DE1428244A1

DE1428244A1 - Vorrichtung zur Gegenwirkung der Axialkraefte in einer Drehkolbenmaschine

Info

Publication number: DE1428244A1
Application number: DE1962S0082168
Authority: DE
Inventors: Schibbye Benedictus Lauritz
Original assignee: Svenska Rotor Maskiner AB
Current assignee: Svenska Rotor Maskiner AB
Priority date: 1961-11-08
Filing date: 1962-10-24
Publication date: 1969-02-06
Also published as: DE1428244C3; GB1026165A; DE1428244B2

Description

, . Der Patentanwalt

Dipl.IngοΕ.Jourdan

Prankfurt/Main Kronbergerstr. 46

In Sachem

Bvenska Rotor. Maskiner AB Naeka / Schweden 1428244 Patentanmeldung

VORRICHTUNG ZUR GEGENWIRKUNG DER AXIALKRÄFTE IN EINER DREHKOLBENMASCHINE .

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine

besondere Art von Drehkolbenmaschinen zur Kompression oder Expansion eines gasförmigen Mediums. Diese Art von Maschinen besteht aus einem Gehäuse mit einander schneidenden Bohrungen, deren ^ Achsen in derselben Ebene liegen, welche Bohrungen zusammen mit Abschlusswände einen Arbeitsraum bilden. Das Gehäuse hat einen Niederdruckdurchlass, dessen grösste Teil an einer Seite der genannten Ebene der Achsen gelegen ist und einen Hochdruckdurchlass, dessen grösste Teil an der entgegengesetzten Seite der genannten Ebene gelegen ist. Der Nxederdruckdurchlass steht in Verbindung mit einem Ende des Arbeitsraumes und der Hochdruckdurchlass steht in Verbindung mit der entgegengesetzten Ende des Arbeitsraumes. Diese Maschine, ist mit Rotoren versehen, die schraubenförmigen Rippen und dazwischenliegenden Nuten haben, deren Verdrehungswinkel, d.h. die gesamte Verdrehung der Rippenfläche auf der Rotorlänge, kleiner ist als 360°. Die Rotoren sind in der Bohrungen drehbar gelagert und bestehen aus männlichen und weiblichen Rotoren. Der männliche Rotor hat Rippen mit zum grössten Teil konvex geformten Flanken, die hauptsächlich ausserhalb des Teilkreises des Rotors liegen. Der weibliche Rotor hat Rippen mit zum gröseten Teil konkav geformten Flanken, die hauptsächlich innerhalb des Teilkreises des Rotors liegen.

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Die Rippen und Nuten der Rotoren greifen in einander ein um mit den zusammenwirkenden Wänden des Gehäuses abgeschlossene V-förmige Kammern zu bilden. Jede von den Kammern besteht aus einem Teil einer männlichen Rotornute und einem Teil einer damit kommunizierenden weiblichen Rotornute. Die Schenkelenden dieser Kammern sind stets in der Ebene der Hochdruckabschlusswand gelegen, und die Spitzen sind von dem Eingriff zwischen den Rippen der Rotoren definiert. Die Spitzen bewegen sich axial im Verhältnis zu der Hochdruckabschlusswandebene während der Umdrehung der Rotoren wobei das Volumen von jeder V-geförmten Kammer sich verändert. Während dieser Umdrehung kommt einer nach dem anderen von den Kammern in einer bestimmten Winkellage von den Rotoren in Verbindung mit dem Hochdruckdurchlass und ferner haben die Kammern Nullvolumen wenn ihre Spitzen sich in der Hochdruckabschlusswandeber.e befinden. Die Maschine ist weiter mit Vorrichtungen ausgestattet um den Arbeitsraum mit Flüssigkeit zwecks der Abdichtung von dem Umkreis des Arbeitsraumes und der Kühlung dessen Inhalts zu versehen.

In den betreffenden Maschinen sind die Rotoren von axialen Kräften wegen des Druckunterschieds zwischen dem Hochdruckdurchlass und dem Niederdruckdurchlass beeinflusst. Insbesondere der männlichen Rotor wird wegen der Gesteltung der Rippen von grossen Kräften beeinflusst. Die Axialkräfte machen einerseits die Fixierung der Rotoren im Verhältnis zu dem Gehäuse und andererseits die Übertragung der Kräfte von ,den Rotoren zu dem Gehäuse erforderlich,

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Die Vorrichtungen, die die Rotoren im Verhältnis zu dem Gehäuse fixieren, müssen ein minimales Axialspiel haben um bestmöglichste Leistung zu ermöglichen.

