DE1428277C3 - Zweistufiger Schraubenverdichter der Tandembauart - Google Patents
Zweistufiger Schraubenverdichter der TandembauartInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf zweistufige Schraubenverdichter der Tandembauart, deren in Achsrichtung
hintereinander liegende Stufen je einen Schraubenrippenrotor und einem damit in Eingriff befindlichen
Schraubennutenrotor mit mehr Nuten enthalten, als der zugehörige Schraubenrippenrotor Rippen besitzt, wobei
die Rotoren der einen Stufe mit den Rotoren der anderen Stufe paarweise koaxial zueinander angeordnet
sind und der Schraubenrippenrotor der zweiten Stufe mit einem dazu koaxialen Rotor der ersten Stufe
zur Bildung einer Rotoreinheit undrehbar verbunden ist, die mit einer aus dem Verdichtergehäuse herausragenden
Antriebswelle zur Koppelung mit einer Antriebsmaschine versehen ist.
Die unterschiedliche Anzahl von Rippen und Nuten an den ineinandergreifenden Rotoren kommt bei
derartigen Verdichtern ebenso wie bei einstufigen Verdichtern durch das Bestreben zustande, die Außendurchmesser
der Rotoren mit Rücksicht auf di< Ausbildung des Verdichtergehäuses wenigstens angenä
hert gleichgroß zu wählen. Da die Rippen eine Rippenrotors im wesentlichen außerhalb des zugehöri
gen Teilkreises und die Nuten eines Nutenrotors irr wesentlichen innerhalb des zugehörigen Teilkreise;
liegen, führen auch nur angenähert gleichgroße Außendurchmesser zwangsläufig zu unterschiedlich
großen Teilkreisdurchmessern und damit zu einer ίο höheren Anzahl von Nuten des Nutenrotors, als de!
Rippenrotor Rippen aufweist, mit der Folge, daß der Rippenrotor wesentlich schneller als der zugehörige
Nutenrotor dreht.
Des weiteren ist es in Hinblick auf den Gesamtwirkungsgrad eines zweistufigen Verdichters wünschenswert,
daß die Verdichtungsverhältnisse in den beiden Stufen wenigstens angenähert gleich sind. Wenn der
Verdichter ein Gesamt-Verdichtungsverhältnis von beispielsweise 9 :1 hat, sollte das Verdichtungsverhältnis
einer jeden Stufe also annähernd 3 :1 betragen. Dies bedeutet unter Berücksichtigung der dabei auftretenden
thermodynamischen Vorgänge, daß das Ansaugvolumen (Einlaßvolumen) der ersten Stufe etwa das 2,5fache
derjenigen der zweiten Stufe betragen muß. Andererseits besteht für Schraubenverdichter, gleich welcher
Ausführung, ein optimales Verhältnis zwischen Rotorlänge und Rotordurchmesser in bezug auf den
Wirkungsgrad, das demgemäß bei einem zweistufigen Schraubenverdichter sowohl in der ersten als auch in
der zweiten Stufe angestrebt werden sollte. Es leuchtet jedoch ein, daß diese Bedingung der zuvor erwähnten
Forderung nach gleichen Einzelverdichtungsverhältnissen zuwiderläuft.
Bei einem bekannten zweistufigen Schraubenverdichter der eingangs genannten Art sind die Schraubenrippenrotoren zum gemeinsamen Antrieb über eine aus dem Verdichtergehäuse herausragende Stummelwelle drehfest miteinander verbunden, während die Rippen- und Nutenrotoren in den beiden Stufen jeweils in Form und Größe die gleichen Profile aufweisen (s. US-PS 30 74 624). Nach den Zeichnungsfiguren dieser Patentschrift beträgt das Längen/Durchmesser-Verhältnis der ersten Stufe 2,0 :1 und das der zweiten Stufe nur 0,8 :1. Aus Gründen der Festigkeit der Rotoren, des Verhältnisses zwischen der Lecklinienlänge und dem Förderyolumen sowie einer vollständigen Füllung der Rotornuten bzw. Rotorrippenzwischenräume sollten die Längen/ Durchmesser-Verhältnisse der Rotoren jedoch innerhalb eines Bereichs von etwa 1:1 bis 1,8 :1 liegen.
