DE2134994B2

DE2134994B2 - Zweistufige parallel- und außenachsige Rotationskolbenmaschine für elastische Arbeitsmedien

Info

Publication number: DE2134994B2
Application number: DE2134994A
Authority: DE
Inventors: Walther Johanneshov Persson (Schweden)
Original assignee: Svenska Rotor Maskiner AB
Current assignee: Svenska Rotor Maskiner AB
Priority date: 1970-07-16
Filing date: 1971-07-14
Publication date: 1979-04-26
Also published as: CA954098A; BE769872A; US3756753A; DE2134994A1; DE2134994C3; JPS5428603B1; GB1365285A

Description

Die Erfindung betrifft eine zweistufige parallel- und außenachsige Rotationskolbenmaschine für elastische Arbeitsmedien, je Stufe mit Kämmeingriff zwischen einem Schraubenrippenrotor und einem Schraubennutenrotor und einem Gehäusemantel, dessen Innenkontur aus zwei einander schneidenden zylindrischen Bohrungen gebildet ist und der mit Hochdruck- und Niederdruckdurchlässe aufweisenden Endteilen einen Arbeitsraum umschließt.

Bei einer bekannten Maschine der vorgenannten Art (US-PS 2659239) sind die beiden Druckstufen axial hintereinander angeordnet und werden zum Ausgleich der auf die paarweise auf gleicher Welie angeordneten Rotoren wirkenden Axialkräfte durch Ausbildung dieser Rotoren mit entgegengesetzter Steigung gegensinnig zueinander vom Arbeitsmedium durchströmt.

Die Stufe höheren Drucks ist dabei zur Erzielung gleicher Aufteilung des Gesamtdruckverhältnisses auf die beiden Stufen unter flacherer Ausbildung der Steigung der Schraubengänge wesentlich kürzer als die erste Druckstufe gehalten. Auf diese Weise wird erreicht, daß beide Druckstufen bei Nennlast mit optimalem Wirkungsgrad arbeiten.

In fast allen Anwendungsfällen kommen jedoch auch Betriebszustände mit unter der Nennlast liegender Teillast vor. Bei beispielsweise einem zweistufigen Rotationskolbenverdichter bestimmt die erste Stufe die volumetrische Kapazität. Um diese bei Teillast herabzusetzen, könnte die Drehzahl des Verdichters herabgesetzt werden. Bei geringeren Drehzahlen verstärken sich jedoch die ungünstigen Auswirkungen der inneren Leckverluste in den beiden Stufen auf dem volumetrischen Wirkungsgrad, was zu einer Herabsetzung des Gesamtwirkungsgrades führt. Weiterhin würde bei dem üblichen Antrieb des Verdichters durch einen Induktionsmotor ein Drehzahländerungsgetriebe benötigt, wodurch sich Kosten und Raumbedarf erhöhen. Bei einer Expansionsmaschine darf bei Teillast die Drehzahl oft überhaupt nicht geändert werden. Verringerung der Drehzahl zur Anpassung an Teillast ist deshalb in den meisten Anwendungsfällen nicht realisierbar.

Bei einstufigen parallel- und außenachsigen Rotationskolbenmaschinen ist es zum Zwecke der Aufrechterhdltung eines möglichst hohen Wirkungsgrades bekannt (GB-PS 1108569), die Kapazität der Maschine mittels eines axial beweglichen Ventils zu verändern. Mit diesem Ventil kann das eingebaute Druckverhältnis auch bei Teiileistung auf einem hohen Niveau gehalten werden, und der Verdichter kann mit ziemlich hohem Wirkungsgrad bis zu sehr geringen Leistungen herabgeregelt werden. Ohne dieses Ventil würde ein solcher Verdichter bei Teillast einen Zustand erreichen, in welchem seine Kapazität den Leckverlusten entspricht. Die Nuten der Rotoren würden nämlich, wenn sie zum Einlaß hin öffnen, schon vollständig mit Luft unter Einlaßdruck infolge Leckage gefüllt sein, so daß keine frische Luft mehr in die Nuten angesaugt wird. Die volumetrische Kapazität des Verdichters sinkt deshalb auf Null trotz des Umstandes, daß er mit voller Drehzahl betrieben wird, was bedeutet, daß der Verdichter lediglich als Ventil wirkt, welches verhindert, daß die Luft aus dem Druckluftsystem entweicht.

Die Anwendung des bekannten Ventils nur auf die erste Druckstufe eines zweistufigen parallel- und außenachsigen Rotationskolbenverdichters würde dazu führen, daß bei Verstellung des Ventils in Richtung niedriger Kapazität die volumetrische Kapazität der zweiten Druckstufe unverändert bleibt. Die zweite Druckstufe wird deshalb den Zwischendruck herabsetzen, und in manchen Fällen kann der Zwischendruck sogar unter den Einlaßdruck der ersten Stufe

absinken, so daß diese Stufe als Expansionsstufe wirkt. Die erste Stufe wird deshalb ungeachtet der Stellung des Ventilgliedes immer Arbeitsmedium zur zweiten Druckstufe fördern, und es ist unmöglich, den Verdichter herab auf Null-Kapazität zu regeln.

Die Anpassung einer zweistufigen parallel- und außenachsigen Rotationskolbenmaschine an Teillast ohne Änderung der Drehzahl ist deshalb nur dann möglich, wenn beide Druckstufen mit je einem solchen Ventil versehen werden und diese Ventile ^lü gleichzeitig in gleichem Maße mit Bezug auf die Kapazitätsänderung jeder Stufe verstellt werden. Die Anwendung dieser Maßnahme auf die eingangs erwähnte bekannte zweistufige Rotationskolbenmaschine (US-PS 2659239) bereitet jedoch Schwierigkeiten. ^ Die gleichzeitige und im Ausmaß gleiche Verstellung der beiden Ventile würde einen aufwendigen Steuermechanismus erfordern, da eine unmittelbare Koppelung der Ventile wegen der unterschiedlichen axialen Länge der beiden Druckstufen und ihrer pegensinnigen Durchströmung nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine zweistufige parallel- und außenachsige Rotationskolbenmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, welche diese Schwierigkeiten überwindet -⁵ und ohne größeren Steuerungsaufwand dennoch eine gleichzeitige und im Ausmaß gleiche Verstellung der Kapazität der beiden Druckstufen zur Anpassung an Teillast ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die «· Kombination folgender Merkmale gelöst:

a) die Arbeitsräume der beiden Druckstufen sind nebeneinander zwischen gemeinsamen Endteilen angeordnet, von denen das eine Endteil einen Verbindungskanal für die beiden Arbeitsräume **> aufweist, und

b) jede Druckstufe hat ein axial bewegliches Ventil zur Veränderung der volumetrischen Kapazität, wobei die beiden Ventile über ein über Umlenkrollen geführtes flexibles Verbindungsglied ge- ■*< > koppelt und mittels einer an dem einen Ventil angreifenden Betätigungsvorrichtung gemeinsam verstellbar sind.

Die bewußte Inkaufnahme der Trennung der Rotoren in den beiden Druckstufen unter Verzicht auf ge- « meinsame Wellen gestattet die Herstellung der Rotoren in den beiden Stufen mit unterschiedlich großem Profil, so daß die Anpassung der Stufen an die unterschiedlichen Volumina des Arbeitsmediums bei gleicher axialer Länge erfolgen kann. Dadurch wird die ■><> Voraussetzung für gleiche Verschiebewege der beiden Ventile geschaffen. Die Kopplung der beiden Ventile über ein über Umlenkrollen geführtes flexibles Verbindungsglied, das in Längsrichtung starr ist, ermöglicht gleichzeitig die Anordnung des Verbindungska- 5"> nals zwischen den beiden Druckstufen innerhalb eines gemeinsamen Endteils, wodurch bei nach wie vor gegensinniger Durchströmung der beiden Druckstufen die Ausbildung des Verbindungskanals besonders einfach wird. Die bei dieser Anordnung wirksamen t>o Axialkräfte lassen sich dabei dennoch beherrschen, weil die Lagerungen der Rotoren nur die Axialkraft je eines Rotors aufzunehmen brauchen, während im Falle der Hintereinanderanordnung gleichsinnig durchströmter Druckstufen die gemeinsamen Wellen die Axialkräfte je eines Rotors der ersten und der zweiten Stufe aufzunehmen hätten.

Nach einem ersten Merkmal zur vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Verbindungsglied durch den Verbindungskanal innerhalb des einen Endteils verlaufen, wodurch die Baulänge weiter verkürzt und Abdichtungsprobleme umgangen werden.

Nach einem anderen Merkmai zur vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Rotoren der beiden Druckstufen über ein an dem einen Maschinenende befindliches Kraftübertragungsgetriebe miteinander verbunden, und die Ventil-Betätigungseinrichtung ist an dem anderen Maschirenende angeordnet. Dabei befindet sich zweckmäßig das Kraftübertragungsgetriebe an demselben Maschinenende wie der Verbindungskanal.