Der Spalt zwischen der Hochdruckabschlusswand und den Hochdruckenden der Rotoren stellt nähmlich einen Kanal zwischen den Nutenteilen in Verbindung mit dem Hochdruckdurchlass, bzw. dem Niederdruckdurchlass dar, so dass ein zu grosser Spalt Undichtigkeitsverluste von bedeutender Grosse verursacht. Aus diesem Grunde ist es sehr wichtig den Spalt zwischen den Rotorenden und f der Abschlusswand möglichst klein zu halten. Die Breite des Spaltes beruht in erster Linie auf das Axialspiel und der Elastizität der Axiallager. Die Lagerart ist demnach von sehr grosser Bedeutung. Der Spalt darf aber nie zu null abnehmen da direkt mechanischer Kontakt eine grosse Gefahr für ernsthafte Beschädigungen der Maschine ausmacht.

Es ist auch aus einem anderen Grunde von grosser Bedeutung dass jedes Axiallager von solcher Art ist, dass sein Axialspiel und sine Elastizität klein sind. Dieser anderen Grund λ ist die Gefahr dass die verschiedenen Rotoren unter einer bestimmten Belastung verschiedenen Axiallagen einnehmen oder in axialen Schwingungen geraten, was, infolge der schraubenförmigen Rippen, Stöhrungen in der peripheriellen, winkelregulierenden Synchronisierung bedeutet. Da die Winkellage der Rotoren in der Regel von einer speziellen Synchronisiervorrichtung bestimmt ist, kann demnach Gefahr des Festfressens der Rotoren entstehen, weshalb das Axialspiel zwischen den Rotoren eine gewisse Guusse mit Rücksicht auf die Stöhrungen in der Synchronisierung wegen

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der axialen Bewegungen erfordert. Da* ein kleines Spiel zwischen den Rotoren in Hinsicht auf den Wirkungsgrad wünschenswert ist, ist es auch aus diesem Grunde wichtig die Art von Lagern mit dem kleinstmöglichen Axialspiel zu wählen.

Wie aus dem Obigen hervorgeht ist es für die Funktion der Maschine von äusserster Bedeutung in Hinsicht sowohl auf die Gefahr mechanischer Beschädigungen als auch auf den Wirkungsgrad, dass eine genaue Fixierung der Rotoren erreicht wird, Dieses Erfordernis kann unter Benutzung von Gleitlagern nicht erfüllt werden, da diese Lagerart ein relativ grosses Spiel* um mechanische Zuverlässigkeit zu erzielen, erfordert. Ausserdem nehmen die Lagerverluste bei dieser Lagerart mit abnehmendem Spiel sehr kräftig zu.

Wenn dagegen Wälzlager verwendet werden, kann ein sehr kleines Axialspiel, oder praktisch Nullspiel, erreicht werden. Ausserdem treten keine Zunahme der Lagerverluste mit Abnahme des Spiels auf, wie bei Gleitlagern der Fall ist.

Wälzlager können aber bei gegebenen Dimensionen so nicht konstruiert werden, dass sie mit erforderlicher Lebensdauer gleich grosse Kräfte wie Gleitlager aufnahmen können, weshalb trotz den damit verknüpften Nachteilen wegen des zunehmenden Lagerspiels und der zunehmenden Lagerverluste es in vielen Pillen unvermeidlich gewesen ist. Gleitlager als Axiallager in Maschinen von vorliegender Art zu verwenden.

In Maschinen mit grossem Druckunterschied zwischen dem Hochdruckdurchlass und dem Niederdruckdurchlass ist es besonders wichtig die auf die Lager wirkende Axialkräfte zu beschränken. Solche Maschinen können entweder mit verhältnismässi'g hohem Druck*

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an der Niederdruckseite und ein normales Druckverhältnis d.h. ein Niederdruck höher als der Atmosphärendruck und ein Druckverhältnis von 2:1 bis **:1, oder mit dem Atmosphärendruck an der Niederdruckseite und ein hohes Druckverhältnis z.B. höher als **:1 arbeiten. Ein typischer Vertreter der letzten Maschinenart ist ein Kompressor mit Flüssigkeiteinspritzung und einem Druckverhätnis von 8:1. Die Axialkräfte in solchen Maschinen sind so gross, dass falls ganz von Axialwälzlagern, Rollerlager oder Kugellager, aufgenommen diese eine genügende Lebensdauer nicht erreichen " können da die verwendbaren Lagergrösse von den Teilkreisen der Rotoren und somit der Wellenabstand und maximaler Lagerdurchmesser begrenzt sind. Es ist deshalb notwendig, falls die Lager die ganze von des Arbeitsmitteldruck entstandene Axialkräfte aufnehmen sollen, Gleitlager statt Wälzlager zu verwenden, obwohl Gleit-

grössere/

lager laut des Obigen erheblich grösseres Axialspiel und/Lagerverluste als Wälzlager geben.