Bei einem bekannten zweistufigen Schraubenverdichter der eingangs genannten Art sind die Schraubenrippenrotoren zum gemeinsamen Antrieb über eine aus dem Verdichtergehäuse herausragende Stummelwelle drehfest miteinander verbunden, während die Rippen- und Nutenrotoren in den beiden Stufen jeweils in Form und Größe die gleichen Profile aufweisen (s. US-PS 30 74 624). Nach den Zeichnungsfiguren dieser Patentschrift beträgt das Längen/Durchmesser-Verhältnis der ersten Stufe 2,0 :1 und das der zweiten Stufe nur 0,8 :1. Aus Gründen der Festigkeit der Rotoren, des Verhältnisses zwischen der Lecklinienlänge und dem Förderyolumen sowie einer vollständigen Füllung der Rotornuten bzw. Rotorrippenzwischenräume sollten die Längen/ Durchmesser-Verhältnisse der Rotoren jedoch innerhalb eines Bereichs von etwa 1:1 bis 1,8 :1 liegen.
so Wenn demgegenüber die Längen/Durchmesser-Verhältnisse
wie bei dem vorerwähnten bekannten Schraubenverdichter stark außerhalb dieser Grenzen
liegen, geht dies verständlicherweise zu Lasten des Wirkungsgrades jeder Einzelstufe und damit umsomehr
zu Lasten des Gesamtwirkungsgrades des zweistufigen Verdichters.
Bei einem anderen bekannten Schraubenverdichter der eingangs genannten Art (s. US-PS 29 75 693) sind
die Rippenrotoren der beiden Stufen aus einem einzigen Stück gefertigt und über eine gemeinsame Antriebswelle
von einer Antriebsmaschine her antreibbar. Die Steigung der Rippen ist in beiden Stufen identisch, und
die Rotorprofile sind in beiden Stufen in der Grundausbildung gleich. Die Nutenstege des Nutenrotors
der ersten Stufe sind jedoch mit radial über dem Teilkreis vorstehenden Ansätzen und die zugehörigen
Rippenzwischenräume mit entsprechenden radial innerhalb des Teilkreises liegenden Ausnehmungen versehen.
Dadurch wird erreicht, daß das Fördervolumen der ersten Stufe bei gleicher Rotorlänge der beiden Stufen
größer als das der zweiten Stufe ist, womit das Verhältnis zwischen den Rotorlängen der verschiedenen
Stufen vermindert und dadurch das Längen/Durchmesser-Verhältnis jeder Stufe dem genannten optimalen
Bereich besser angepaßt werden kann. Indessen bringen der große Ansatz jedes Nutensteges und der
kleine Umschlingungswinkel von etwa 170° jeder Rippe der ersten Stufe einen schlechten volumetrischen
Wirkungsgrad dieser Stufe mit sich, wodurch auch der Gesamtwirkungsgrad des zweistufigen Verdichters
wesentlich herabgesetzt wird.
Ferner sind die auf die Rotoren der beiden Stufen wirkenden Axialkräfte gleichgerichtet, was erhebliche
Lagerprobleme mit sich bringt
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, mit einem zweistufigen Verdichter der eingangs
genannten Art das gewünschte Verdichtungsverhältnis (von beispielsweise 9:1) zu erreichen, ohne die
Verdichterstufen mit zueinander extrem unterschiedlichen, für die Erzielung eines guten Wirkungsgrades
schädlichen Längen/Durchmesser-Verhältnissen für die
Rotoren in den beiden Stufen ausbilden zu müssen, ohne dazu die Profile der Schraubenrotoren in der ersten
Verdichtungsstufe durch kopfleistenartige Ansätze am Schraubennutenrotor und entsprechende kleine Vertiefungen
am Boden der Rippenzwischenräume des Schraubenrippenrotors oder sonstige abweichende
Ausbildung von der einfachen Normalform verändern zu müssen und dabei schließlich noch einen guten
gegenseitigen Ausgleich der Axialschübe der Rotoren zu erhalten.
