DE2302902A1

DE2302902A1 - Schraubenkompressor mit rotorabschnitten

Info

Publication number: DE2302902A1
Application number: DE2302902A
Authority: DE
Inventors: auf Nichtnennung. M Antrag
Original assignee: H AND H LICENSING CORP
Current assignee: H AND H LICENSING CORP
Priority date: 1973-01-22
Filing date: 1973-01-22
Publication date: 1974-07-25
Also published as: US3867076A; GB1418615A

Description

H & H Licensing Corporation I27OO Biscayne Boulevard, Suite 410, Miami, FIa. USA

Schraubenkompressor mit Rotorabschnitten

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schraubenkompressor, -pumpe oder dergleichen mit Gehäuse und Rotoren, wobei die Rotoren aus einzelnen jeweils auf einer Rotorwelle axial nebeneinander angeordneten Rotorabschnitten mit an ihrem äußeren Umfang befindlichen männlichen bzw. weiblichen Schraubengängen zusammengesetzt sind. Dabei sollen in den Schutzumfang der Erfindung ferner grundsätzlich auch nach dem Schraubenprinzip arbeitende Expansionsmaschinen verstanden werden.

Zur Kompression von gasförmigen Medien werden in vielen Fällen Schraubenkompressoren bevorzugt verwendet« Sie sind relativ wirtschaftlich, betriebssicher und ruhig im Lauf»

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ORIGINAL fNSPECTED

In ihrem Arbeitsraum wird das gasförmige Medium auf bekannte Weise dadurch komprimiert, daß es fortlaufend durch jeweils zwei ineinandergreifende Schraubengänge zweier in einem Gehäuse angeordneter Rotoren von der Saugseite bis zur Druckseite des Kompressors geschoben wird, wobei sich das Volumen der das Gas oder die Luft enthaltenden Verdichtungsgänge jeweils verringert«

Im Hinblick auf den erforderlichen Bauaufwand für Schraubenkompressoren spielen die an ihrem Umfang mit männlichen bzw. weiblichen Schraubengängen versehenen Rotoren eine wesentliche Rolle, Die Rotoren werden vielfach über die gesamte Länge einstückig ausgebildet, wobei die Schraubengänge der Rotoren in der Regel gefräst werden· Eine derartige Herstellmethode ist sehr teuer» Man hat daher bereits versucht, den Herstel— lungsaufwand für Schraubenkompressorrotoren dadurch zu reduzieren, daß man die Rotoren aus mehreren axial aneinander gereihten Rotorabschnitten zusammensetzte, wobei die einzelnen Rotorabschnitte jeweils an ihrem äußeren Umfang mit entsprechenden männlichen bzw. weiblichen Schraubengängen versehen sind» Derartige kürzere Rotorabschnitte lassen sich, z.B. durch Sintern, Rollen oder Drücken, einfacher und damit billiger herstellen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß im Hinblick auf die vielfach extremen Betriebsbedingungen von Schraubenkompressoren der Zusammenbau der einzelnen Rotorabschnitte zu einem Rotor problematisch ist.

Es ist bekannt, die einzelnen Rotorabschnitte durch Verschweissen am Umfang miteinander zu verbinden· Abgesehen davon, daß derartige umlaufende Schweißnähte einen beträchtlichen Fertigungsaufwand bedeuten, zeigte sich, daß die Schweißung infolge der beim Kompressorbetrieb auftretenden Wärmespannungen reißt· Die Steigung der Schraubengänge, die durch die Zusammenfügung der Rotorabschnitte gebildet werden, wird durch die

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Verformung geändert. Der Verdrehungswinkel des antreibenden oder getriebenen Rotors und die Form der ihre Schraubengänge bildenden Kämme bzw. Nuten sind untereinander verschieden. Infolgedessen kann das für einen normalen Kompressorbetrieb erforderliche Spiel zwischen den Kämmen und fluten der beiden Rotoren nicht mit Sicherheit eingehalten werden, und die Rotoren laufen oder fressen sich daher fest.

Es ist ferner bekannt, die jeweils einen zentralen Durchbruch aufweisenden Rotorabschnitte an ihrem inneren Umfang miteinander zu verschweißen, wo ja bekanntlich die Bedingungen, vor allem die Temperaturverhältnisse, nicht so extrem sind wie am äußeren mit Schraubengängen versehenen Umfang der Rotorab— schnitte. Dabei hat man im übrigen im Bereich besonders großer Temperaturschwankungen weiter außen schmale Zwischenräume zwischen den einzelnen Rotorabschnitten vorgesehen· Diese Zusammenbaumethode weist jedoch ebenfalls den Nachteil auf, daß die Schweißung fertigungstechnisch aufwendig ist. Außerdem ist auch bei ihr das Problem der infolge der extremen Betriebsbedingungen im Schraubenkompres3or auftretenden Spannungen im Rotor nicht befriedigend gelöst.

Schließlich ist es noch bekannt, die Rotorabschnitte eines Rotors jeweils mittels durchgehender Bolzen axial und damit gleichzeitig gegen Verdrehung zusammenzuhalten« Hierzu werden die Bolzen durch entsprechende in sämtlichen Rotorabschnitten vorgesehene Durchbrüche hindurchgesteckt und an den beiden endständigen Scheiben vernietet oder verschraubt. Es ist leicht einzusehen, daß auch diese Verbindungsmethode für die Rotorabschnitte wesentliche Nachteile aufweist. Zunächst ist der fertigungstechnische Aufwand infolge der in sämtlichen Rotorabschnitten genau anzuordnenden Durchbrüche nicht unbeträchtlich. Andererseits hat diese bekannte Ausführungsform insbe-

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sondere infolge der beim Komprescoi'betrieb auftretenden Wärme-Spannungen keine gute Betriebssicherheit,

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfachen und wirksamen Schraubenkompressor, -pumpe oder dergleichen mit Gehäuse und .Rotoren, wobei die Rotoren aus einzelnen jeweils auf einer Rotorwelle axial nebeneinander angeordneten Rotorabschnitten mit an ihrem äußeren Umfang befindlichen männlichen bzw. weiblichen Schraubengängen zusammengesetzt sind, zu schaffen, welche nicht die .Nachteile der bekannten Drehkolbenmaschinen aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadux'ch gelöst, daß die Rotorabschnitte der beinen Rotoren zueinander axial versetzt angeordnet sind, wobei ein Rotorabschnitt auf der mit einer Antriebsmaschine verbundenen Rotorwelle arehfest und sämtliche übrigen Rotorabschnitte auf den beiden Rotorwellen derart unabhängig voneinander drehbar angeordnet sind, daß ein auf den drehfest angeordneten Rotorabschnitt aufgebrachtes Drehmoment fortlaufend jeweils von einem Rotorabschnitt auf den gegenüberliegenden übertragen wird. Mit Vorteil ist dabei die mit männlichen Rotorabscnnitten versehene Rotorwelle mit einer Antriebsmaschine verbunden drehbar im Kompressorgehäuse angeordnet und die mit weiblichen Rotorabscnnitren versehene Rotorwelle, vorzugsweise durch eine kantige Ausbildung der Rotorwellenenden, im Kompressorgehäuse undrehbar befestigt.

Aufbau und Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine unterscheiden sich ganz grundsätzlich von den bekannten Maschinen, und eine erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine weist infolge ihres speziellen Aufbaus und ihrer Wirkungsweise gegenüber den bekannten wesentliche Vorteile auf. Obwohl bei einem erfindungsgeinäßen Schraubenkompressor nur ein

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Rotorabschnitt insbesondere auf der angetriebenen männlichen !Rotorwelle drehfesfc angeordnet ist und sämtliche übrigen Rotorabschnitte jeweils auf ihrer Rotorwelle unabhängig voneinander verdrehbar angeordnet sind, ist ein optimaler Kompressionsablauf gewährleistet. Der drehfest auf der angetriebenen Rotorwelle angeordnete männliche Rotorabschnitt überträgt das Drehmoment auf wenigstens einen mit ihm im kämmenden Eingriff stehenden und zu ihm axial versetzt und auf der weiblichen Rotorwelle drehbar angeordneten weiblichen Rotorabschnitt. Infolge der axialen Versetzung überträgt der weibliche Rotorabscimitt das Drehmoment auf den nächsten, mit ihm im kämmenden Singriff stehenden auf der männlichen Rotorwelle drehbar angeordneten männlichen Rotorabschnitt, weicher seinerseits wieder den nächsten weitlichen Rotorabschnitt antreibt undsofort. Auf diese ..eise kämmen sämtliche nebeneinander angeordnete Rotorabschnitte eines Rotors ohne direkte Abhängigkeit voneinander mit den ihnen jeweils zugeordneten Rotorabschnitten des anderen Rotors. Daraus ergibt sich, daß infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnungen auftretende Verformungen insbesondere an den Schraubengängen der Rotorabschnitte oder sonstige Steigungsfehler im Gegensatz zu den bekannten Schraubenkompressoren tatsächlich, und zwar auf eine besonders einfache Weise ausgeglichen werden können, da sich erfindungsgemäß die einzelnen miteinander im Eingriff stehenden Rotorabschnitte jeweils aufeinander einstellen können. Aber auch Verformungen in axialer Richtung werden bei aem erfindungsgemäßen Schraubenkompressor auf einfache Weise dadurch ausgeglichen, daß bei ihm die einzelnen Rotorabschnitte im Gegensatz zu den bekannten Schraubenkompressoren auch axial nicht miteinander direkt verbunden sind, sondern gewöhnlich zwischen den einzelnen Rotorabschnitten über ihren gesamten Querschnitt sogar ein kleiner axialer Spalt vorhanden ist.

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Die drehfeste Fixierung des einen männlichen Rotorabschnitts auf der männlichen Rotorwelle, welcher zweckmäßigerweise der der Antriebsmaschine nächstgelegene ist, kann auf verschiedene Arten, beispielsweise mittels iNut und Paßfeder, erfolgen, .tintsprechend ist auch die Lagerung der auf ihrer Welle Jeweils drehbaren Rotorabschnitte grundsätzlich als Gleitlagerung oder auch mit Wälzlagern ausführbar.

Der Zusammenbau der erfindungsgemäßen Rotoren aus einzelnen Rotorabschnitten ist somit insgesamt besonders einfach und vermeidet vor allem die bekannten aufwendigen Schweißungen· Er ermöglicht eine große Betriebssicherheit auch unter extremsten Betriebsbedingungen und entsprechend eine lange Lebensdauer für einen erfindungsgemäßen Schraubenkompressor und ist somit auch sehr wirtschaftlich.

Ein störungsfreier Betriebsablauf des erfindungsgemäßen Schraubenkompressors ergibt sich, wenn die axiale Länge der einzelnen Rotorabechnitte sowie die axiale Versetzung zwischen den einander zugeordneten Rotorabschnitten zumindest so groß ist, daß zwischen den beiden Rotoren jeweils eine Drehmomentübertragung möglich ist. Zumindest bei bestimmten Rotorprofilen, d.h. Querschnittsformen der die männlichen bzw. weiblichen Schraubengänge bildenden Kämme bzw. Nuten im Sadialschnitt, gibt es einen Drehwinkelbereich, in welchem infolge der Profilgeometrie kein Drehmoment übertragen wird. Wird nun erfindungsgemäß bei gegebenem Schraubensteigungswinkel die axiale Länge der einzelnen Rotorabschnitte sowie die axiale Versetzung zwischen den einander zugeordneten Rotorabschnitten so groß gewählt, daß zwischen den beiden Rotoren jeweils eine Drehmomentübertragung möglich ist, so ist insbesondere auch eine Verwendung dieser Rotorprofile im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung mög-

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lieh. Der Verdrehungswinkel pro Versetzung übersteigt dann immer den Drehwinkelbereich, in welchem keine Drehmomentübertragung möglich ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung entspricht die axiale Versetzung zwischen den einander zugeordneten Rotorabschnitten der beiden Rotoren, zumindest überwiegend, der Hälfte aer axialen Länge der einzelnen Rotorabschnitte· Auf diese Weise ist eine besonaers gleichmäßige, symmetrische Belastung der einzelnen Rotorabschnitte gewährleistet, woraus sich eine noch weiter erhöhte Betriebssicherheit ergibt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 im axialen Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Schraubenkompressor mit aus einzelnen Rotorabschnitten zusammengesetzten Rotoren und

Figur 2 den Schraubenkompressor gemäß Figur 1 im axialen Horizontalschnitt.

In Figur 1 ist zwecks Einführung in die Erfindung zur überschlägigen Veranschaulichung von dessen Aufbau und Wirkungsweise ein erfindungsgemäßer Schraubenkompresnor im schematischen Längsschnitt dargestellt. Der Schraubenkompressor gemäß Figur 1 wei st einen männlichen 1 und einen weiblichen 2 (nicht dargestellt) Rotor auf, welche koaxial in entsprechenden sich durchdringenden zylindrischen Bohrungen eines Kompressorgehäuses 3 angeordnet sina. Das Gehäuse 3 besitzt

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je eine saugseitige 4- αιια eine druckseitige 5 Stirnwand. in den Stirnwänden 4 und 5 sind die Wellen der Rotoren 1 und 2 angeoranet, insbesondere in der Stirnwand 4 das saugseitige Hotorwellenende 6a bzw. 7 a (nicht dargestellt) und in der Stirnband 5 das druckseitige Rotorwellenende 6b bzw. 7b (nicht dargestellt). Ferner ist in der saugseitigen Gehäusestirnwand 4 ein Ansaugstutzen 8 vorgesehen, der mit dem Arbeitsraum 9 des ^chraabenkompressors über eine Ansaugöffnunjf 10 in Verbindung steht. Schließlich ist dem Gehäuse ein sich an die druckseitige Gehäusestirnwand 5 anschließender HochdrucKstutzen 11 zugeordnet, der mit dem Arbeitsraum über eine iiochür-ucköffnung 12 verbunden ist.

Das saugseitige Wellenende 6a der männlichen Rotorwelle ist zum Antrieb des ocnraubenkompressors an eine nicht dargestellte Antriebsmaschine angeschlossen. Wird der Kompressor angetrieben, so 1 auf en die Rotoren 1 und 2 gegensinnig (vergleiche Drehpfeil 13 des männlichen Rotors 1)· Dabei wird Gas von ■Ansaugdruck gemäß Pfeil 8a durch der- Ansaugstutzen 8 und die Ansaugöffnung xO in den Arbeitsraum 9 des Kompressors eingesaugt. Im Arbeitsraum 9 wird aas Gas auf bekannte Weise dadurch komprimiert, daß es fortlaufend durch jeweils zwei ineinandergreifende Schraubengänge von der öaugseite bis zur Druckseite gescoooec wird, wobei sich das Volumen der das Gas enthaltenden Verdichtungsgänge jeweils verringert. An der Druckseite des Schraubenkompresoors wird das auf Kompressionsdruck gebrachte Gas aus dem jeweils letzten Verdich— tungsgang durch die in der druckseitigen Gehäusestirnwand 5 angeordnete Hochdrucköffnung 12 in den Hochdruckstutzen 11 geschoben, durch welchen es gemäß Pfeil 11a zum Verbraucher gelangt.

-Vie in Figur 1 lediglich angedeutet, s'ind bei dem erfin—

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dungsgemäßen bchraubenkompressor die Rotoren 1 und 2 jeweils aus mehreren axial nebeneinander gereihten Rotorabschnitten zusammengesetzt. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf den Zusammenbau der Rotoren 1 und 2 aus diesen Rotorabschnitten. In Figur 2 sind hierzu anhand eines axialen Horizontalschnitts durch ien erfindungsgemäßen Schraubenkompres;-or nähere Einzelheiten der Erfindung dargestellt, wobei sämtliche iibrisrsn Einzelheiten, beispielsweise im wesentlichen das Ror,orgehäuse, der Einfachheit; halber nur schematisch angedeutet ouer ganz fortgelassen sind.

Bei dem erfindungs gemäß en S ehr aub eiikompr ess or sind die Rotoren 1 (männlich) "bzw. 2 (weiblich) aus einzelnen jeweils auf einer Rotorwelle 6 bzw. 7 axial nebeneinander angeordneten Rotorabschnitten 1a, 1b, 1c (männlich) bzw. 2a, 2b, 2c, 2d (weiblich) zusammengesetzt, welche an ihrem äußeren Umfang jeweils durch strichpunktierte Linien angedeutete männliche bzw. weibliche Schraubengänge aufweisen. Die Rotorabschnitte 1a, 1b, 1c, und 2a, 2b, 2c, 2d der beiden Rotoren

1 bzw. 2 sind zueinander axial versetzt angeordnet.

Der männliche Rotorabschnitt 1a ist auf der an ihrem saugseitigen Ende 6a mit einer nicht gezeigten Antriebsmaschine verbundenen männlichen Rotorwelle 6 mitteis einer Paßfeder drehfest angeordnet. Sämtliche übrigen Rotorabschnitte 1b, 1c bzw. 2a, 2b, 2c, 2d sind dagegen auf ihren Rotorwellen i bzw.

2 unabhängig voneinander drehbar angeordnet. Dabei ist die mit den männlichen Rotorabschnitten 1a, 1b, 1c versehene Rotorwelle selbst drehbar in der saugseitigen 4 und druckseitigen 5 Gehäusestirnwand angeordnet. Hingegen ist die mit weiblichen Rotorabschnitten versehene weibliche Rotorwelle 7 in der saugseitigen 4 und druckseitigen 5 Gehäusestirnwand undrehbar befestigt, wozu das saugseitige 7a und das druck-

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seitige Yb Rotorweileneiide jeweils als Vielkant ausgebi.1-cet ist.

Die axiaxe Länge, zum Beispiel y, der einzelnen Botorabschnitte, zum Beispiel To, 2a, 2b, 2c, 2d, sowie die axiale Versetzung, zum Beispiel x₅zwischen den einander zugeordneten Rotorabschnitten, zum Beispiel 2b und 1b, sind zumindest so groß, daß zwischen den neiden Roboren 1 und 2 jeweils eine Drehmomentübertragung möglich ist.

Die axiale Versetzung χ zwischen sämtlichen einander zugeordneten Rotorahschnitten der beiden Rotoren 1,2 entspricht im dargestelixer, Ausf ührungrs bei spiel der riälfte der axialen Länge j der kürzeren Eotorabschnitte, zum Beispiel 2b. Daraus ergibt sich für die einzelnen Rotorabschnitfce eine weitgehende gleichmäßige, syniraecrische Belastung, wodurch die Betriebssicherheit des erfindungsgemäßen Schraubenkompressors noch weiter erfleht wird.

Die Funktionsweise der Rotorenanordnung des erfindungsgemäßen ocnrä ibenkoiEpressors ist fclgenaermaßen: Bei Antrieb der im Kompresjorgehäuse 4-, 5 drehbaren männlichen Rotorwelle 6 gemäß Drehpfeii 15 wird direkt zunächst nur der mit dieser drehfest verbundene männliche Rotorabschnitt 1a mitbewegt. Der männliche Rotorabschnitt 1a überträgt jedoch ein Drehmoment auf die mit ihm im kämmenden Eingriff stehenden, auf der im Kompressorgehäuse 4,5 undx'ehbar befestigten Rotorwelle 7 drehbaren Rotorabschnitte 2a und 2b. Der Rotorabschnitt 2b überträgt seinerseits wiederum ein Drehmoment auf den mit ihm im kämmenden Eingriff stehenden, auf der männlichen Rotorwelle 6 drehbaren männlichen Rotorabscnnitt 1b. Die v/eitere Drehmomentübertragung erfolgt kurz gesagt vom männlichen Rotorabschnitt Ib auf den weibiichei. ffotorabochnitt 2c, von letzterem

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^uf den männliche.-* iiot-orehscunitt 1c und vcri diesem sociieß— lieh auf cen weiblichen hotorarsennits 2d.

In diesem Zusammenhang sei nocnmals darauf hxngewiesen, daß sämtliche axial nebeneinander angeordnete Rotorabschnitte, wie zeichnerisch aach angedeutet, ein gewisses axiales Spiel zueinander haben una nicht; etwa durch die lediglich der axialen Endfixierung dienenden Sicherungsringe I5 oder dergleichen axial gegeneinander verspannt sind.

Angesichts der vorstehend beschriebt.-nen Funktionsweise der ftotorenano.'-dnunr des erficdunrsgemäßen üciir-aubenkoinpresiiors ist leicht einzusehen, da3 :-u ;h -ii^se Eotorenanordrrong insbesondere durch die föl= enden Vorteile auszeichnet: Die A33einan.derreihung aer einzelnen Rotoratochnit^e la, ib, ic bzw. 2a, 2by 2c, 2d auf ihren Rotorwelle^ t bzw. 7 erfordert nur einen geringer* B-iUaufwar.d. Dabei entfallen insbesondere aufwendige Schv/eiSungt-n. Gleichzeitig weist die erfindungsgemäße Rotorenanordriung eine erhöhte betriebssicherheit auf, zumal die einztineu Hotorabschnit^e 1a, 1b, 1c und 2a, 2b, 2c, 2d sowohl umfangsiBaßige als auch axiale Störungen, insbesondere auftretende unterschiedliche Wärmedehnungen oder gegebenenfalls "vorhandene Sehrfaucensteigungsfehler, besonders gut ausgleiciien kennen.

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Claims

Ansprüche

*.Schraubenkompressor, -pumpe oder dergleichen mit Gehäuse und Rotoren, wobei die Rotoren aus einzelnen jeweils auf einer Rotorwelle axial nebeneinander angeordneten Rotor— abschnitten mit an ihrem äußeren Umfang befindlichen männlichen bzw. weiblichen Schraubengängen zusammengesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorabschnitte (1a, 1b, 1c; 2a, 2b, 2c, 2d) der beiden Rotoren (1j 2) zueinander axial versetzt angeordnet sind, wobei ein Rohrabschnitt (1a) auf der mit einer Antriebsmaschine verbundenen Rotorwelle (6) drehfest und sämtliche übrigen Rotorabschnitte (1b, 1c; 2a, 2b, 2c, 2d) auf den beiden Rotorwellen (6; 7) derart unabhängig voneinander drehbar angeordnet sind, daß ein auf den drehfest angeordnetem Rotorabschnitt (1a) aufgebrachtes Drehmoment fortlaufend jeweils von einem Rotorabschnitt auf den gegenüberliegenden übertragen -,vird.
2. Schraubenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit männlichen Rotorabschnitten (1a, 1b, 1c) versehene Rotorwelle (6) mit einer Antriebsmaschine verbunden drehbar im Kompressorgehäuse (4, 5) angeordnet ist und die mit weiblichen Rotorabschnitten (2a, 2b, 2c, 2d) versehene Rotorwelle (7)> verzugsweise durch eine kantige Ausbildung der Rotorwellenenden (?a, 7b), im Kompressor— gehäuse (4, 5) undrehbar befestigt ist.

3» Sehraubenkompressor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge (y) der einzelnen Rotorabschnitte (1a, 1b, 1c; 2a, 2b, 2c, 2d) sowie die axiale Versetzung (x) zwischen den -einander zugeordneten

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Rotorabschnitten (1 a, 2b; 2b, 1b; 1b, 2c; 2c, 1c) zumindest so groß sind, daß zwischen den beiden Rotoren (1; 2) jeweils eine Drehmomentübertragung möglich ist.

4-, Schraubenkompressor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3» dadurch, gekennzeichnet, daß die axiale Versetzung (i) zwischen den einander zugeordneten Rotorabschnitten
(1a, 1b, 1c; 2a, 2b, 2c, 2d) der beiden Rotoren (1; 2), zumindest überwiegend,der Hälfte der axialen Länge (7) der
einzelnen Rotorabschnitte (1b, 2a, 2b, 2c, 2d) entspricht.

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