DE2134241B2 - Zweistufige außenachsige Rotationskolbenmaschine - Google Patents

Description

s=c- PiIPx
folgt worin bedeuten

s [m/s] Kopfgeschwindigkeit

c [m/s] eine Konstante zwischen 1 und IA vorzugsweise 1,25 und /yPidas gesamte Druckverhältnis der Rotationskolbenmaschine.

7. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftübertragungswelle (86) des Getriebes koaxial zur Achse eines Schraubenrippenrotors (38) angeordnet und mit diesem starr verbunden ist.

Die Erfindung betrifft eine zweistufige außenachsige Rotationskolbenmaschine für elastische Arbeitsmedien, jeweils mit Kämmeingriff zwischen einem Schraubenrippenrotor und einem Schraubennutenrotor, deren Umschlingungswinkel in bezug auf ihre Drehachsen kleiner als 360° sind, und einem Gehäusemantel, dessen Innenkontur von zwei einander schneidenden zylindrischen Bohrungen gebildet ist und der mit Hochdruck- und Niederdruckdurchlässe aufweisenden Endteilen einen Arbeitsraum umschließt. Eine derartige Rota

tionskolbenmaschine ist aus der US-PS 26 59 239 bekannt

Die bekannte Maschine besteht aus einer Tandemanordnung der beiden Verdichterstufen in einem gemeinsamen Gehäuse, in welchem mindestens die koaxial zueinander angeordneten Schraubenrippenrotoren miteinander fest gekuppelt sind, so daß sie von einer gemeinsamen Antriebsmaschine mit derselben Drehzahl angetrieben werden.

ίο Die Tandemanordnung hat Nachteile aufgrund des Umstandes, daß zumindest die beiden Schraubenrippenrotoren eine starre Einheit bilden:

a) der lange Abstand zwischen den Radiallagern führt _|5 zu einer verhältnismäßig großen radialen Durchbiegung der starren Rotoreinheit;

b) das Axiallager für die starre Rotoreinheit ist hochbelastet und dessen übliche Anordnung am Hochdruckende führt zu ungenauen Axialspalten in der Niederdnickstufe;

c) die Herstellung der starren Rotoreinheiten ist aufwendig und teuer und

d) infolge gleicher Drehzahlen der Rotoren in den beiden Druckstufen ergeben sich Schwierigkeiten in der Erzielung der erwünschten Kopfgeschwindigkeiten und des erwünschten Volumenverhältnisses zwischen den beiden Druckstufen bei optimalen Umschlingungswinkel, Steigungswinkeln der Rippen und Nuten und Längendurchmesser-Verhältnis eines jeden der Rotoren.

Auch muß die Trennwand zwischen den Arbeitsräumen der beiden Druckstufen sehr genau mit parallelen Oberflächen hergestellt sein, und der Verbindungskanal zwischen den beiden Dnickstufen muß zur Erzielung eines Ausgleichs der Axialkräfte durch entgegengesetzt gerichtete Durchströmung der beiden Stufen zwecks

Entlastung der Axiallager lang sein und verursacht

beträchtliche Verluste.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine zweistufige

außenachsige Rotationskolbenmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einfacher und billiger Herstellbarkeit aller Teile und normaler Belastung der Lager ohne Übermäßige radiale Durchbiegung der Rotoren dennoch eine einfache Anpassung der beiden Druckstufen an die unterschiedlichen Volumina des Arbeitsmediums und damit einen optimalen Wirkungsgrad in beiden Druckstufen gestattet

Erfindungsgemäf* wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Arbeitsräume der beiden Druckstufen die Innenwandung eines Endteils gemeinsam haben, welches einen Verbindungskanal für die beiden Arbeitsräume und ein für beide Druckstufen gemeinsames Kraftübertragungsgetriebe aufweist.
Die Erfindung hat die parallele Anordnung der beiden funktionell hintereinandergeschalteten Verdichterstufen zur Folge. Eine solche parallele Anordnung ist zwar bereits aus der GB-PS 7 97 311 bekannt. Bei der bekannten Maschine sind jedocli die beiden Druckstufen als mechanisch vollständig voneinander getrennte

w Maschinen ausgebildet, die durch eine gemeinsame Antriebsmaschine über ein in einem besonderen Getriebegehäuse angeordnetes Getriebe angetrieben werden. Die bekannte Anordnung erfordert deshalb viel Raum, hat ein beträchtliches Gewicht und ist in der Herstellung »euer. Außerdem ist infolge der großen Außenfläche des gesamten Aggregats und der zur Verbindung der beiden Druckstufen erforderlichen äußeren Verbindungsleitungen die Lärmentwicklung

beträchtlich. Diese Nachteile werden durch die Erfindung vermieden.

Infolge der sich durch die Erfindung ergebenden Nebeneinanderanordnung der beiden Druckstufen und der damit verbundenen Trennung aller Rotoren können diese unter Verwendung derselben optimal Profilform mit unterschiedlich großen Durchmessern ausgebildet und/oder mit unterschiedlich großen Drehzahlen angetrieben wer j en, um die erforderliche Anpassung an die durch die unterschiedlichen Eingangsdrücke bedingten verschiedenen Eingangsvolumina vorzunehmen. Da alle Rotoren voneinander getrennt gelagert sind, treten keine außergewöhnlichen Lagerbelastungen auf, und es werden übermäßige radiale Durchbiegungen der Rotoren vermieden, wobei dennoch ein Ausgleich der Axialkräfte durch Schrägverzahnung der Getrieberäder möglich ist Schließlich ersetzt der im gemeinsamen Endteil angeordnete kurze Verbindungskanal alle äußeren Leitungen und vermeidet die hierdurch entstehende Lärmentwicklung.

in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können Mittel zur Flüssigkeitseinspritzung in wenigstens einen Arbeitsraum vorgesehen sein. Sofern hierbei öl als Einspritzflüssigkeit verwendet wird, kann eine das Kraftübertragungsgetriebe aufweisende Kammer einen Teil des Verbindungskanals bilden, wodurch sich eine selbsttätige Schmierung der Getriebezahnräder durch das eingespritzte öl ergibt. Gleichzeitig wird die Baulänge der Maschine verkürzt, und deren Gewicht und Herstellungskosten werden gesenkt

Ferner kann infolge der Flüssigkeitseinspritzung das Kraftübertragungsgetriebe derart ausgelegt sein, daß der Schraubenrippenrotor der Niederdruckstufe eine höhere Kopfgeschwindigkeit als der Schraubenrippenrotor der Hochdruckstufe erhält. Infolge dieser Maßnahme wird der am Auslaß der mit höherer Kopfgeschwindigkeit arbeitenden Niederdruckstufe entstehende Lärm von der mit niedriger Kopfgeschwindigkeit arbeitenden Hochdruckstufe wirksam eingefangen, so daß nur das mit verhältnismäßiger geringer Geschwindigkeit aus der Hochdruckstufe austretende Arbeitsmedium in den ölabscheider mit dessen großen lärmschluckenden Flächen gelangen kann. Eine beträchtliche Herabsetzung der Lärmentwicklung ist die Folge.

Zweckmäßig liegt das Verhältnis der Kopfgeschwindigkeiten an den Schraubenrippenrotoren in der Niederdruckstufe bzw. Hochdruckstufe im Bereich zwischen 1,5 :1 bis 3 :1, vorzugsweise bei etwa 2,2 :1. Übersetzungsverhältnisse dieser Größenordnung haben sich in einem zweistufigen Verdichter mit öleinspritzung zur Verdichtung von Luft, die unter Atmosphärendruck angesaugt wird, bei einem Druckverhältnis von 8:1 bis 12:1 besonders bewährt. Die hierbei durchgeführten Versuche haben ferner gezeigt, daß die Kopfgeschwindigkeit des Schraubenrippenrotors in der Hochdruckstufe zur Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades extrem niedrig sein kann und zweckmäßig derart bemessen sein sollte, daß sie der Formel:

s—c

P₁IP,

folgt, worin bedeuten

5 [m/s] Kopfgeschwindigkeit

c [m/s] eine Konstante zwischen 1 und 1,5, vorzugsweise 1,25 und

PtlP\ das gesamte Druokverhältnis der Rotationskolbenmaschine.