Versuche haben gezeigt, daß der günstigste Wirkungsgrad, insbesondere bei einem Schraubenverdichter
mit Flüssigkeitseinspritzung, dann erhalten wird, wenn die Kopfkreisgeschwindigkeit des Schraubenrippenrotors
etwa 20 m/s beträgt Der Wirkungsgrad nimmt mit zunehmender Kopfkreisgeschwindigkeit
verhältnismäßig langsam ab, während er mit sinkender Kopfkreisgeschwindigkeit beträchtlich stärker abfällt.
Die Wirkungsgrade sind daher für Kopfkreisgeschwindigkeiten von beispielsweise 40 m/s und 15 m/s die
gleichen, was bedeutet, daß es möglich ist, einen solchen Schraubenverdichter über einen verhältnismäßig weiten
Bereich der Kopfkreisgeschwindigkeiten mit annehmbaren Wirkungsgrad zu betreiben.
Die Erfindung macht sich diese Erkenntnisse zunutze und löst die vorstehende Aufgabe dadurch, daß der
Schraubenrippenrotor der zweiten Stufe mit dem Schraubennutenrotor der ersten Stufe undrehbar
verbunden ist, während der Schraubennutenrotor der zweiten Stufe und der Schraubenrippenrotor der ersten
Stufe frei zueinander drehbar sind.
Durch die undrehbare Verbindung des Schraubenrippenrotors
der ersten Stufe mit dem Schraubennutenrotor der zweiten Stufe bei freier Drehbarkeit der übrigen
beiden Rotoren wird erreicht, daß die Rotoren der
ersten Stufe schneller drehen als die der zweiten Stufe und dadurch das Einlaßvolumen der ersten Stufe im
Verhältnis zu dem der zweiten Stufe entsprechend erhöht wird. Auf diese Weise ist es möglich, das
erwünschte Volumenverhältnis zur gleichen Zeit mit einem Längen/Durchmesser-Verhältnis für die Rotoren
einer jeden Stufe zu erhalten, das im optimalen Bereich liegt. Bei den bisher bekannten zweistufigen Schraubenverdichtern
war es aus Konstruktionsgründen unmöglich, verschiedene Drehzahlen in den beiden Stufen zu
erhalten, weshalb es auch unmöglich war, die Rotoren in gewünschter Weise zu dimensionieren.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit einem in der Zeichnung dargestellten bevorzugten
Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 einen horizontalen Längsschnitt durch einen zweistufigen Kompressor und
F i g. 2 einen Querschnitt durch die Rotoren dieses Kompressors nach der Linie 2-2 in F i g. 1.
Der in F i g. 1 gezeigte zweistufige Schraubenverdichter weist ein Gehäuse 62 auf, dessen Mantelwandung
zwei Arbeitskammern 64,66 umschließt, von denen jede
im wesentlichen aus zwei einander schneidenden zylindrischen Bohrungen mit parallelen Achsen besteht,
wobei diese beiden Arbeitskammern durch eine Trennwand 68 voneinander getrennt und an den
äußeren Enden durch Endwände 82, 86 abgeschlossen sind. Die die beiden Arbeitskammern 64, 66 bildenden
Bohrungen liegen paarweise koaxial zueinander und sind sämtlich mit ein und demselben Durchmesser
ausgebildet. Das Gehäuse 62 enthält ferner einen Niederdruckkanal 70 für das zu verdichtende Fördergas,
der über einen Niederdruckeinlaß 72 zur Niederdruckarbeitskammer 64 führt, einen Zwischendruckauslaß 74
der von der Niederdruckarbeitskammer 64 zu einem bis in die Endwand 86 reichenden Zwischendruckkanal 76
führt und dort über einen Zwischendruckeinlaß 78 in die Hochdruckarbeitskammer 66 mündet, und einen Hochdruckauslaß
80, der die Hochdruckkammer 66 mit einem nicht dargestellten Hochdruckkanal verbindet Bei dem
dargestellten Verdichter ist der Niederdruckeinlaß 72 in seiner Gesamtheit in der Endwand 22 der Niederdruckarbeitskammer
64 angeordnet. Der Zwischendruckauslaß 74 befindet sich in nicht gezeigter Weise zum Teil in
der Trennwand 68 und zum Teil in der Mantelwandung. 84 der Niederdruckarbeitskammer 64. Der Zwischendruckeinlaß
78 befindet sich in seiner Gesamtheit in der Endwand 86 der Hochdruckarbeitskammer 66, während
der Hochdruckauslaß 80 in nicht gezeigter Weise auf die Trennwand 68 und die Mantelwandung 88 der
Hochdruckarbeitskammer 66 verteilt ist
Die Niederdruckarbeitskammer 64 nimmt zwei zusammenwirkende Rotoren, nämlich einen Schraubenrippenrotor
90 und einen Schraubennutenrotor 92 auf, deren Achsen mit den Bohrungsachsen zusammenfallen.
Die Rotoren 90, 92 sind in Lagern innerhalb des Gehäuses 62 gelagert, die der Einfachheit halber nur als
Lagerbuchsen dargestellt sind. Der Schraubennutenrotor 92 ist mit einer durch die Endwand 82 aus dem
Gehäuse 62 herausragenden Stummelwelle 94 und mit einer Torsionswelle % versehen, welch letztere sich
durch die Trennwand 68 und die Hochdruckarbeitskammer 66 erstreckt
Der Schraubenrippenrotor 90 trägt vier von Zwischenräumen
40 getrennte schraubenförmige Rippen 38, deren Umschlingungswinkel etwa 300° beträgt Der
Schraubennutenrotor 92 enthält sechs von Stegen 42 getrennte schraubenförmige Nuten, deren Umschlingungswinkel
etwa 200° beträgt. Die achsfernen Zonen 48 der Stege 42 liegen radial außerhalb des Teilkreises
46 des Schraubennutenrotors 92, und der Schraubenrippenrotor 90 ist in den achsnahen Zonen der
Rippenzwischenräume 52 mit entsprechenden Vertiefungen 52 versehen, die innerhalb des Teilkreises 50 des
Schraubenrippenrotors 90 liegen.
In der Hochdruckarbeitskammer 66 befinden sich
ebenfalls zwei zusammenwirkende Rotoren, nämlich ein Schraubenrippenrotor 98 und ein Schraubennutenrotor
100, von denen der Schraubenrippenrotor 98 koaxial zu dem Schraubennutenrotor 92 in der Niederdruckarbeitskammer
64 liegt und mit diesem über die Torsionswelle 96 undrehbar verbunden ist, während der
Schraubennutenrotor 100 koaxial zu dem Schraubenrippenrotor in der Niederdruckarbeitskammer 64 angeordnet
ist, aber gegenüber diesem frei drehbar ist. Die Rotoren 98 und 100 sind in dem Gehäuse 62 in der
gleichen Weise wie die Rotoren 90 und 92 gelagert, wobei auch diese Lager wiederum nur als Lagerbuchsen
dargestellt sind.
In der Mantelwandung der Arbeitskammern 64,66 ist eine Vielzahl in öleinspritzkanälen vorgesehen, deren
öffnungen in bekannter Weise jeweils an der Verschneidungslinie zwischen den beiden die Arbeitskammer
bildenden Gehäusebohrungen liegen, was aber in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Dadurch kann aus
einer nicht gezeigten Druckölquelle gefördertes öl zur Schmierung und Kühlung in die Arbeitskammern
eingespritzt werden.
