DE2134994A1 - Zweistufige außenachsige Drehkolbenma schine fur elastische Arbeitsmedien - Google Patents

Zweistufige außenachsige Drehkolbenma schine fur elastische Arbeitsmedien

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DE2134994A1 DE19712134994 DE2134994A DE2134994A1 DE 2134994 A1 DE2134994 A1 DE 2134994A1 DE 19712134994 DE19712134994 DE 19712134994 DE 2134994 A DE2134994 A DE 2134994A DE 2134994 A1 DE2134994 A1 DE 2134994A1
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Description

Patentanwälte
Dipl.-Wirtscn.-Ing. B.Jochem
Frankfurt am Main Freiherr-vom-Stcin-Str. 18
IlIi Sachen:
-ka Itotor Maskiner Akticbolag
Nacka /Schweden
Zweistufige außenachsige Drehkolbenmaschine für elastische Arbeitsmedien.
Die Erfindung betrifft eine zweistufige außenachsige Drehkolbenmaschine für elastische Arbeitsmedien mit Kämmeingriff zwischen Je einem Spiralrippenrotor (Kolbenrotor) und einem Spiralnutenrotor (Absperrotor) in jeder Stufe.
Bei beispielsweise einem zweistufigen Drehkolbenverdichter bestimmt die erste Stufe die volumetrische Kapazität des Verdichters. Normalerweise ist der Verdichter derart bemessen und das eingebaute Druckverhältnis der beiden Stufen ist derart ausgewählt, daß der Verdichter bei Vollast eine gewünschte Gasmenge bei einem gewünschten Enddruck und bei einem genügend hohen Wirkungsgrad abgibt. In fast allen Anwendungsfällen muß die Kapazität des Verdichters veränderlich sein. Ein Weg zur Verminderung der Kapazität besteht darin, die Drehzahl'des Verdichters herabzusetzen. Bei geringeren Drehzahlen verstärken sich jedoch die ungünstigen Auswirkungen der inneren Leckverluste der beiden Stufen auf den volumetrischen Wirkungsgrad, was zu einer Herabsetzung des Gesamtwirkungsgrades des Verdichters führt. Weiterhin muß bei
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Antrieb des Verdichters durch einen Induktionsmotor ein Drehzahländerungsgctriebe innerhalb der Anlage vorgesehen sein, wodurch sieh Kosten und Raumbedarf vergrößern. Kapazitätssteuerung durch Drehzahlveränderung ist deshalb in den meisten Fällen nicht empfehlenswert.
Durch die GB-PS 1 108 569 ist ein einstufiger außenachsiger Drehkolbenverdichter bekannt, dessen Kapazität mittels einen axial beweglichen Ventilgliedes veränderbar ist. Bei diesem Verdichter kann das eingebaute Druckverhältnis auch bei Teilkapazität auf einem hohen Niveau gehalten werden, und der Verdichter kann mit ziemlich hohem Wirkungsgrad bis zu sehr geringen Kapazitäten herabgeregelt werden.
Bei einer außenachsigen Drehkolbenmaschine mit Kämmeingriff zwischen einem Spiralrippenrotor und einem Spiralnutenrotor existiert immer eine innere Leckage, die im wesentlichen proportional dem eingebauten Druckverhältnis oder dem Gegendruck ist. Deshalb wird ein in einer Druckluftanlage angeordneter einstufiger Verdichter der Art, wie er in der vorerwähnten GB-PS 1 108 5&9 gezeigt und beschrieben ißt, wenn er auf niedrige Kapazität herabgeregelt wifdj einen Zustand erreichen, in welchem seine *HH*i'i<Ui« rl Mh δβΗΚν«*«1 unbelt KnktttiiMwhtJ j MIb Hnrt«r»n WnMinrit wenn die Nuten der Rotoren zum Einlaß hin öffnen, werden sie schon vollständig mit Luft unter Einlaßdruck, die von der Leckage herrührt, gefüllt sein, und es kann
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verhindert, daß die Luft aus dem Druckluftsystem entweicht.
Zweistufige außenachsige Drehkolbenverdichter mit Kämmeingriff zxvischen einem Spiralrippenrotor und einem Spiralnutenrotor in jeder Stufe sind aus verschiedenen Gründen normalerweise so ausgelegt, daß die eingebauten Druckverhältnisse der beiden Stufen im wesentlichen gleich groß sind. Wenn beispielsweise das gesamte Druckverhältnis 9 : 1 beträgt, besitzt eine jede Stufe ein eingebautes Druckverhältnis von 3:1» und der Zwischendruck wird, von einem Anfangsdruck gleich dem Atmosphärendruck aus-
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gehend, bei Vollast etwa 3kp/cm betragen. Dies bringt es mit sich, daß die zweite Stufe nur eine volumetrische Kapazität von einem Drittel der volumetrischen Kapazität der ersten Stufe benötigt, um in der Lage zu sein, die von der ersten Stufe bei einem Druck von 3kp/cm abgegebene Gasmenge aufzunehmen.
Wenn jedoch ein Verdichter in der Art, wie er in der GB-PS 1 108 569 gezeigt und beschrieben ist, als erste Druckstufe in einer zweistufigen Verdichteranordnung zur Anxvendung kommt und sein Vcntilglied in Richtung niedriger Kapazität verstellt wird, bleibt die volumetrische Kapazität der zweiten Druckstufe unverändert. Die zweite Druckstufe wird deshalb den Zwischendruck herabsetzen, und in manchen Fällen kann der Zwischendruck unter den Einlaßdruck der ersten Stufe absinken, so daß diese Stufe als Expansionsstufe wirkt. Es wird dann das Arbeitsmedium die erste Stufe ungeachtet der Stellung des Ventilgliedes immer passieren, und es ist deshalb unmöglich, den Verdichter herab auf Nullkapazität zu regeln.
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Aufgabe der Erfindung ist ec, eine zweistufige .außenachsige Drehkolbenmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, deren Kapazität innerhalb weiter Grenzen geregelt werden kann und bei der der Wirkungsgrad innerhalb des gesamten Betriebsbereiches höher liegt als bei bekannten Maschinen dieser Art. Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung dieser Aufgabe dadurch, daß jede Stufe mit einer an sich bekannten Ventileinrichtung zur Veränderung ihrer volumetrischen "Kapazität versehen wird. Vorzugsweise sind die Ventileinrichtungen der beiden Stufen dabei zur zwangläufigen gemeinsamen Verstellung miteinander gekoppelt.
Bei einer zweistufigen außenachsigen Drehkolbenmaschine nach der Erfindung können die volumetrischen Kapazitäten der ersten und der zweiten Stufe gleichzeitig in solcher Weise verändert werden, daß der Zwischendruck im wesentlichen konstant bleibt. In einer bestimmten Stellung des Ventilgliedes der ersten Stufe ist deshalb die Kapazität dieser Stufe im wesentlichen gleich Null, wie oben erläutert wurde. In entsprechender Weise kann auch die Kapazität der zweiten Stufe bis herab auf nahezu Null geregelt werden. Der Verdichter wird dann mit voller Drehzahl bei Nullkapazität laufen. Dies ist beispielsweise äußerst erwünscht bei Kühlanlagen und Druckluftsystemen, in denen der Gasbedarf zwischen Null und einem Maximalwert schwanken kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine sind die beiden Druckstufen seitlich nebeneinander angeordnet, und die beiden Rotorpaare sind an einem Ende der Maschine über ein Getriebe miteinander gekuppelt, wobei die Betatigungsmittel. für die Ventilglieder am anderen Ende der Rotoren angeordnet sind. In diesem Falle befinden sich die Hochdruck-
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öffnung der Niederdruckatufe und die Niederdrucköffnung der Hochdruckstufe am gleichen Maschinenende wie das Getriebe und stehen miteinander über einen Kanal in Verbindung, während die Ventilglieder mittels eines undehnbaren flexiblen Verbindungsgliedes miteinander verbunden sind, welches über Umlenkrollen geführt ist und durch den Kanal hindurch verläuft, wobei eines der Ventilglieder mit einer Betätigungseinrichtung versehen ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen zweistufigen außenachsigen Drehkolbenverdichter gemäß der Erfindung nach Linie I-I in Fig. 2,
Figi 2 einen Querschnitt nach Linie II-II in Figi 1 und Figi 3 einen Querschnitt nach Linie III-III in
Der in der Zeichnung dargestellte Verdichter entspricht in seinem Grundaufbau demjenigen der älteren Anmeldung P i, für welche die Priorität der britischen Patentanmeldung Nr. 33 405 vom 9· Juni 19?0 in Anspruch genommen, worden ist, und besteht aus einem Gehäuse mit zwei darin nebeneinander angeordneten Arbeitskammer?* and je einem Paar in Kämmeingriff miteinander befindlicher Spiralrotoren in einer jeden Arbeitskammer auf-, Ein jedes Rofeorpaar besteht aus einem Spiralrippenrotor (Kolbenmotor) und einem Spiralnutenrotor (Absperrotor)ί
In der Zeichnung ist mit 10 der Mantelwandungsteil des Gehäuses bezeichnet, welches außerdem zwei SfciitMatidteile 12 ttnd 14· umfaßt;. Im Mantelwandungsteil 10 be-
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finden sich, nebeneinanderliegend, eine Niederdruck-Arbeit skammer 16 und eine Hochdruckarbeitskammer 18, und eine jede Arbeitskammer besteht in bekannter Weise aus zwei einander achsparallel schneidenden Bohrungen.
Der Stirnwandteil 12 (links in JFig. 1) enthält einen Einlaßraum 20 und einen Auslaßraum 22. Der Einlaßraum 20 steht mit der Niederdruck-Arbeitskammer 16 über eine Ni ederdrucköf filling 24 in Verbindung, während der Auslaßraum 22 mit der Hochdruck-Arbeitskammer 16 über eine Hoehdrucköffhuhg 26 verbunden ist.
In dem anderen Stirnwandteil 14 ist ein Verbindungsraum 28 vorgesehen, der mit der Niederdruck-Arbeitskammer 16 über eine Auslaßöffnung 30 und mit der Hochdruck-Arbeitskämmer 18 über eine Einlaßöffnung 52 verbunden ist· Die Auslaßöffnung 30 bildet die Hoehdrucköffhung für die erste oder Niederdruck-Druckstufe des Verdichters, während die Einlaßöffnung ??2 die Niederdrucköffnung für die zweite oder Hoehdruekstufe desselben darstellt.
An der Außenseite des Stirnwandteiles 14- ist ein Getriebegehäuse 34- befestigt, welches ein Antriebszahnrad 36 sowie zwei getriebene Zahnräder 38 und 40 umschließt, deren (Teilkreise in F-igi 3 mit strichpunktierten Linien angedeutet sind. Das Antriebszahnrad 36 sitzt auf einer Antriebswelle 42, die in dem Gehäuse 34·, dieses nach außen durchdringend, gelagert ist und mit einem Antriebsmotor gekuppelt werden kann. Das getriebene Zahnrad 38 ist auf die Welle 44 des Spiralrippenrptors der ersten Stufe aufgekeilt, und das getriebene Zahnrad 40 sitzt entsprechend auf der Weile 46 des jSpiralrippenrotors der zweiten Verdichterstufe., Zur Vereinfachung ist die Darstellung der Hotören in den Figuren fortgelassen worden.
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Die Rotoren dor Niederdruckstufe sind in kombinierten Radial-Axial-Lagern im ßtirnwandteil '14 und' in Radiallagern im Stirnwandteil 12 gelagert. Die Rotoren der Hochdruckstufe sind entsprechend In kombinierten Radial-Axial-Lagern im Stirnwandteil 12 und in Radial-Lagern im Stirnwandteil 14- gelagert. Da die Lager oberhalb und unterhalb der Zeichnungsebene der Fig. 1 liegen, sind sie in dieser Figur nicht sichtbar.
Eine jede Druckstufe ist mit einem axial verschieblichen Ventilglied der Art, wie es in der GB-PS 1 108 569 dargestellt und beschrieben ist, versehen. Dort ist auch die Funktion eines solchen Ventilgliedes im einzelnen erläutert. Durch Verstellung des Ventilgliedes aus der einen Endstellung in die andere kann die volumetrische Kapazität einer jeden Stufe zwischen einem Maximal- und einem Minimalwert verändert werden.
Das Ventilglied 48 der Hochdruckstufe ist in der Stellung für maximale Kapazität gezeigt und befindet sich in einer axial gerichteten Ausnehmung 50 in der Wandung der Arbeitskammer 18. Ein Einsatz 52 in den Stirnwandteil 12 bildeL eine Verlängerung dor Ausnehmung 50, so daß das Ventilglied heraus in den Auslaßraum 22 in seine Endstellung für minimale Kapazität bewegt werden kann.
Am Boden der Ausnehmung 50 befindet sich eine axiale Vertiefung 57·, die mit einer Ölzufuhröffnung 56 in Verbindung steht. An den Enden dos Ventilgliedes 48 der Hochdruckstufe sind zwei Platten 58 befestigt, welche gegen die Vertiefung 5^ abdichten. Das Ventilglied 48 ist ferner mit zwei Querbohrungen 60 versehen, die- in
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Verbindung mit der Vertiefung ^>6 stehen. Durchlässe 62 am Boden einer jeden Querbohrung 60 bilden Düsonöffmangen zur Einspritzung von Öl in die Arbeitskammer für Kühl-, Dichtungs- und Schmierzwecke wie an sich bekannt.
Das Ventilglied 64 der Niederdruckstufe hat dieselbe Ausbildung wie das Ventilglied 48 und bedarf deshalb keiner besonderen Beschreibung.
Die beiden.Ventilglicder 48 und 64 sind durch ein undehnbares flexibles Glied 66 wie beispielsweise eine Kette miteinander verbunden, die üher zwei Umlenkrollcn 68 geführt ist und durch den Vorbindungsraura 28 im Stirnwandteil 14 verläuft. Während des Betriebs sind die Ventilglieder 48, 64 durch aen Druck des Arbeitsmediums in Richtung ihrer Stellung für größte Kapazität nach Fig. 1 vorgespannt, und die Länge des flexiblen Gliedes 66 wird derart eingestellt, daß das flexible Glied in diesem Zustand keine Schlaffheit aufweist.
Am Hochdruckende des Ventilgliedes 48 der Hochdruckstufe ist die Kolbenstange 70 eines Kraftzylinders 72 befestigt, der an der Außenseite des Stirnwandteils 12 angebracht ist, Mittels dieses KraftZylinders können beide Ventilglieder 48 und 64 gleichzeitig in jede gewünschte Stellung unabhängig von dem auf die Ventilglieder wirkenden Druck des Arbeitsmediums verstellt werden, wobei das flexible Verbindungsglied 66 durch das Niederdruck-Venti!glied 64 gespannt wird, so daß sich die Ventilglieder gemeinsam bewegen.
Zwischen dem Ventilglied 48 der Hochdruckstufe und einem Stützglied 78 in den Verbindungsraum 28 innerhalb des Stirnwandteils 14 ist eine Schraubendruckfeder 74 eingesetzt. Wenn der Verdichter stillgesetzt wird, bewegt
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diese Feder die Ventilglieder 48 und 64 in die Stellung kleinster Kapazität, wodurch Drehmoment und Leistung zum Wiederanfahren des Verdichters vermindert werden.
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Claims (8)

  1. Pat ent ansprüche
    AJ Zweistufige außenachsige Drehkolbenmaschine für elastische Arbeitsmedien mit Kämmeingriff zwischen einem Spiralrippenrotor (Kolbenrotor) und einem Spiralnutenrotor (Absperrotor) in jeder Stufe, dadurch gekennzeichnet , daß jede Stufe mit einer an sich bekannten Ventileinrichtung (64 bzw. 48) zur Veränderung ihrer volumetrischen Kapazität versehen ist.
  2. 2. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Ventileinrichtungen (64, 48) der beiden Stufen zur zwangläufigen gemeinsamen Verstellung miteinander gekoppelt sind.
  3. 3. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtungen in bekannter Weise von axial beweglichen Ventilgliedern (64, 48) gebildet sind, welche in ihre Stellungen größter Kapazität durch den am Hochdruckende einer jeden Stufe herrschenden Druck des Arbeitsmediums vorgespannt sind, wobei Betätigungsmittel (70, 72) zur Bewegung der Ventilglieder (64, 48) und zur Aufrechterhaltung ihrer Lage in Teilkapazitätsstellungen vorgesehen sind.
  4. 4. Drehkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Druckstufen Seite an Seite nebeneinander angeordnet sind, wobei die Rotorpaare antriebsmäßig über ein Getriebe (36, 38, 40) am einen Ende der Maschine ge-
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    kuppelt sind, während dio Botätigungsgliodcr (?0, 72) für die Ventilglieder am anderen Ende der Maschine angeordnet cind.
  5. 5« Drehkolbenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Hochdrucköffnung (30) der Niederdruckstufe und die Niederdrucköffnung (32) der Ilochdruckstufe am selben Ende der Maschine wie das Getriebe (56, 58, 40) angeordnet und miteinander über einen Verbindungsraum (48) in Verbindung, stehen und daß die Ventilglieder (64-, 48) mittels eines undehnbaren flexiblen Gliedes (66) miteinander verbunden sind, welches über Umlenkrollen (68) geführt ist und durch den Verbindungsraum (28) verläuft, wobei das eine der Ventilglieder (48) mit den Betätigungsmitteln (70, 72) verbunden ist.
  6. 6. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Betätigungsmittel aus einem Kraftzylinder (42) bestehen, dessen Kolben antriebsmäßig mit dem Ventilglied (48) in der Hochdruckstufe verbunden ist.
  7. 7. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das flexible Glied (66) von einer Kette gebildet ist.
  8. 8. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (Druckfeder 74) vorgesehen sind, um die Yentilglieder (64, 48) in ihre Stellung kleinste Kapazität zu bringen, wenn die Maschine stillgesetzt wird.
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