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Drehkolbenmaschine, insbesondere Schraubenkompressor, mit einzelnen
Rotorabschnitten Die erfindung bezieht sich auf eine Drehkolbenmaschine, insbesondere
einen Schraubenkompressor, -pumpe oder dergleichen, mit Gehäuse und Rotoren, wobei
die Rotoren aus axial nebeneinander angeordneten, durch Bolzen miteinander verbundenen
Rotorabschnitten mit an ihrem äußeren Umfang befindlichen männlichen und weiblichen
Schraubengängen zusammengesetzt sind. Dabei sollen unter Drehkolbenmaschinen ferner
grundsstzlich auch nach dem fichraubenprinzip arbeitende Expansionsmaschinen verstanden
werden.
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Zur Xompression von gasförmigen Medien werden in vielen Fällen Schraubenkompressoren
bevorzugt verwendet. Sie sind relativ wirtschaftlich, betriebssicher und ruhig im
Lauf. 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 Sompressors geschoben wird, wobei sich das Volumen der das Gas oder die Luft
enthaltenden Verdichtungsgänge jeweils verringert.
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Im Hinblick auf den erforderlichen Bauaufwand für Schraubenkompressoren
spielen die an ihrem Umfang mit männlichen bzw.
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weiblichen Schraubengängen versehenen Rotoren eine wesentliche Rolle.
Die Rotoren werden vielfach über ihre 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 Herstellungsaufwand für Schraubenkompressorrotoren
dadurch zu reduzieren, daß man die Rotoren aus mehrere. axial aneinandergereihten
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.
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durch Sintern, Rollen oder Drücken, einfacher und damit billiger herstellen.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß im Hinblick auf die vielfach extremen Betriebsbedingungen
von Schraubenkompresoren der Zusammenbau der einzelnen Rotorabschnitte zu einem
Rotor problematisch ist.
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Es ist bekannt, die einzelnen Rotorabschnitte durch Verschweißen am
Umfang miteinander zu verbinden. Abgesehen davon, daß derartige umlaufende Jchweißnähte
einen beträchtlichen Fertigungsaufwand bedeuten, zeigte sich, daß die Schweißung
infolge der beim Kompressorbetrieb auftretenden 8Xarmespannungen reißt. Die steigung
der Schraubengänge, die durch die Zusammenfügung der Rotorabschnitte gebildet erden,
wird durch die Verformung geändert. Der Verdrehungswinkel des antreibenden oder
getriebenen Rotors und die Form der ihre Schraubengänge bildenden Kämme bzw. lauten
sind untereinander verschieden.
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Infolgedessen kann das für einen normalen Kompressorbetrieb erforderliche
Spiel zwischen den Yämmen und gluten der beiden Rotoren nicht mit sicherheit eingehalten
werden, und die Rotoren laufen oder fressen sich daher fest.
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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 Rotorabschnitte. 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 Schraubenkompressor auftretenden Spannungen im Rotor nicht befriedigend gelöst.
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Schließlich ist es noch bekannt, die Rotorabschnitte eines Rotors
jeweils mittels von der saugseitisen Rotorstirnfläche bis zur druckseitigen Rotorstirnfläche
durchgehender Bolzen axial gegeneinander zu verspannen und damit gleichzeitig gegen
Verdrehung zu sichern. Hierzu erden die in ihrer Längserstreckung im wesentlichen
der Rotorlänge entsprechenden Bolzen durch in sämtlichen Rotorabschnitten vorgesehene
Durchbrüche hindurchgesteckt und an den beiden endständigen Rotorabschnitten vernietet
oder verschraubt. Die in sämtlichen Rotorabschnitten angeordneten Durchbrüche entsprechen
in ihrem radialen Querschnitt dem Querschnitt der durch sie hindurchgesteckten Bolzen.
Es ist leicht einzusehen, daX auch diese Verbindumesmethode für die Rotorabschnitte
wesentliche Nachteile aufweist.
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Zunächst ist der fertigungstechnische Aufwand infolge der in sämtlichen
Rotorabschnitten genau anzuordnenden durchgehenden
Durchbrüche nicht
unbeträchtlich. Vor allem ist bei der Fertigung darauf zu achten, daß sämtliche
Durchbrüche für einen durchgehenden Bolzen genauestens fluchten. Daraus ergibt sich,
daß die einander entsprechenden Durchbrüche in den einzelnen Rotorabschnitten zur
Aufnahme verschiedener Bolzen immer genau die gleiche Entfernung voneinander haben
müssen. Selbst wenn man dies mit eines. erheblichen Ferti@ungsaufwand erreicht,
so besteht während des Betrie@s der Schraubenkompressoren dennoch die Gefahr von
schweren Funktionssturun.en infolge der bekannten Zusamme@baumethone für die Rotorabschnitte.
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Die wäh en des Kompressoroetrie@s in @e Gel .eF,-el auftretenden unterschiedlichen
Wärmebeanspruchun en können nämlich zu derartigen Spannungen in den einzelnen durchgehenden
Bolzen führen, daß diese ihre Funktion nicht mehr voll oder schließlich gar nicht
menr erfülle. könner. Betriebs@ienerheit und Lebensdauer auch dieser bekannten Schraubenkom@restorrotoren
sind somit ebenfalls nicht befriedigend.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache
und wirksame Drehkolpenmaschine, insbesondere einen Schraubenkompressor, -pumpe
oder dergleichen,mit Gehäuse und Rotoren, wobei die Rotoren aus einzelnen jeweils
auf einer Rotorwelle axial nebeneinander angeordneten, durch Bolzen miteinander
verbundenen Rotorabschnitten mit an ihrem äußeren Umfang befindlichen männlichen
und weiblichen Schraubengängen zusammengesetzt sind, zu schaffen, welche nicht die
Nachteile der bekannten Drehkol@enmaschinen aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeweils zwei
axial benachbarte Rotorabschnitte durch, vorzugsweise zwei, Steckbolzen miteinander
verbunden sind, welche in die einander zugekehrten Stirnflächen der beiden Rotorabschnitte
axial einstoßen. Gemäß einer beson@ers vorteilhaften Ausbildung ist dabei die in
einem der Seiden Rotorabschnitte angeordnete Aufnahmeöffnung fur einen er @@@den
Steckbolzen als radial
verlaufendes Langloch ausgebildet.
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Eine erfindungsgemäße Drenkolsenmaschine weist infolge des speziellen
Zusammenbaus der einzelnen Rotorabschnitte gegenüber den bekannten Drenkol@enm@schinen
wesentliche Vorteile auf. Zunächst werden bei ihr nicht durchgehende Bolzen wie
bei der bekannten Drehkolbenmaschine venrwendet, sondern erfindungsgemäß werden
je@eils lediglich zwei axial benachbarte Rotorabschnitte für sich auch, vorzugsweise
zwei, oteckbolzen miteinander vverbunden. Die Steckbolzen sind wesentlich kürzer
als die bekannten durchgehenden Bolzen uiio brauchen im Geensatz zu letzteren überdies
nur in die entsprochenien, in den einander zugeKehrten Rotorstirnflächen vorgesehene.
Aufnahmeöffnungen eingesteckt erden. Trotz dieses geringen Zusammenbauaufwands sind
bei einer erfindun sgem@ßen Drehkolbenmaschine die einzelnen Rotorabschnitte ausreicnend
gegen gegenseitige Verdrehung gesichert. Von ganz besonderer Vorteil ist ferner
das Erfindungsmerkmal, da3 jeweils die in einem der beinen Rotorabschnitte angeordnete
Aufnanmeöffnung für einen der beiden Steckbolzen als radial verlaufendes Langloch
ausgebildet ist.
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Dadurch können einerseits Fertigungstoleranzen insbesondere im Hinblick
auf den Abstand der in den einander zugeordneten Rotorabschnitten angeordneten Aufnahmeöffnungen
für die Steckbolzen auf einfachste weise immer ausgeglichen werden. Andererseits
erlauben die Langlöcher ferner während des Kompressorbetriebs vor allem einen Ausgleich
der unterschiedlichen Wärmedehnungen in den verschiedenen Rotorabschnitten, so daß
auch bei extremsten Betriebsbedingungen keine unzulässig hohen Spannungen auf die
Steckbolzen wirken, ihre Funktionssicherheit also immer gewährleistet it. Schließlich
ergibt @ich aus der Tatsache, daß bei einer erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine
die einzelnen Rotoraoschnitte eines Rotors nicht wie bei oen bekannten Drehkol enmaschinen
fest gegeneinander verspannt sind, der Vorteil, daß sich unterschiedliche Wärmedehnungen
der Rotorabschni-tte selbst auch axial ausgleichen können. Eine erfindungsgemäße
Drehkolbenmaschine hat also bei relativ geringem Fertigungsaufwand eine hohe @etriebssicherheit
und entsprechend hohe Lebensdauer, was schließlich auch seine Wirtschaftlichkeit
erhöht.
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Gemäß einer besonder vo:'teilhaften Ausführungsform der Erfindung
ist bei minuestens einem, insbesondere dem männlichen, Rotor jeweils ein, vorzugsweise
mibtigerXRotorabschnitt drehfest mit aer zugehören Rotorwelle verbunden. Beispielsweise
kann die drehfeste Verbindung der Rotorabschnitte des veiblichen Rotors mit dessen
Welle dar£n entfallen, wenn der weibliche Rotor über seine Schraubenkämme durch
die Schraubenkämme des männlichen Rotors angetrieben wird. In einem derartigen Fall
können sämtliche Rotorabschnitte des weiblichen Rotors auf dessen -im Kompressorgehäuse
undrehbar befestigter- Rotorwelle drehbar angeordnet sein.
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Schließlich kann es noch, vor allem im Hinblick auf die räumlichen
Verhältnisse, von Vorteil sein, wenn die einzelnen Steckbolzenanordnungen jeweils
in den Kämmen der einzelnen Rotorabschnitte angeordnet sind.
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Zweckmäßigerweise sind jeweils außerhalb der beiden äußeren Rotorabschnitte
eines Rotors Anordnungen, beispielsweise ein Wellenbund und ein Sicherungsring,
zur axialen Endfixierung der beiden äußeren Rotorabschnitte vorgesehen.
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Sinne erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine zeichnet sich durch einen
einfachen kompakten Aufbau aus. Bei ihr ist vor allem eine relativ aufwendige drehfeste
Fixierung sämtlicher übrigen Rotorabschnitte außer dem vorzugsweise mittigen auf
den Rotorwellen vermieden. Trotzdem ist infolge des erfindungsgemäßen Zusammenbaus
der einzelnen Rotorabschnitte ein Drehmoment auf sämtliche Rotorabschnitre sicher
übertragbar.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines In der Zeichnung schematisch
dargestellten Ausführungsbeispiels einer erläutert. Es zeigen: Figur 1 im axialen
LangsschniQt einen erfindungsgemäßen Schraubenkompressor,
Figur
2 im axialen Längsschnitt eine bevorzugte Ausführungsform eines aus einzelnen Rotorabschnitten
zusammengesetzten Rotors eines erfindungsgemäßen Schraubenkompressors und Figur
3 einen Querschnitt III-III aus Figur 2.
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In Figur 1 ist zwecks Einführung in die erfindung zurtüberschlä zeigen
Veranschaulichung von dessen Aufbau und Wirkungsweise ein Schraubenkompressor im
schematischen Längsschnitt dargestellt.
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Der Schraubenkompressor gemäß Fi ur 1 weist einen männlichen 1 und
einen weiblichen 2 (nicht dargestellt) Rotor auf, welche koaxial in entsprechenden
sich durchdringenden zylindrischen Bohrungen eines Kompressorgehäu@es 3 angeordnet
sind. Das Gehäuse 3 besitzt Je eine saugseitige 4 und eine druckseitige 5 Stirnwand.
In den Stirnwäncjen 4 und 5 sinu die Wellen der Rotoren 1 und 2 angeordnet, insbesondere
in der Stirnwand 4 das saugseitige Rotorwellenende 6a bzw. 7a (nicht dargestellt)
und in der Stirnwand 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 Schraubenkompressors über eine Ansaugöffnung 10 in
Verbindung steht. Schließlich ist dem Gehäuse 3 ein sich an die druckseitige Gehäusestirnwand
5 anschlie3ender Rochdruckstutzen 11 zugeordnet, der mit dem Arbeitsraum 9 über
eine Hochdrucköffnung 12 verbunden ist.
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Das saugseitige Wellenende 6a der männlichen Rotorwelle ist zum Antrieb
des Schraubenkompressors an eine nicht dargestellte Antriebsmaschine angeschlossen.
Wird der Kompressor angetrieben, so laufen die Motoren 1 und 2 gegensinnig ( vgl.Drehpfeil
13 des
männlichen Rotors 1). Dabei wird Gas von Ansaugdruck gemäß
Pfeil 8a durch den Ansaugstutzen 8 und die Ansaugöffnung 10 in den Arbeitsraum 9
des Kompressors ein esaugt. Im Arbeitsraum 9 wird das Gas auf bekannte @eise dadurch
komprimiert, daß es fortl@ufend durch jeweils zwei ineinandergreifende Schraubengänge
von der Saugseite bi zur rseice geschoben wird, wobei sich das Volumen der das Gas
enthaltenden Verdichtungsgänge jeweils verringert. An der Druckseite des Schraubenkompressors
wird das auf Kompressionsenddruck gebrachte Us aus dem jeweils letzten Verdichtungsgang
durch die in der druckseitigen Gehäusestirnwand 5 angeordnete Hochdrucköffnung 12
in den Hochdruckstutzen 11 gescnoben, durch welchen es gemäß Efeil 11a zum Verbraucher
gelangt.
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Wie in Figur 1 lediglich angedeutet, sind bei dem erfindungsgemäßen
Schraubenkompressor die Rotoren 1 und 2 jeweils aus mehreren axial aneinandergereihten
Rotorabschnitten zusammengesetzt. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere
auf den Zusammenbau der Rotoren 1 und 2 aus diesen Rotorabschnitten. In den Figuren
2 und 3 iot anhand eines axialen Längsschnitts bzw. radialen uerschnitts durch den
männlichen Rotor eines erfindungsgemäßen Schraubenkompressors schematisch eine Ausführungsform
der Erfindung dargestellt, wobei sämtliche übrigen Einzelheiten, beispielsweise
die Lagerung der Rotorwellenenden, der Einfachhelt halber nur schematisch angedeutet
oder ganz fortgelassen sind. An dieser Stelle sei ferner erwähnt, daß der weibliche
Rotor einen dem männlichen Rotor entsprechenden oder auch einen abgewandelten Aufbau
aufweisen kann.
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Bei dem erfindungsgemäßen Schraubenkompressor ist der Rotor 1 aus
einzelnen jeweils auf einer Rotorwelle 6 axial nebeneinanuer angeordneten Rotorabschnitten
1a, Ib, 1c, 1d, le zusammengesetzt, welche an ihrem äußeren Umfang jeweils durch
strichpunktierte
Linien angedeutet männliche Schraubengänge aufweisen.
Die Rotorabschnitte la . . . le sind erfindungsgemäß derart durch Bolzen miteinander
verbunden, dafs jeweils zwei axial benachbarte Rotorabschnitte, beispielsweise 1b
und 1c, durch zwei die einander zugekehrten Stirnflächen der beiden Rotorabschnitte
Ib, Ic axial durchstoßende Steckbolzen 14 und 15 miteinander verbunden sind, wobei
die in einem der beiden Rotorabschnitte, beispielsweise im Rotorabschnitt 1b, angeordnete
Aufnahmeöffnung für einen der beiden Steckbolzen, insbesonderte den Steckbolzen
15, als radial verlaufendes Langloch 16 ausgebildet ist. Die übrigen in den einander
zugekehrten Stirnflächen der Rotorabschnitte 1b und 1c angeordneten Aufnahmeöffnungen
für die Steckbolzen 14 und 15 entsp@echen in ihrem zuerschnitt jeweils dem Querschnitt
der Steckbolzen 14 bzw. 15.
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In diesem Zusammenhang sei noch erwähnt, da3 die übrigen erfindungsgemäßen
Steckbolzen-Anordrun-en 14r bzw. 15', 16' zwischen den anderen einander zugeordneten
Rotorabschnittspaaren la und lb, lc und ld, sowie ld und le in gleicher Weise wie
die Steckbolzen-Anordnung 14 bzw. 15, 16 zwischen den Rotorabschnittspaaren lb und
lc eine Verdrehung der die genannten Rotorabschnittspaare bildenden Rotorabschnitte
gegeneinander verhindern. üie Langlöcher 16 bzw. 16' vermögen überdies Fertigungsungenauigkeiten
zwischen einander zugeordneten Rotorabschnitten sowie während des Kompressorbetriebs
ugleiche Wärmedehnungen auszugleichen.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist bei dem Rotor 1 vorzugsweise
der mittige Rotorabschnitt lc drehfest mit der Rotorwelle 6 verbunden, was beispielsweise
durch eine Nut-Passfeder-inordnung 17 realisierbar ist. Ferner sind die ralial verlaufenden
Langlöcher 16 bzw. 16' zur Aufnahme der Steckbolzen 15 bzw. 15' jeweils in der dem
mittigen, drehfest mit der Rotorwelle 6 verbundenen Rotorabschnitt 1c zu6ewandten
Stirnfläche
der übrigen aotoribschnitte la, Ib, ld, le angeordnet. Schließlich sind auberhalb
der beiden äußeren hotorabschnitte 1a und 1e des Rotors 1 Anordnungen 18,19 zur
axialen Endfixierung der beiden äußeren Rotorabschnitte la und le vorgesehen. Bei
einem derartigen erfindungsgemäßen Rotor ist auf einfache Weise eine Übertragung
des Drehmoments von der nicht gezeigten Antriebsmaschine über die Rotorwelle 6 auf
sämtliche Hotorabschnitte la . . . le mit Sicherheit gewährleistet.
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Vorteilhafterweise sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel,
wie vor allem aus Figur 3 ersichtlich, die einzelnen Steckbolzen-Anordnungen 14
bzw. 15, 16 sowie 14' bzw. 15', 16' jeweils in den Kämmen 20 der einzelnen Rotorabschnitte
la ... le angeordnet. Die Wahl einer derartigen Anordnung der Steckbolzen ist in
vielen Fällen vor allem aus Raungründen besonders zweckmäßig. Nebenbei bemerkt liegen
bei einer derartigen Anordnung in der Regel nicht sämtliche Steckbolzen-Anordnungen
in ein und derselben axialen Längsschnittebene, weshalb aucli in Figur 2 die Steckbolzen-Anordnungen
14' bzw. 15', 16' nur gestrichelt eingezeichnet sind.