DE2119475A1

DE2119475A1 - Zwei- oder mehrstufige Schraubenrotormaschine in Tandemanordnung

Info

Publication number: DE2119475A1
Application number: DE19712119475
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. 3251 Aerzen. P Wildenhof
Original assignee: Aerzener Maschinenfabrik GmbH
Current assignee: Aerzener Maschinenfabrik GmbH
Priority date: 1971-04-21
Filing date: 1971-04-21
Publication date: 1972-11-02
Also published as: FR2136544A5; IT954721B; DE2119475B2; SE383021B; DE2119475C3; GB1378539A; BE782461A

Description

DR. INO. E. HOFFMANN · DIPL. ING. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN

PATK NTANW ALT E D-8000 MDNCHEN 81 · ARABEUASTRASSE 4 ■ TELEFON (0811) 911087

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Aerzener Maschinenfabrik GmbH, in Aerzen bei Hameln

Zwei- oder mehrstufige Schraubenrotormaschine in Tandemanordnung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine zwei- oder mehrstufige Schraubenrotormaschine in Tandemanordnung zur Kompression oder Expansion eines Arbeitsmediums, die in jeder Stufe einen mit üblicherweise konvexen Zähnen ausgestatteten schraubenförmigen männlichen Hauptläufer besitzt, der mit einem, mit üblicherweise konkaven Nutenflanken ausgestatteten weib-

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lichen schraubenförmigen Nebenläufer in Eingriff steht, wobei jeweils ein Läufer jeder Stufe angetrieben ist.

Es ist bekannt, S chraubenr ο t ormas chinen zur Erzielung besserer Wirkungsgrade mehrstufig auszubilden, d.h. mit kleinen Druckdifferenzen arbeitende ßchraubenrotormaschinen hintereinander zu schalten. Dabei ist es üblich, die Hauptläufer der einzelnen Stufen über Turbogetriebe anzutreiben. Bei zweistufigen Schraubenrοtormaschinen beispielsweise werden die Zahnräder auf den Hauptläuferweilen der beiden Stufen von einem gemeinsamen A rbe its zahnrad angetrieben." ■

Weiterhin ist es üblich, die einzelnen Stufen einer Schraubenrotormaschine in Läuferachsrichtung hintereinander anzuordnen, d.h. eine sogenannte Tandemanordnung zu wählen. Da bei einer derartigen Anordnung die angetriebenen Läufer jeweils, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Kupplung, auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind, kann der Antrieb über ein einfaches Turbogetriebe erfolgen. Aufwendige Doppel- oder Mehrfachturbogetriebe entfallen, woraus sich neben fertigungstechnischen Vorteilen auch eine Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades der' Maschine^, ergibt. ^

Schraubenrotormasohinen werden ganz allgemein , entweder ohne oder mit öleinspritzung gebaut. Schraubenrotormaschinen ohne öleinspritzung, sogenannte Maschinen für "trockene Betriebsweise", können hochtouriger laufen als Maschinen mit öleinspritzung. Allerdings müssen bei Maschinen-mit trockener Betriebsweise die miteinander kämmenden Läufer über sogenannte Steuer- oder Synchronisierungszahnräder gekoppelt sein. Bei Maschinen mit öleinspritzung können diese Steuer- oder Synchronlsierungs-

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Zahnräder entfallen.

Zwei- oder mehrstufige.Schraubenrotormaschinen in Tandemanordnung haben ganz allgemein den Nachteil, dass sie sich für die sogenannte trockene Betriebsweise nicht eignen. Zu einer optimalen Auslegung ist es nämlich notwendig, dass der Hauptläufer der jeweiligen Folgestufe mit einer höheren Drehzahl läuft als der Haupt- . läufer der jeweils niederen Stufe. Man hat deshalb bereits zwischen die Stufen Zwischengetriebe geschaltet. Dies hat allerdings den Nachteil, dass die durch den Wegfall von aufwendigen Turbogetrieben bei der Tandemanordnung erzielte Wirkungsgraderhöhung durch das Zwischengetriebe völlig aufgezehrt wird.

Ein wesentlicher Faktor für die optimale Auslegung von Schraubenrotormaschinen ist das sogenannte Längen/Durchmesser-Verhältnis der Hauptläufer. So ist beispielsweise für eine druckseitig etwa 8 Atü (9 Ata) liefernde zweistufige Schraubenrotormaschine ein Längen/ Durchmesser-Verhältnis für den Hauptläufer der ersten Stufe von etwa 1,6 und ein Längen/Durchmesser-Verhältnis von etwa l,o für den Hauptläufer der zweiten Stufe anzu&treben. Daraus ergibt sich, dass bei optimaler Auslegung der Durchmesser des Hauptläufers der ersten Stufe ca. 1,25 mal grosser sein müsste als der Durehmesser des Hauptläufers der zweiten Stufe. Ebenso müsste die Drehzahl des Hauptläufers der zweiten Stufe ca. 1,25 mal höher sein als die Drehzahl des Hauptläufers der ersten Stufe.

Mit Tandemanordnungen der bekannten Art ist eine optimale Auslegung zur Erzielung eines höheren Wirkungs-

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grades nicht möglich. Zwar erbringen derartige Tandemanordnungen der bekannten Art für den Betrieb mit öleinspritzunggewisse Vorteile, sie sind jedoch für die sogenannte trockene Betriebsweise, also für den Betrieb mit hohen Drehzahlen, nicht geeignet. So sind beispielsweise bei Maschinen, in denen die Hauptläufer der ersten und der zweiten Stufe auf einer gemeinsamen Antriebswelle sitzen, die Umfangsgeschwindigkeiten der Hauptläufer beider Stufen und auch die der Nebenläufer gleich, jedoch dürfte die Läuferlänge der zweiten Stufe nur etwa 1/3 der Läuferlänge der ersten Stufe betragen. Damit werden jedoch die Längen/Durchmesser Verhältnisse der Hauptläufer sehr ungünstig. Günstige Längen/Durchmesser-Werte, wie 1,6 für den Hauptläufer der ersten und l,o für den Hauptläufer der zweiten Stufe können nicht gewählt werden. · .

Weiterhin sind Tandemanordnungen bekannt, bei denen der Nebenläufer der ersten Stufe zusammen mit dem Hauptläufer der zweiten Stufe auf einer gemeinsamen Antriebswelle sitzen. Dies bedeutet jedoch, dass der Hauptläufer der zweiten Stufe langsamer läuft als der Hauptläufer der ersten Stufe. Die Umfangsgeschwindigkeit des Hauptläufers der zweiten Stufe ist somit für die sogenannte trockene Betriebsweise zu klein. Der Vorteil für Anordnungen mit öleinspritzung ist, dass in die erste Stufe relativ wenig und in die zweite Stufe relativ viel öl eingespritzt werden kann, da die erste Stufe eine relativ grosse und die zweite Stufe eine relativ kleine Umfangsgeschwindigkeit aufweist.

Eine optimale Auslegung ist jedoch bei keiner der bisher bekannten Tandemanordnungen möglich.

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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine insbesondere für die trockene Betriebsweise geeignete Schraubenrotormaschine in Tande-manordnung zu schaffen, die bei fertigungstechnisch vorteilhaftem Aufbau und unter Verwendung üblicher Zahn- bzw. Nutenprofile für die Läu-. fer bei herkömmlicher Profilkombination.eine optimale Auslegung und damit die Erzielung eines höheren Wirkungsgrades als mit Schraubenrotormaschinen der bekannten Art erlaubt.

Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass der Hauptläufer der jeweils niedrigeren Stufe und der Nebenläufer der jeweiligen Folgestufe angetrieben sind. Durch diese Massnahme wird erreicht, dass beispielsweise für eine zweistufige Maschine unter Zugrundelegung des günstigen Wertes L/D (Stufe I) = 1,6 χ L/D (Stufe II) der Durchmesser des Hauptläufers der ersten Stufe um den Paktor 1,^2 grosser sein kann als der Durchmesser des Hauptläufers der zweiten Stufe. Bei den Nebenläuferdurchmessern und den Achsabständen ergibt sich das gleiche Verhältnis. Hierzu ist lediglich Voraussetzung, dass beide Stufen geometrisch ähnliche Profile haben (z.B. ein sogenanntes 4+6 Profil, d.h. vier Köpfe am Hauptläufer und vier Gänge am Nebenläufer). In einem solchen" Fall würde die Drehzahl des Hauptläufers der zweiten Stufe dem 1,5-fachen der Drehzahl des Hauptläufers der ersten Stufe entsprechen. \

Legt man weiter fest, dass die Summe der Zähnezahlen des Haupt- und des Nebenläufers der jeweiligen niedrigeren Stufe kleiner ist als die Summe der Zähnezahlen des Haupt- und des Nebenläufers der jeweiligen · Folgestufe, so kann eine noch günstigere Auslegung vorge-

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nommen werden. Wählt man für den Hauptläufer der jeweils niedrigeren Stufe drei und für seinen Nebenläufer vier Zähne und für den Hauptläufer der Folgestufe vier und seinen Nebenläufer sechs Zähne, so ist es möglich, gegenüber Anordnungen, bei denen diese Stufen geometrisch ähnliche Profile haben, ein um ca. 75 % grösseres Umdrehungsvolumen bei¹ gleichem Achsabstand und gleicher Läuferlange zu erzielen. .

Wählt man .beispielsweise für eine zweistufige Schraubenrotormaschine der erfindungsgemässen Art für die Stufe I ein 3 + 4 - Profil und für die Stufe II ein 4 + 6 - Profil, so erhält man bei einem Drehzahl-Verhältnis 1IuX₁₁ = I*5o x ⁿHLi ¹^ ^{einem L}/^D (Stufe I) = 1,6 χ L/D (Stufe II) bei gleichem Ächsabstand Aj = A-r-r ein Durchmesserverhältnis Dtttj/D^t-t = 1*25 sowie ein Um fangsgeschwindigkeitsverhältnis Uttt Jj/Ujrj. j = 1,2.

■ Der gleiche Achsabstand für beide Stufen wirkt sich insbesondere für die Herstellung sehr vorteilhaft aus und hat konstruktive Vorteile. .Das Umfangsgeschwindigkeitsverhältnis wirkt sich günstig in Bezug auf den Wirkungsgrad aus.

Zusammenfassend ergeben sich daher für eine er-findungsgemässe Schraubenrotormaschine in Tandemanordnung folgende Vorteile:

1.) Für alle Stufen können günstigste Profilkombinationen gewählt werden (z.B. Stufe I, 3 + 4 Profil und Stufe II, 4 + 6 - Profil).

• 2.) Aufgrund der Tandemanordnung kann auf ein aufwendiges Turbogetriebe verzichtet werden.

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J.) Das Längen/Durchmesser-Verhältnis der Hauptläufer kann optimal gewählt werden.

'4.) Die Achsabstände zwischen Haupt- und Nebenläufer aller Stufen können gleich gewählt werden.

Insbesondere aufgrund der gleichen Achsabstände in den einzelnen Stufen ergeben sich konstruktive Vorteile , die die Herstellung von derartigen Maschinen verbilligen. So können beispielsweise die Lochbilder Gehäuseflansche von allen Stufen gleich ausgeführt werden. Somit ist es auf einfache Weise möglich, vorhandene Einzelmaschinen zu einer Tandemanordnung aneinander zu kuppeln. Das äussere Erscheinungsbild bleibt dabei einfach und ohne störende Absätze. Ausserdem ergibt sich die Möglichkeit, für die Läufer in beiden Stufen die für die jeweilige Profilart optimale Umfangsgeschwin-, digkeit zu wählen.

Im folgenden ist zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Gegenüberstellung mit Schraubenrotormaschinen der bekannten Art näher beschrieben und erläutert:

Fig. 1 zeigt schematisch eine zweistufige Schraubenrotormaschine in Tandemanordnung der bekannten Art,

Pig. 2 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer zweistufigen Schraubenrotormaschine der bekannten Art, und

Fig. 3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen zweistufigen Schraubenrotor-20984B/0331

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maschine in Tande-manordnung.

Fig. 1 zeigt eine zweistufige Schraubenrotormaschine in Tandemanordnung, die über ein einfaches Turbogetriebe T.von. einer Antriebsmaschine A angetrieben ist. Bei dieser Anordnung sind jeweils die Hauptläufer HL I und HL II als auch die Nebenläufer NL I und NL II der beiden Stufen auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Diese Anordnung, die für den Betrieb mit öleinspritzung gewisse Vorteile bringt, ist jedoch für den trockenen Betrieb ungünstig. Da aufgrund der durchgehenden Wellen für die , Haupt- und Nebenläufer jeweils sowohl die Umfangsgeschwindigkeiten der Hauptläufer HL I und HL II.als auch die Umfangsgeschwindigkeiten der Nebenläufer NL I und NL II gleich sind, kann eine optimale Auslegung zur Erzielung eines höheren Wirkungsgrades nicht erfolgen. Da in dieser Anordnung zumindest die Durchmesser der beiden Hauptläufer HL I und HL II gleich gross sind·, dürfte für eine optimale Auslegung die Läuferlänge der Stufe II nur etwa ein Drittel der Läuferlänge der Stufe I betragen. Günstige Längen-Durchmesser-Verhältnisse für die Hauptläufer sind daher nicht zu erzielen.

In Fig. "2 ist schematisch eine weitere zweistufige Tandemanordnung der bekannten Art gezeigt, die ebenfalls von einer Antriebsmaschine A über ein einfaches Turbogetriebe T angetrieben wird. Bei dieser Anordnung sind der Nebenläufer NL I der Stufe I und der Hauptläufer HL II der.Stufe II auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Im Gegensatz zu der in Fig. 1 dargestellten Anordnung ist also der Nebenläufer NL I der Stufe I und der Hauptläufer HL II der Stufe II angetrieben. Der Hauptläufer HL I der Stufe I und der Nebenläufer NL II der Stufe II haben dagegen getrennte Wellen. Diese Anordnung ist für die Betriebsweise mit öleinspritzung vor-20984 5/033 1

teilhaft, eignet sich jedoch für den trockenen Betrieb • nicht. Aufgrund der Tatsache, dass der Hauptläufer HL II der Stufe II von dem Nebenläufer NL I der Stufe I angetrieben wird, läuft de'r Hauptläufer HL II der Stufe II langsamer als der Hauptläufer HL- I-der Stufe I. Die Umfangsgeschwindigkeit des Hauptläufers HL II der Stufe II .ist daher für eine trockene Betriebsweise zu klein.

Für eine Betriebsweise mit öleinspritzung hat die in Fig. 2 dargestellte Anordnung den Vorteil, dass aufgrund der relativ geringen Umfangsgeschwindigkeit des Hauptläufers HL I der Stufe I wenig öl in die Stufe I und viel öl in die Stufe II eingespritzt werden kann.

In Fig. ^ ist eine zweistufige Schraubenrotormaschine in Tandemanordnung der erfindungsgemässen Art dargestellt. Auch bei dieser Anordnung werden die beiden Stufen, über ein einfaches Turbogetriebe T von einer Antriebsmaschine A angetrieben. Im Gegensatz zu bekannten Schraubenrotormaschinen sind jedoch der Hauptläufer HL I der Stufe I und der Nebenläufer NL II der Stufe II auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Diese Welle wird von dem Turbogetriebe T angetrieben. Dies bedeutet, dass der Hauptläufer HL I der Stufe I und der Nebenläufer NL II der Stufe II mit der gleichen Drehzahl angetrieben werden. Legt man nun für das Längen-Durchmesser-Verhältnis der Hauptläufer der beiden Stufen einen günstigen Wert, beispielsweise 1,6 zugrunde, so ergibt sich, dass der Durchmesser des Hauptläufers HL I der Stufe I um den Faktor 1,32 grosser sein kann als der Durchmesser des Hauptläufers HL II der Stufe II. Für die Durchmesser der Nebenläufer NL I und NL II sowie für die Achsabstände A ergibt sich das gleiche Verhältnis. Für die Umfangsge-· schwindigkeiten der Hauptläufer der beiden Stufen HL I und HL II ergibt sich ein Faktor von ca. 1,14. Diese 209845/0331

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Werte gelten für Stufen mit geometrisch ähnlichem Profil (4 + 6 - Profil). Die Drehzahl des Hauptläufers HL II der Stufe II beträgt dabei das 1,5-fache der Drehzahl des Hauptläufers HL I der Stufe I.■

Eine noch günstigere Auslegung kann mit einer erfindüngsgemässen' Schraubenrotormaschine dadurch erreicht werden, dass für die beiden Stufen verschiedene 'Profilkombinationen gewählt werden. Legt man beispielsweise für die Stufe I ein 3 + 4 - Profil und für die Stufe II ein 4 + 6 - Profil- zugrunde, so erhält man das für eine optimale Auslegung günstige Ümfangsgeschwindigkeitsverhältnis.der Hauptläufer der Stufe I und der Stufe II. Ausserdem ergeben sich"für die Stufe I und die Stufe II gleiche Achsabstände* Der Durchmesser des Hauptläufers HL I der Stufe I ist um den Paktor 1,25 grosser als der Durchmesser des Hauptlaufers HL II der Stufe II.

Somit ergeben sich für die in Fig. 3 dargestellte erfindungsgemässe Schraubenrotormaschine die unter den . eingangs aufgeführten Punkten 1.) bis 4.) geschilderten Vorteile.

In allen drei Figuren ist. mit S die Saugsei^te der jeweiligen Stufe und mit D die Druckseite der jeweiligen Stufe bezeichnet.

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Claims

Patentansprüche

Il.) Zwei- oder mehrstufige Sehraubenrotormaschine in Tandemanordnung zur Kompression oder Expansion eines Arbeitsmediums, die in jeder Stufe einen mit Üblicherweise konvexen Zähnen ausgestatteten schraubenförmigen männlichen Hauptläufer besitzt, der mit einem,mit üblicherweise konkaven Nutenflanken ausgestatteten weiblichen schraubenförmigen Nebenläufer in Eingriff steht, wobei jeweils ein Läufer jeder Stufe angetrieben ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptläufer (HL) der jeweils niedrigeren Stufe (I) und der Nebenläufer (NL) der jeweiligen Folgestufe (II) angetrieben sind. '
2. Schraubenrotormaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptläufer (HL) der jeweils niedrigeren Stufe (I) und der Nebenläufer (NL) der jeweiligen Polgestufe (II) gegebenenfalls über eine feste Kupplung miteinander gekoppelt sind.
3. Schraubenrotormaschlne nach Anspruch 2, dadurch gekennze i ohne t , dass der Hauptläufer (HL) der jeweils niedrigeren Stufe (I) und der Nebenläufer (NL) der jeweiligen Polgestufe (II) auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind.
4. Schraubenrotormaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Zähnezahlen des Haupt- und des Neben-

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läufers der jeweils niedrigeren Stufe (I) kleiner ist als die Summe der Zähnezahlen des Haupt- und des Nebenläufers der jeweiligen.Folgestufe. (II).
5. Zweistufige Schraubenrotormaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeic'h net, dass der Hauptläufer (HL) der ersten Stufe (I) und der Nebenläufer (NL) der zweiten Stufe (II) gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Kupplung auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind, wobei der Hauptläufer (HL) der ersten Stufe (i) drei und sein Nebenläufer (NL) vier Zähne hat und der Hauptläufer (HL) der zweiten Stufe (II) vier und sein Nebenläufer (NL) sechs Zähne hat. . .

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