Gegenstand dieser Erfindung ist die möglichst vollständige Elimination der oben genannten Schwierigkeiten. Gemäss ä der Erfindung wird das Problem dadurch gelöst, dass wenigstens die Welle des männlichen Rotors mit einer Vorrichtung zur Belastung der Welle mit einer Kraft, die der von dem Arbeitsmitteldruck entstandenen Axialkraft entgegenwirkt. Durch geeignete Form und Grosse der Vorrichtung kann eine geeignete Grosse der ent-

° gegenwirkenden Kraft erreicht werden, so dass Wälzlager mit er-Q forderlicher Lebensdauer verwendet werden können. Besondere Vor-

>n» teile werden erreicht wenn die von dem Arbeitsmitteldruck während

—* des Betriebes entstandene Axialkraft fast vollständig von der oo *

Kraft von dem Vorrichtungsdruck entstanden, Kipaft aufgehoben wird. Dadurch kann das Axiallager nähmlich aus einem kleinen, einfachen

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und billigen Standardwälzlager mit kleinen Verlusten, in dem die Federung wegen der kleinen, fast vollständig eliminierten, auf das Lager wirkenden Kraft, bestehen. Durch Ausführung der Vor-

richtung so, dass die von der Vorrichtung entstandene Kraft ein wenig grosser als die von dem Arbeitsmitteldruck entstandenen Kraft ist, wird ausserdem erreicht, dass der Rotor das Axiallager in ein und derselben Richtung die ganze Zeit belastet, wodurch jede Einwirkung des Lagerspiels eliminiert wird.

Es hat sich besonders zweckmässig erwiesen die Vorrichtung als einen Kolben, von Flüssigkeit unter Druck beeinflusst, welcher an dem Rotor axial befestigt und in einäP Druckkammer in dem Gehäuse eingeschlossen ist, auszuführen. Diese Druckkammer

muss, um den Druck der Flüssigkeit und somit die Grosse der Axialkraft kontrollieren zu können, mit Dichtungen zu den übrigen Teilen des Gehäuses versehen sein. Unter der Voraussetzung dass die Flüssigkeit aus Schmieröl besteht, ist es möglich, die von der Druckkammer ausleckende Flüssigkeit zu der Schmierung der nebenliegenden Lager zu verwenden, wodurch eine besondere ölzufuhr zu diesen vermeidet werden kann. In Maschinen, für Flüssigkeiteinspritzung gebaut, kann die Druckkammer vorteilhafterweise so im Verhältnis zu dem Arbeitsraum angebracht sein, dass die dazwischen leckende Flüssigkeit die Welle des Rotors zu dem Spalt

zwischen der Hochdruckabschlusswand des Arbeitsraumes und dem cd
ο Hochdruckende des Rotors folgt,' um eine verbesserte Dichtung

dieses Spielraumes zustande zu bringen«,

^ Die besondere Ausführung der Vorrichtung gemäss der

-j Erfindung bringt weitere Vorteile mit sich. Ausser erheben der,

co von der Arbeitsmittel entstandene, Axialkräfte wird auch eine Verminderung der Breite des Spalts zwischen der Hochdruckabschluss-

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wand und den Hochdruckenden der Rotoren erreicht. Wegen des Druckunterschiedes leckt Druckflüssigkeit die Welle von der Druckkammer zu der Endebene der Rotoren entlang. Die Leckflüssigkeit dient als eine Flüssigkeitdichtung gegen Gasleckage durch den Spalt. Hierdurch wird also eine Verbesserung der Dichtung wegen drei verschiedener Faktoren erreicht, nämlich, teils Verminderung der Spaltbreite wegen der Vorrichtung, teils Flüssigkeitdichtunggegen Gasleckage durch den Spalt in der Transversalebene der Rotoren, teils Flüssigkeitdiehtung gegen Gasleckage die Rotorwelle ' von dem Arbeitsraum zu dem Lagergehäuse entlang.