Die Schraubenrippenrotoren 90 und 98 weisen gleichgestaltete und gleichgroße Profile auf. Ebenso
sind die Profile der Schraubennutenrotoren 92 und 100 gleichgestaltet und gleichgroß. Das Verhältnis von
Länge zu Durchmesser des Schraubenrippenrotors beträgt in der Niederdruckstufe etwa 1,75 :1 und in der
Hochdruckstufe 1,05 :1 an Stelle von z. B. 2,0 :1 bzw.
0,8 :1 bei einem entsprechenden Schraubenverdichter herkömmlicher Ausführung, bei welchem die beiden
Schraubenrippenrotoren undrehbar miteinander verbunden sind. Trotzdem ist das Verhältnis zwischen den
Volumenkapazitäten in den beiden Druckstufen das
ίο gleiche wie bei dem entsprechenden Verdichter
herkömmlicher Ausführung, weil die Rotoren der ersten Druckstufe infolge des Antriebs über den Schraubennutenrotor
im Verhältnis 1,5 :1 schneller drehen als die Rotoren der zweiten Druckstufe, die bekannterweise
über den Schraubenrippenrotor angetrieben werden. Dieses Drehzahlverhältnis ist ausschließlich von den
gewählten Rotorprofilen und damit der Anzahl der Rippen und Nuten abhängig und kann geändert werden.
Das günstigste Verhältnis zwischen den Volumenkapazitäten der beiden Druckstufen kann in Abhängigkeit
von den Eigenschaften der verschiedenen Fördergase unterschiedlich über alle Druckverhältnisse und Druckdifferentiale,
sowie in Abhängigkeit der Menge des eingespritzten Öls und dessen Verteilung zwischen den
Stufen variieren.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Zweistufiger Schraubenverdichter der Tandembauart, deren in Achsrichtung hintereinander liegende
Stufen je einen Schraubenrippenrotor und einen damit in Eingriff befindlichen Schraubennutenrotor
mit mehr Nuten enthalten als der zugehörige Schraubenrippenrotor Rippen besitzt, wobei die
Rotoren der einen Stufe mit den Rotoren der anderen Stufe paarweise koaxial zueinander angeordnet
sind und der Schraubenrippenrotor der zweiten Stufe mit einem dazu koaxialen Rotor der
ersten Stufe zur Bildung einer Rotoreinheit undrehbar verbunden ist, die mit einer aus dem Verdichtergehäuse
herausragenden Antriebswelle zur Koppelung mit einer Antriebsmaschine versehen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schraubenrippenrotor (98) der zweiten Stufe mit dem
Schraubennutenrotor (92) der ersten Stufe undrehbar verbunden ist, während der Schraubennutenrotor
(100) der zweiten Stufe und der Schraubenrippenrotor (90) der ersten Stufe frei zueinander
drehbar sind.
2. Schraubenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Achsabstand zwischen den
Schraubenrotoren in beiden Verdichtungsstufen der gleiche ist.
3. Schraubenverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein jeder Rotor der
einen Stufe (90, 92) den gleichen Durchmesser hat wie der dazu koaxiale Rotor (98, 100) der anderen
Stufe.
4. Schraubenverdichter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Schraubenrippenrotoren
(90,98) als auch die Schraubennutenrotoren (92, 100) beider Verdichtungsstufen untereinander
die gleichen Profile aufweisen.
5. Schraubenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schraubennutenrotor
(92) der ersten Stufe und der Schraubenrippenrotor (98) der zweiten Stufe miteinander
durch eine Torsionswelle (96) verbunden sind.
6. Schraubenverdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren (90,92,98,100) der
verschiedenen Verdichtungsstufen in vollständig voneinander getrennten Lagern gelagert sind.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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ID=20299074
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |