämlich die Steigung der Gewindegänge am Schraubenrad so zu wählen, daß die Verdichtungskammern, am unteren Ende durch eine Abschlußplatte geschlossen werden, kann auch mit einer Änderung der Höhe der Gewindegänge während des Arbeitsvorganges kombiniert werden, wodurch sich das Verdichtungsverhältnis je Druckstufe erhöht, weil sich die Wirkungen beider Maßnahmen muMplizieren.

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Es ist auch möglich, ein zylindrisches Schraubenrad zu verwarnen, wobei an Stelle der Ritzel in die Gewindegänge eingreifende, zu einer endlosen Kette gelenkig verbundene Zahnelemente treten. Und diese endlose Kette ist über zwei Sternräder geführt, und der zurücklaufende Strang der Kette liegt parallel zu dem mit dem Schraubenrad zusammenwirkenden Kettenteil.

Um die !Dichtigkeit der einzeltasn Kompressionskammern gegeneinander sowohl entlang der Gehäusewände wie auch an der Abschlußplatte zu erzielen, können verschiedene geeignete Maßnahmen getroffen werden. Bei Verwendung von festen Abdichtungen, deren Nachteile insbesondere bei Kolbenverdichtern bekannt sind,erfordert die auftretende Reibung eine Schmierung, welche häufig nur mit Schwierigkeiten zu verwirklichen ist, weil das Schmiermittel oxydiert und die Reibung der zulässigen Höchstdrehzahl eine Grenze setzt, so daß die leistung der Maschine ebenfalls begrenzt ist.

•Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden daher an Stelle fester Dichtungen Flüssigkeitsdichtungen verwendet, welche u.a. wegen des schnellen Wärmeaustausches zwischen der 'Flüssigkeit und den mit dem Gas in Berührung stehenden Metallflächen für eine Kühlung der durch das Gas erwärmten Metallflächen sorgen, selbst dann, wenn sie so hohe Temperaturen aufweisen, wie sie in einer Brennkraftmaschine auftreten. Auf diese Weise können daher alle Schwierigkeiten hinsichtlich der Abdichtungen und bei dem anderen Ausführungsbeispiel hinsichtlich der Wärmedehnung an den Metallflächen verwendet werden.

Die Flüssigkeitsdichtungen ergeben außerdem einen nahezu voll-

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kommen dichten Abschluß, weil das Vorhandasein eines Flüssigkeitsfilms (veine liquide) in der Nähe von durchlässigen Stellen ausreicht, um Leckverluste zu verhindern. Dies beruht darauf, daß die Dichtflüssigkeit im Verhältnis zu dem zu verdichtenden Gas eine sehr große Viskosität und Massenträgheit besitzt.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung dreier Ausführungsbeispiele von Verdichtern, bei denen einer mit erfindungsgemäßen Flüssigkeitsdichtungen versehen ist. Die Beispiele dienen der Erläuterung, stellen jedoch keine Beschränkung der Erfindung auf die dargestellten Ausführungsformen dar.

In den Abbildungen zeigt:

Fig. 1 die schauMLdliche Darstellung eines erfindungsgeniäßen Verdichters mit einem aus drei auf einer Welle montierten Kegelstümpfen bestehenden Schraubenrad in perspektivischer Ansicht,

Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch den'Verdichter nach Fig. 1 geschnitten in der Mittelebene der mit dem Schraubenrad kämmenden Ritzel,

Fig. 3 einen waagrechten Schnitt auf der Linie III-III durch Fig. 2,

Fig. 4 ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein zylindrisches Schaubenrad und eine mit

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Zähnen ausgestattete endlose Kette verwendet

wird,

Fig. 5 eine schematische, perspektivische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels für einen Verdichter mit konischem Schraubenrad und mit Flüssigkeitsdichtungen an den Ritzeln,

Fig. 6 eine Abwicklung der Fig. 5 zur Darstellung der Art,in der die Flüssigkeitsdichtungen für die Dichtigkeit zwischen Schraubenrad und Ritzel sowie zwischen den G-ewindegängen und den Gehäusewandungen sorgen und

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines den Fig. 3 und 6 entsprechenden Verdichters mit dem Kreislauf, der die Dichtungen bildenden Flüssigkeit.

Wie sich aus Fig. 1 ergibt, die eine schaubildliche Darstellung der \7irkungs v/eise der erfindungegemäßen Maschine enthält, ist das konische Schraubenrad, dessen oberer Teil mit 1 bezeichnet ist, drehfest mit der Achse 2 verbunden, die ihrerseits durch das Schraubenrad hindurchgeht. Die eintretende Luft, die durch die Pfeile 3 gekennzeichnet ist, füllt zunächst den Raum oberhalb des Schraubenrades und innerhalb des dieses letztere umgebenden Gehäuses4 und strömt dann bei Drehung des Schraubenrades in Richtung des Pfeils 5 nach links.

Sobald ein Zahn 6 des Ritzels 7 zwischen zwei nebeneinander liegende G-ewindegänge 8 und 9 am Schraubenrad eingreift, wird die Luft forschreitend immer mehr zusammengedrückt, wobei der

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ZaIm 6 wie ein Kolben wirkt, "bis das untere Ende des Gewindeganges 9 in die Stellung gelangt, die nach der Zeichnung das untere Ende des Ganges 10 einnimmt· In diesem Augenblick gelangt der Raum zwischen den Gewindegangen 8 und 9 mit der Auslassöffnung 11, die rechts unten in Pig. 1 zu sehen ist, in Verbindung.

Wie sich ebenfalls aus der Zeichnung ergibt, ist die Auslaßöffnung /12 mit einer schrägen Kante versehen, so daß die gesamte in der Kompressionskammer befindliche luft entweichen kann, wenn der Gewindegang 8 seinerseits an der Auslaßöffnung 11 vorbeigeht, und somit die verdichtete Luft in Richtung des Pfeiles 13 abströmt.

Die Kompressionskainmern sind an ihrem untern Ende durch die Platte 14 abgeschlossen.

Bei Drehung der Welle 2 und damit des Schraubenrades 1 in der durch den Pfeil 5 angegebenen Richtung werden die beiden in Pig. Idargesteilen Ritzel in Richtung der Pfeile 15 mitgedreht.

Um dichte Abschlüsse zwischen den hochstehenden, wie Rippen wirkenden Teilen der Gewinaegänge an dem Schraubenrad 1 und den Innenwandungen des aus den beiden Hälften 4 und 4a bestehenden Gehäuses zu erzielen, die sich jeweils in Umfangsrichtung an die Ritzel 7 anschließen, ist ein spiralig ausgebildetes Segment vorgesehen, daß mit 16 bezeichnet ist und entlang der am weitesten vorstehenden Teile der Gewindegänge verläuft.

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Um zu verhindern, daß sich diese spiralförmigen Segmente (segments en forme de spirale) nach unten bewegen und an der unteren Abschlußplatte reiben, sind diese Segmente an den Stellen 17 festgeschweißt. Wenn die Genaueehälften auf der Innenaeite mit einer Graphitschicht oder einer Schicht aus festem Schmiermittel, welches den Betriebstemperaturen der Maschine standhält, versehen sind, ist es nicht erforderlich, die spiralförmigen Segmente 16 anzubringen.

Die Ritzel 7 werden mit Hilfe der beiden Achsen 18 gegen das konische Schraubenrad gedrückt. Die Ritzel sind zu diesem Zweck gegenüber den Achsen etwas außermittig nach unten angeordnet, so daß sich die Ritzel nicht unter der Wirkung der Druckdifferenz, die beiderseits der Ritzel in dem zu verdichtenden Arbeitsmittel herrscht, von dem Schraubenrad entfernen können. Dies beruht darauf, daß die Druckdifferenzen unsymmetrisch zur Drehachse an den Ritzeln wirksam werden.

Der freie Raum 19 zwischen den Achsen 18 und den Naben 7 der Ritzel ermöglicht ferner die Schmierung der Ritzel·

In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß bei den Ausführungsbeispielen der Erfindung, bei denen ein konisches Schraubenrad Verwendung findet, sich die Gewindegänge von der Mitte des Schraubenrades in Richtung zum oberen und unteren Ende hin ändern.(le pas des filets varie progressivement).

Um die Zahnform der"Ritzel dieser Form der Gewindegänge anzupassen, sind die Zähne so ausgebildet, daß sie mit den Planken der Gewindegänge am Schraubenrad im mittleren Teil dieses Rades in einer äußeren, seitlich der Zähnung liegenden

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Profilebene zusammenwirken, während sie im oberen und unteren leil des Schraubem^ades in einer anderen Profilebene, entsprechend der kegeligen Ausbildung der Zähne der Ritzel, in Eingriff gelangen. Hierdurch wird im Bereich der Ritzel für dichten Abschluß zwischen den verschiedenen Kompressionskammern gesorgt, weil die Ritzel mindestens in dem Übergangsbereich zwischen dan mittleren und den äußeren Teilen des Schraubenrades an den Planken der Gewindegänge des Schraubenrades anliegen. (Il y a lieu de noter que Ie profil des dents dea pignons est etsbli en tenant compte de cette particularity, de teile facon qus ce3 dents coopörent avec les flancs des filets de la vis, suivant un plan du profil externe lateral de leur denture, au niveau de la partie mediane.de la vis, et qu'elles coopdrent auivant un autre plan de ce profil externe, correspondent ä un tronquage des dents du pignon, au niveau des parties superieure at inferieure de la vis globique, la cooperation assurant l'etancheite en-fte les differentes chambres de compression au niveau d'un pignon, Itant toujours assurle sur les flancs des filets de la vis globique, au moins Ie long ' d'une aröte de raccordement entre les deux plans de cooperation precites, au niveau des parties intermediaires de la vis glo- biqu·, c*est-a-dire comprises entre ladite partie mediane et lesdites parties extremes.)

In Pig. 2 ist ..abgesehen- von den leitungen 20 und 21 für den Schmiermittelkreislauf ein anderes Ausführungs-beispiel der Erfindung, insbesondere, mit Abweichungen hinsichtlich der Ausbildung der Abschlußplatte 14 und des Schraubenrad 1 dargestellt.

Das Schraubenrad besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus

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Claims (14)

1. Patentansprüche

   /Tj Rotationsverdichter oder Rdationsarbeitsmaachine, bestehend aus einem Schraubenrad und einem feststehenden Gehäuse, welches das Schraubenrad unter Berührung mit den Kronen der im Schraubenrad vorgesehenen Gewindegänge umgibt, wobei mindestens ein Ende der einander parallelen Druckkammern, die den Zwischenräumen zwischen den Gewindegängen am Schraubenrad entsprechen,, durch die Zähne von Ritzeln oder von eine endlose Kette bildenden, beglich miteinander verbundenen Zahnelementen verschlossen ist und wobei die Ritzel oder die endlose Kette in einer Radialebene des Schraubenrades angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine feststehende, mit der Grundfläche des Schraubenrades in Berührung stehende Platte (plaque d'appui) angeordnet ist, die die Druckkammern am einen Ende verschließt und welche im Bereich der Ritzel eine Durchtrittsöffnung für das Druckmittel aufweist, welche bei Drehung des Schraubenrades nacheinander mit den Druckkammern in Verbindung gelangt.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schraubenrad als Doppolkonus ausgebildet ist und mit· seinen Gewindegängen in runde Ritzel eingreift.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schraubenrad als Zylinder ausgebildet ist und seine Gewindegänge in gelenkig miteinander verbundene zahnförmige

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   Elemente im geradlinig verlaufenden Teil einer endlosen Kette eingreifen.
4. 4» Vorrichtung nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnspitzen der Gewindegänge an dem Schraubenrad mit lichtungssegmenten ausgestattet sind, die an dem der Niederdruckseite zugekehrten Ende des Schraubenrades angesehmßt sind.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenkachsen der endlosen Ketten länger sind, als die Breite der Zahnelemente beträgt, und in den halbkreisförmigen Umkehren mit die Fliehkraft aufnehmenden Führungen zusammenwirken.
6. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Schmieren, zum Schmieren der Sitzel und der Gewindegänge am Schraubenrad und zum Kühlen dsr G-ehäusewände, wobei zum Antrieb dieser Einrichtungen die bei hoher Drehzahl der Maschine auftretende Fliehkraft ausgenutzt wird.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Fliissigkeitsdichtungen (joints liquides d'etanch^ite), die gleichzeitig für die Kühlung der Maschine sorgen und die Ausdshnungswirkungen ausgleichen, vorgesehen sind, welche aua umlaufender Flüssigkeit (liquide autoamorpante) gebildet sind, wobei die Flüssigkeit von der gleichen Seite wie das Druckoder Arbeitsmittel eingeführt wird, wobei ferner die Flüssig-

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   keitsdichtungen die Ritzel mit einer Flüssigkeitsschicht überleben, die in das Innere des Gehäuses mit der gleichen Geschwindigkeit hineingezogen wird, wie sich die mit dem Schraubenrad zusammenwirkenden Ritzelteile bewegen und die Gänge des Schraubenrades bedeckt, und wobei ein gewisser Flüssigkeitsdurchtritt (des fuites de liquide) an den Flüssigkeitsdichtungen für eine Abdichtung zwischen den Gängen des Schraubenrades und dem Gehäuse sorgt.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ritzel aus einem Metallkern bestehen, auf dem eine mit der die Flüssigkeitsdichtuhgen bildenden Flüssigkeit schmierbare Kunststoffschicht angeordnet ist.
9. 9* Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ritzel in mit dem Gehäuse des Schraubenrades verbundenen Gehäusen angeordnet sind, welche einen Rücklauf der zwischen den Ritzeln, den Gehäusehälften und der Abschlußplatte hindurchtretenden Flüssigkeit zulassen.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Austrittsende de.r Maschine ein Zentrifugalabscheider (dispositif de centrifugation) vorgesehen iot, der die Flüssigkeit der Flüssigkeitsdichtungen von dem verdichteten oder entspannten Gas trennt.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch im Flüssigkeitßkreislauf vor den Zuführungsrohren bzw. Einspritzdüsen angeordnete Regeleinrichtungen, mit· deren Hilfe der Druck der Flüssigkeit auf den in der Maschine auftretenden höchsten Gasdruck einstellbar ist·

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12. 12. Vorrichtung nach, Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Teil der Maschine eire Gregendruckkammer vorgesehen ist, die mit dem Plüssigkeitskreislauf vor mindestens einer Einspritzdüse in Verbindung steht.
13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 9> gekennzeichnet durch eine die Dicke der Flüssigkeitsdichtungen regelnde Einrichtung, durch welche der Enddruck der Maschine einstellbar ist.
14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung mit einer gleichzeitig den Antriebsmotor steuernden Vorrichtung in Verbindung steht, welche die Drehzahl der Maschine unabhängig von dem eingestellten Verdichtungsgrad konstant hält.

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