Die Effektverluste, von solch einem rotierenden Kolben verursacht, sind sehr klein, da es zwischen dem rotierenden Kolben und dem Gehäuse ein grosses Spiel gibt ausser an der Dichtungen, welche aber kleine Flächen haben, weil sie als Labyrinthdichtungen gemacht sind.

Die Erfindung wird im folgenden mehr ausführlich mit Hinweis auf das in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiel beschrieben werden. Es zeigt. ä

Fig. 1 einen Längsschnitt nach Linie 1-1 der Fig. 2 durch einen Kompressor gemäss der Erfindung.

Fig. 2 einen Querschnitt nach Linie 2-2 der Fig. 1.

Der gezeigte Kompressor weist einen männlichen Rotor und einen damit zusammenwirkenden weiblichen Rotor 12 mit schrauben· förmigen Rippen und dazwischenlxegenden Nuten auf. Der Grosste Teil jeder Rippe des männlichen Rotors 10 liegt ausserhalb des Teilkreises des Rotors und hat hauptsächlich konvexen Querschnitt. Der grösste Teil jeder Rippe des weiblichen Rotors 12 liegt innerhalb des Teilkreises des Rotors und hat hauptsächlich konkaven

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Querschnitt. Der Verdrehungswinkel jeder Rippe ist kleiner als 360O.

Die Rotoren 10, 12 sind in einem Gehäuse mit einem Mantelflächenteil 14 und mit Abschlusswände 16 und 18, die zusammen einen, hauptsächlich aus zwei sich schneidenden Bohrungen bestehenden, Arbeitsraum bilden,drehbar gelagert. Der Arbeitsraum ist mit einem Niederdruckdurchlass 22 und einem Hochdruckdurchlass 24 versehen. Der männlichen Rotor ist mit einem aus der Abschlusswand 16 hinausragenden Zapfen 26 versehen, der für die Verbindung mit einem nicht gezeigten Treibmotor beabsichtigt ist. Der männliche Rotor ist ferner in der Abschlusswand 18 mittels eines Rollenlagers 28 und in der Abschlusswand 16 mittels eines Rollenlagers 30 und eines Kugellagers 32 gelagert, wobei die Rollenlager 28 und 30 nur reine Radialkräfte und das Kugellager 32 einen beschränkten Axialkraft aufnehmen.

Der Kompressor ist ferner mit einem Einlass 34 zu einem Speicher 36 für Hochdruckflüssigkeit versehen. Die Flüssigkeit ist" von dem Speicher 36 zu dem Arbeitsraum 20 durch eine Anzahl von Schlitzen 38 die längs der Schnittlinie 40 zwischen der beiden Bohrungen des Arbeitsraumes angeordnet sind, eingespritzt.

In der Abschlusswand 16 ist ferner ein Einlass für Hochdrucköl zu einer ringsum dem Wellenzapfen 26 angeordneten ringförmigen Kammer 44 angeordnet. Die Kammer 44 ist von dem Arbeitsraum 20 mittels einer Labyrinthdichtung.und von dem Gehäuse mittels eines ringförmigen Kolbens 48, der den Innerring des Kugellagers 32 in axialer Richtung anliegt, abgedichtet.

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Ein Kompressor von dieser Art mit Flüssigkeiteinspritzung kann in an sich bekannter Weise für hohe Druckverhältnisse wegen der kühlenden und dichtenden Wirkung der Flüssigkeit verwendet werden. Wegen des hohen Druckverhältnxsses sind die, besonders auf dem männlichen Rotor wirkende von der Arbeitsmittel entstandenen Axialkräfte gross. Durch Zufuhr von Druckflüssigkeit nicht nur zu dem Speicher 36 für Einspritzung in den Arbeitsraum 20 sondern auch zu der Kammer 44 des Kompressors wird der Kolben 48 mit einer Kraft belastet, die die von der Arbeitsmittel ent- i standene auf den Rotoren wirkende Axidkraft entgegengerichtet ist. Wegen der Labyrinthdichtung 46 gegen den Arbeitsraum 20 kann die Leckage zu de» Raum 20 begrenzt und der Druck in der Kammer 44 fixiert werden, was in Kombination mit geeigneten Dimensionen der Fläche des Kolbens eine Möglichkeit &ibt die von der Druckflüssigkeit entstandene Axialkraft so anzupassen dass die Axialkräfte die auf dem Innerring des Lagers wirken einander grösstmöglicherweise aufhaben. In dieser Weise wird die Axialkraft des Rotors aufgenommen, bevor sie auf die Axiallager des Rotors gewirkt hat, wobei ein Wälzlager, das als Axiallager verwendet wird, eine ausreichende Lebensdauer erhalten wird, was mit sich bringt dass die gute Eigenschaften dieses Lagers betreffend Reibungsverluste und Axialspiel trotz den grossen auf die Rotoren wirkenden Kräften, völlig ausgenützt werden können.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern umfasst alles was innerhalb des Rahmens der beigefügten Patentansprüche liegt. Besonders kann darauf hingewiesen werden, obwohl es nicht gezeigt worden ist, dass Vorrichtungen von der gezeigten Art selbstverständlich auch in Expansionsmatehimm Verwendung finden könner·.

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Claims

Ans prüche

Drehkolbenmaschine zur Kompression oder Expansion eines gasförmigen Mediums, bestehend aus einem Gehäuse in dem einander schneidende Bohrungen, deren Achsen in derselben Ebene liegen, zusammen mit Abschlusswände einen Arbeitsraum bilden, der mit einem Niederdruckdurchlass, dessen grösste Teil an einer Seite der genannten Ebene der Achsen gelegen ist, und mit einem Hochdruckdurchlass dessen grösste⁵ Teil an der entgegengesetzten Seite der genannten Ebene gelegen ist, versehen ist, von denen der Niederdruckdurchlass in Verbindung mit einem Ende des Arbeitsraumes und der Hochdruckdurchlass in Verbindung mit der entgegengesetzten Ende des Arbeitsraumes steht, aus Rotoren mit schraubenförmigen Rippen und dazwischenliegenden Nuten deren Verdrehungswinkel, d.h. die gesamte Verdrehung der Rippenfläche auf der Rotorlänge, kleiner als 360° ist, welche Rjtoren in den Bohrungen drehbar gelagert sind und einen männlichen Rotor mit Rippen, deren Flanken zum grössten Teil konvex geformt und hauptsächlich ausserhalb des Teilkreises des Rotors gelegen sind, und einen weiblichen Rotor mit Rippen, deren Flanken zum grössten Teil konkav geformt und hauptsächlich innerhalb des Teilkreises des Rotors gelegen sind, umfassen, wftlche Rippen und Nuten in einander greiFan um mit den zusammenwirkenden Wänden des Gehäuses abgeschlossene V-geformte Kammern zu bilden, jede von denen aus einem Teil einer männlichen Rotornute und einem Teil einer damit konumuiLsierenden weiblichen Rotornute besteht, wobei die Schenkel»

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enden der Kammern stets in der Ebene der Hochdruckabschlusswand gelegen* sind und die Spitzen der Kammern die von dem Eingriff zwischen den Rippen der Rotoren definiert sind, im Verhältnis zu der Hochdruckabschlusswandebene sich bewegen während der Umdrehung der Rotoren so dass das Volumen jeder V-geförmten Kammer sich verändert, einer nach dem anderen von den Kammern in einer bestimmten Winkellage der Rotoren in Verbindung mit dem Hochdruckdurchlass kommt und die Kammern mit ihren Spitzen in der * Hochdruckabschlusswandebene Nullvolumen haben, und aus Vorrichtungen um den Arbeitsraum zwecke der Abdichtung von dem Umkreis des Arbeitsraumes und der Kühlung dessen Inhalts mit Flüssigkeit zu versehen dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der männlichen Rotor mit einer Vorrichtung versehen ist, die aus einem rings um der Welle des Rotors liegenden Druckraum, der von dem Arbeitsraum durch Dichtungen getrennt ist, aus einem Kolben, der an der Welle des Rotors gegen Bewegung in axialer Richtung von dem Arbeitsraum her befestigt ist, und dichtend sowhl zu dem Umkreis de'g Arbeitsraumes als auch zu der Welle des Rotors anliegt, und aus Vorrichtungen mit deren Hilfe der Druckraum mit Flüssigkeit unter \ Druck versehen wird, besteht.

2. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum und der Kolben symmetrisch rings um der Welle des Rotors liegen.

3. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben undrehbar in Verhältnis zu der Welle des Rotors fixiert ist.

·+. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Labyrinth-dichtung zwischen dem Kolben und der Wand des Druckraumes.

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5. Drehkolbenmaschine nach einem der Ansprüche X-ty, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit aus Schmieröl besteht-

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