Schließlich ergibt sich eine weitere bauliche Vereinfachung dadurch, daß die Kraftübertragungswelle des Getriebes koaxial zur Achse eines Schraubenrippenrotors angeordnet und mit diesem starr verbunden ist

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die erfindungsgemäße Rotationskolbenmaschine, abgesehen von dem erreichbaren hohen Wirkungsgrad, zu einer Verminderung des Raumbedarfs und damit des Maschinengewichts im Vergleich zu der bekannten

ίο Tandembauart führt, die bisher die kompakteste zweistufige Bauform einer zweistufigen außenachsigen Rotationskolbenmaschine für den selben Zweck darstellte.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungs-

gemäßen Rotationskolbenmaschine in der Ausführung als Verdichter wird nachstehend in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen senkrechten Längsschnitt durch die Maschine gsmäß Linie 1 -1 in F i g. 2,

Fig.2 einen Querschnitt durch tv.·; Maschine nach Linie2—2in Fig. i,

F i g. 3 einen Längsschnitt durch die Niederdruckstufe der Maschine nach Linie 3-3 F i g. 1 und

F i g. 4 einen Längsschnitt durch die Hochdruckstufe

der Maschine nach der Linie 4-4 in F i g. 1.

Der in den Figuren 1 bis 4 dargestellte zweistufige Verdichter hat ein aus einem gemeinsamen Gehäusemantel 10 und einem gemeinsamen Endteil 12 bestehendes Gehäuse, in welchem ein Niederdruckarbeitsraum 14 und ein Hochdruckarbeitsraum 16 nebeneinander ausgebildet sind. Ein jeder dieser Arbeitsräume besteht grundsätzlich aus zwei einander schneidenden zylindrischen Bohrungen mit parallelen Achsen. Die Arbeitsräume 14, 16 erstrecken sich in derselben Richtung von einer gemeinsamen ebenen Innenwandung 18 des Endteils 12, und diese Innenwandung bildet die Hochdruckendwand des Niederdruckarbeitsraums 14 und die Niederdruckwand des Mochdruckarbeitsraums 16. In dem Gehäusemantel 10 ist ein mit dem Niederdruckarbeitsraum 14 über eine Niederdruüiceinlaßöffnung 22 verbundener Einlaßkanal 20 vorgesehen. Das Endteil 12 enthält einen Verbindungskanal 24, der mit dem Niederdruckarbeitsraum 14 über einen Hochdruckdurchlaß 26 und mit dem Hochdruckarbeitsraum 16 über einen Niederdruckdurchiaß 28 verbunden ist. Ein Auslaßkanal 30 innerhalb des

Gehäusemantels 10 ist mit dem Hochdruckarbeitsraum

16 über eine Hochdruckauslaßöffnung 32 verbunden.

Ein jeder Arbeitsraum 14 bzw. 16 enthält ein Paar

so miteinander kämmender Schraubenrotoren 34, 36 bzw. 38, 40, die um parallele Achsen drehen. Je ein Rotor 34, 38 eines jeden Rotorpa?res ist als Schraubenrippenrotor ? isgebildet und zu diesem Zwecke mit vier Schraubenrippen 42 bzw. 44 versehen, die von Rippenzwischenräu.nen 46 bzw. 48 getrenn' sind und einen Umschlingungswinkel von etwa 300° aufweisen. Die Schraubenrippen 42 bzw. 44 haben Flanken, deren größere Abschnitte konvex ausgebildet und außerhalb der zugehörigen Teilkreise 50 bzw. 52 liegen. Der andere Rotor 36 bzw. 40 eines jeden Rotorpaares ist als Schraubennutenrotor ausgebildet und zu diesem Zweck mit sechs von schraubenförmigen Stegen 54 bzw. 56 getrennten Schraubennuten 58 bzw. 60 versehen, die einen Umschlingungswinkel von etwa 200° aufweisen.