Noch weitere Merkmale zur vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 5 bis 7.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen zweistufigen parallel- und außenachsigen Rotationskolbenverdichter nach Linie I-I in Fig. 2,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Verdichter nach Linie H-II in Fig. 1, und

Fig. 3 einen Querschnitt durch den Verdichter nach Linie III-III in Fig. 1.

Der in der Zeichnung dargestellte Verdichter besteht aus einem Gehäuse mit zwei darin nebeneinander angeordneten Arbeitsräumen und je einem Paar im Kämmeingriff miteinander befindlicher Schraubenrotoren, von denen jeweils einer als Schraubenrippenrotor und der andere als Schraubennutenrotor ausgebildet sind.

In der Zeichnung ist mit 10 der Mantelwandungsteil des Gehäuses bezeichnet, welches außerdem zwei Endteile 12, 14 umfaßt. Im Mantelwandungsteil 10 befinden sich nebeneinanderliegend ein Niederdruck-Arbeitsraum 16 und ein Hochdruck-Arbeitsraum 18, die aus je zwei achsparallelen, einander schneidenden Bohrungen bestehen.

Das Endteil 12 (links in Fi g. 1) enthält eine Einlaßkammer 20 und eine Auslaß kammer 22. Die Einlaßkammer 20 steht mit dem Niederdruck-Arbeitsraum 16 über eine Niederdrucköffnung 24 in Verbindung, während die Auslaßkammer 22 mit dem Hochdruck-Arbeitsraum 16 über eine Hochdrucköffnung 26 verbunden ist.

In dem anderen Endteil 14 ist ein Verbindungskanal 28 vorgesehen, der an den Niederdruck-Arbeitsraum 16 über eine Auslaßöffnung 30 und mit dem Hochdruck-Arbeitsraum 18 über eine Einlaßöffnung 32 angeschlossen ist. Die Auslaßöffnung 30 bildet die Hochdrucköffnung für die erste oder Niederdruck-Druckstufe des Verdichters, während die Einlaßöffnung 32 die Niederdrucköffnung für die zweite oder Hochdruckstufe desselben darstellt.

An der Außenseite des Endteils 14 ist ein Getriebegehäuse 34 für ein Kraftübertragungsgetriebe befestigt, welches ein Antriebszahnrad 36 sowie zwei getriebene Zahnräder 38 und 40 aufweist, deren Teilkreise in Fig. 3 mit strichpunktierten Linien angedeutet sind. Das Antriebszahnrad 36 ist auf eine Antriebswelle 42, die in dem Getriebegehäuse 34, dieses nach außen durchdringend, gelagert ist und mit einem Antriebsmotor gekuppelt werden kann. Das getriebene Zahnrad 38 ist auf die Welle 44 des Schraubenrippenrotors der Niederdruckstufe aufgekeilt, und das getriebene Zahnrad 40 sitzt entspre-

chend auf der Welle 46 des Schraubenrippenrotors der Hochdruckstufe. Zur Vereinfachung ist die Darstellung der Rotoren in den Figuren fortgelassen worden.

Die Rotoren der Niederdruckstufe sind in kombinierten Radial-Axial-Lagern im Endteil 14 und in Radiallagern im Endteil 12 gelagert. Die Rotoren der Hochdruckstufe sind entsprechend in kombinierten Radial-Axial-Lagern im Endteil 12 und in Radial-Lagern im Endteil 14 gelagert. Da die Lager oberhalb und unterhalt der Zeichnungsebene der Fig. 1 liegen, sind sie in dieser Figur nicht sichtbar.

Eine jede Druckstufe ist mit einem axial verschieblichen Ventil versehen, mit dessen Hilfe durch Verstellung aus der einen Endstellung in die andere die volumetrische Kapazität einer jeden Stufe zwischen einem Maximal- und einem Minimalwert verändert werden kann.

• Das Ventil 48 der Hochdruckstufe ist in der Stellung für maximale Kapazität gezeigt und befindet sich in einer axial gerichteten Ausnehmung 50 in der Wandung des Arbeitsraums 18. Ein Einsatz 52 im Endteil 12 bildet eine Verlängerung der Ausnehmung 50, so daß das Ventil in die Auslaßkammer 22 in seine Endstellung für minimale Kapazität hincinbewegt werden kann.

Am Boden der Ausnehmung 50 befindet sich eine axiale Vertiefung 54, die mit einer ölzufuhröffnung 56 in Verbindung steht. An den Enden des Ventils 48 der Hochdruckstufe sind zwei Platten 58 befestigt, welche gegen die Vertiefung 54 abdichten. Das Ventil 48 ist ferner mit zwei Querbohrungen 60 versehen, die in Verbindung mit der Vertiefung 54 stehen. Durchlässe 62 am Boden einer jeden Querbohrung 60 bilden Düsenöffnungen zum Einspritzen von Öl in den Arbeitsraum für Kühl-, Dichtungs- und Schmierzwecke.

Das Ventil 64 der Niederdruckstufe hat dieselbe

^r> Ausbildung wie das Ventil 48 der Hochdruckstufe und bedarf deshalb keiner besonderen Beschreibung.

Die beiden Ventile 48 und 64 sind durch ein undehnbares flexibles Glied 66 wie beispielsweise eine Kette miteinander verbunden, die über zwei Umlenk-

'<> rollen 68 geführt ist und durch den Verbindungskanal 28 im Endteil 14 verläuft. Während des Betriebs sind die Ventile 48,64 durch den Druck des Arbeitsmediums in Richtung ihrer Stellung für größte Kapazität nach Fig. 1 vorgespannt, und die Länge des flexiblen

i"> Verbindungsgliedes 66 wird derart eingestellt, daß es in diesem Zustand stark gespannt ist.

Am Hochdruckende des Ventils 48 der Hochdruckstufe setzt die Kolbenstange 70 eines Kraftzylinders 72 an, der an der Außenseite des Endteils 12 angebracht ist. Mittels dieses Kraftzylinders können beide Ventile 48 und 64 gleichzeitig in jede gewünschte Stellung unabhängig von dem auf die Ventile wirkenden Druck des Arbeitsmediums verstellt werden, wobei das flexible Verbindungsglied 66 durch

r> das Niederdruck-Ventil 64 gespannt wird, so daß sich die Ventile 48, 64 gemeinsam bewegen.

Zwischen dem Ventil 48 der Hochdruckstufe und einem Stützglied 78 im Verbindungskanal 28 innerhalb des Endteils 14 ist eine Schraubendruckfeder 74

so eingesetzt. Wenn der Verdichter stillgesetzt wird, bewegt diese Feder die Ventile 48 und 64 in die Stellung kleinster Kapazität, wodurch Drehmoment und Leistung zum Wiederanfahren des Verdichters vermindert werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Zweistufige parallel- und außenachsige Rotationskolbenmaschine für elastische Arbeitsmedien, je Stufe mit Kämmeingriff zwischen einem Schraubenrippenrotor und einem Schraubennutenrotor und einem Gehäusemantel, dessen Innenkontur aus zwei einander schneidenden zylindrischen Bohrungen gebildet ist und der mit Hochdruck- und Niederdruckdurchlässe aufweisenden Endteilen einen Arbeitsraum umschließt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) die Arbeitsräume (16,18) der beiden Druckstufen sind nebeneinander zwischen gemeinsamen Endteilen (12, 14) angeordnet, von denen das eine Endteil (14) einen Verbindungskanal (28) für die beiden Arbeitsräume (16, 18) aufweist, und

b) jede Druckstufe hat ein axial bewegliches Ventil (64 bzw. 48) zur Veränderung der volumetrischen Kapazität, wobei die beiden Ventile (64,48) über ein über Umlenkrollen (68) geführtes flexibles Verbindungsglied (66) gekoppelt und mittels einer an dem einen Ventil (48) angreifenden Betätigungseinrichtung (70, 72) gemeinsam verstellbar sind.

2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsglied (66) durch den Verbindungskanal (28) innerhalb des einen Endteils (14) verläuft.

3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren der beiden Druckstufen über ein an dem einen Maschinenende befindliches Kraftübertragungsgetriebe (36, 38, 40) miteinander verbunden sind und die Ventil-Betätigungseinrichtung (70,72) an dem anderen Maschinenendo angeordnet ist.

4. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Kraftübertragungsgetriebe (36, 38, 40) an demselben Maschinenende wie der Verbindungskanal (28) befindet.

5. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventil-Betätigungseinrichtung aus einem Kraftzylinder (72) besteht, dessen Kolbenstange (70) mit dem Ventil (48) in der Hochdruckstufe verbunden ist.

6. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das flexible Verbindungsglied (66) eine Kette ist.

7. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Druckfeder (74) vorgesehen ist, um die Ventile (64, 48) bei stillgesetzter Maschine selbsttätig in die Stellung kleinster Kapazität zu bringen.