Die Schraubennuten 58, 60 haben Flanken, deren

größere Abschnitte konkav ausgebildet sind und innerhalb des zugehörigen Teilkreises 62 bzw. 64 liegen.

Die Rotoren 34 bzw. 36 der Niederdruckstufe (!■ i κ. 3)

sind im Endteil 12 in kombinierten Radial-Axial-Lagern 66 bzw. 68 und am entgegengesetzten Ende des Gehäusemantels 10 in Radial-Lagern 70 bzw. 72 gelagert. Die Rotoren 38 bzw. 40 der Hochdruckstufe (Fig.4) sind im Endteil 12 in Radial-Lager 74 bzw. 76 und an dem entgegengesetzten Ende des Gehäusemantels 10 in kombinierten Radial-Axial-Lagern 78 bzw. 80 gelagert. Der Niederdruck-Rippenrotor 34 ist außerhalb des Lagers 66 mit einem Stirnzahnrad 82 (F i g. 3) und der Hochdruck-Rippenrotor 38 außerhalb des Lagers 74 to mit einem Stirnzahnrad 84 versehen, welches in das Stirnzahnrad 82 eingreift. Eine am Hochdruck-Rippenrotor 38 ansetzende Kraftübertragungswelle 86 ragt aus dem Endteil 12 heraus und dient zur Ankopplung an eine Antriebsmaschine. Die ein Kraftübertragungsgetriebe bildenden Stirnzahnräder 82, 84 sind schraubenförmig verzahnt und haben solche Steigungswinkel, daß ein Teil der Axialkräfte des Hochdruck-Rippenrotors 38 auf den Niederdruck-Kippenrotor 34 übertragen wird, so daß eine Verminderung der Axialbelastung der Radial-Axial-Lager 66,68,78,80 erhalten wird.

In dem Gehäusemantel 10 sind ferner Kammern 88, 90 vorgesehen, die an eine (nicht dargestellte) Druckölquelle angeschlossen sind und und mit den Arbeitsräumen 14 bzw. 16 über Einspritzöffnungen 92, 94 zur Flüssigkeitseinspritzung in Verbindung stehen.

Das Kraftübertragungsgetriebe 82, 84 ist so ausgelegt, daß die Kopfgeschwindigkeit des Rippenrotors 34 der Niederdruckstufe höher ist als die Kopfgeschwindigkeit des Rippenrotors 38 der Hochdruckstufe und jo daß das Verhältnis zwischen den Volumina der Niederdruckstufe und der Hochdruckstufe etwa 2,5 :1 beträgt.

Der Verdichter wirkt in derselben Weise wie die bekannten Rotationskolbenverdichter. Infolge der Kürze des Verbindungskanals 24 und des minimalen Richtungswechsels für das darin strömende Arbeitsmedium sind jedoch die Verluste auf ein Kleinstmaß herabgesetzt, und der Wirkungsgrad ist entsprechend hoch. Die Tatsache, daß die beiden Schraubenrippenrotoren 34, 38 durch Zahnräder an Stelle einer starren Verbindung miteinander gekuppelt sind, ermöglicht einen Antrieb der beiden Rotoren mit verschiedene Drehzahlen, so daß das Volumenverhältnis und/oder di volumetrische Kapazität leicht verändert werde können und ebenso eine optimale Kopfgeschwindigkei in einer jeden Stufe zur Anwendung gelangen kann, wa: den Wirkungsgrad weiterhin steigert. Auf Grund de: Umstandes, daß die Geschwindigkeit des Arbeitsmed ums in der Hochdruckatislaßöffnung 32 verhältnismäßi niedrig ist, ist der hierdurch erzeugte Lärm geringer al der eines Tandemverdichters. Die verhältnismäßig höh Geschwindigkeit des Arbeitsmediums beim Verlasse der Niederdruckstufe durch den Hochdruckdurchlaß 2( verursacht keinerlei Lärm, da die Verbindung von dor zum Auslaßkanal 30 durch die Hochdruckstufe wirksan blockiert ist und der Verbindungskanal 24 vollständi innerhalb des Endteils 12 liegt. Ferner wird di Lärmentwicklung dadurch beträchtlich verringert, da die Oberfläche des Gehäuses und dessen maximal Langserstreckung im Vergleich zu einem Tanuemver dichter stark verkürzt ist. Auf Grund der seh kompakten Gestaltung des Verdichters werden de Raumbedarf und das Gewicht kleingehalten, was i Verbindung mit der einfachen Herstellbarkeit seine Einzelteile zu einer beträchtlichen Herabsetzung de Fertigungskosten führt.

Während der dargestellte Verdichter mit öleinsprit zung arbeitet, kann auch Wassereinspritzung zu Anwenujrig gelangen. In diesem Fall muß de Verdichter in seiner Ausbildung durch zusätzlich Anordnung von Wellendichtungen und möglicherweis auch von Synchronisiergetriebtn für die beide Rotorpaare sowie Änderung des Übersetzungsverhält nisses im Kraftübertragungsgetriebe abgewandelt wer den. Bei einem Verdichter mit Wassereinspritzung kan die Wassermenge, die in die Niederdruckstufe einge spritzt wird, so bemessen werden, daß das gesamt unverdampfte Wasser einen Nebel bildet, der Praktisc die gleiche Rotorkopfgeschwindigkeit zuläßt wie be einem Trockenlaufverdichter, während die in di Hochdruckstufe eingespritzte Wassermenge diese Stuf so weit flutet, daß praktisch eine isotherme Verdichtunj auftritt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnunecn

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Zweistufige außenachsige Rotationskolbenmaschine für elastische Arbeitsmedien, jeweils mit Kämmeingriff zwischen einem Schraubenrippenrotor und einem Schraubennutenrotor, deren Umschlingungswinkel in bezug auf ihre Drehachsen !deiner als 360° sind, und einem Gehäusemantel, dessen Innenkontur von zwei einander schneidenden zylindrischen Bohrungen gebildet ist und der mit Hochdruck- und Niederdruckdurchlasse aufweisenden Endteilen einen Arbeitsraum umschließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsräume (14, 16) der beiden Druckstufen die Innenwandung eines Endteils (12) gemeinsam haben, welches einen Verbindungskanal (24) für die beiden Arbeitsräume und ein für beide Druckstufen gemeinsames Kraftübertragungsgetriebe (82,84) aufweist

2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Flüssigkeitseinspritzung (92, 94) in wenigstens einem Arbeitsraum (14 bzw. 16) vorgesehen sind.

3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine das Kraftübertragungsgetriebe (82, 84) aufweisende Kammer einen Teil des Verbindungskanals bildet.

4. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftübertragungsgetriebe (82, 84) derart ausgelegt ist, daß der Schraubenrippenrotor (34) der Niederdruckstufe eine höhere .Copfgeschwindigkeit als der Schraubenrippenrotor (38) der Hochr'-uckstufe erhält

5. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß 'as Verhältnis der Kopfgeschwindigkeiten der Schraubenrippenrotoren (42,38) in der Niederdruck- bzw. Hochdruckstufe im Bereich zwischen 1,5 :1 bis 3:1, vorzugsweise bei etwa 2,2 :1 liegt

6. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopfgeschwindigkeit des Schraubenrippenrotors (38) der Hochdruckstufe derart bemessen ist, daß sie der Formel: