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Schraubenkompressor mit in einem Gehäuse befindlichen Rotoren Die
Erfindung bezieht sich auf einen Schraubenkompressor, -pumpe oder dergleichen mit
in einem Gehäuse befindlichen Rotoren.
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Es ist bekannt, die an ihrem Umfang mit schraubenförmigen Nuten und
Kämmen versehenen Rotoren von Schraubenkorapressoren aus einem metallischen Werkstoff,
zumeist Stahl, durch Pressgußverfahren oder durch Fräsen aus dem vollen Stück herzustellen.
Diese Herstellungsverfahren eignen sich einerseits grundsätzlich nur für Rotoren
mit verhältnismäßig geringen Außendurchmessern. Bei größeren Rotoren ist die Herstellung
aus metallischen Werkstoffen mit Hilfe des Pressgußverfahrens nicht hinreichend
genau, währtnd das Fräsen von Rotoren großen Durchmessers infolge der dafür erforderlichen
kostspieligen Werkzeugmaschinen und der schwierigen Herstellung sowie großer Materialverschwendung
wirtschaftlich ungeeignet ist. Ein besonders
-wesentlicher grundsätzlicher
Nachteil der bekannten Rotoren liegt jedoch in deren Herstellung aus einem metallischen
Werkstoff. Hier ist vor allem auf den verhältnismäßig hohen Preis derartiger Werkstoffe
hinzuweisen. Ferner haben die bekannten Schraubenkompressor-Rotoren ein verhEltnismäßig-großes
Gewicht, was entsprechend hohe Lagerhaltungs-, Transport- und Montagekosten ergibt.
Das hohe Rotorengewicht zeigt sich auch in einer entsprechend starken Belastung
der Rotorwelle sowie von deren Lager aus, was besonders ins Gewicht fällt, zumal
die Rotoren von Schraubenkompressoren in der Regel mit relativ hohen Drehzahlen
umlaufen. Wegen ihres großen Gewichts müssen die bekannten, mit hoher Drehzahl umlaufenden
metallischen Schraubenkompressor-Rotoren ausgewuchtet werden, was ihre Herstell-
bzw. Montagekosten wesentlich erhöht. Das bereits erwähnte hohe Gewicht und die
gegebenenfalls vorhandenen Unwuchten sind schließlich auch für einen ruhigen Lauf
schädlich.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schraubenkompressor,
-pumpe oder dergleichen mit in einem Gehäuse befindlichen Rotoren zu schaffen, welcher
insbesondere im Hinblick auf die Rotoren nicht die Nachteile der bekannten Schraubenkompressoren
aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Rotoren
jeweils aus auf eine metallische Rotorwelle aufgespritztem, vorzugsweise glasfaserverstärktem,
Kunststoff bestehen. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausbildung der Erfindung
ist der Kunststoff ein warmfesten Polyamid, insbesondere Polyäthylenterephtalat.
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Es wurde gefunden, daß e;n Schraubenkoinpressor-Rotor gemäß der vorliegenden
Erfindung bei entsprechender erfindungsgemäßer Kunststoffwahl nicht nur den im Betrieb
der Maschine auftretenden vielfältigen Beanspruchungen stand-hält, sondern darüberhinaus
noch weitere weoentliche Vorteile hat. Hier sind zunächst die geringen Kosten zu
erwähnen, die sich vor allem aus den
gegenUber den Metallwerkstoffen
wesentlich niedrigeren Kunststoffkosten ergeben. Im Übrigen ist ein erfindungsgemäßer
gespritzter Kunststoff-Rotor mit beliebiger Durchmessergröße besonders rationell
in größten Stückzahlen herstellbar. Dabei lassen sich die im Zusammenhang mit der
vorliegenden Erfindung in Frage kommenden Kunststoffe mit so hoher Genauigkeit verarbeiten,
daß ein Nacharbeiten praktisch nicht mehr erforderlich ist und sich außerdem ein
hoher Wirkungsgrad ergibt. Zur Verstärkung des Kunststoffs mit Glasfasern sei noch
erwähnt, daß diese das auch bei Kunststoffen auftretende Verziehen weitgehend beseitigt.
Ein erfindungsgemäß gewählter Kunststoff hält den im Betrieb auftretenden Temperaturen
und Temperaturschwankungen besonders gut stand und ist im übrigen in ausreichendem
Maße korrosionsbeständig. Das Umspritzen der Rotorwelle mit dem den schraubenförmigen
Rotor ergebenden Kunststoff bereitet keinerlei Schwierigkeit, da es sich hier um
Arbeitsgänge handelt, die auf allen Gebieten der Technik weitgehend erprobt sind.
Aufgrund des geringen Gewichtes des erfindungsgemäßen Rotors und im Hinblick auf
die Möglichkeit, mit engen Toleranzen arbeiten zu können, kann auf ein Auswuchten
verzichtet werden, ohne daß dadurch Funktionsstörungen oder ein vorzeitiger Lagerverschleiß
zu befürchten wären. Das gegenüber den metallischen Werkstoffen geringe Gewicht
des verwendeten Kunststoffs ergibt im Betrieb entsprechend niedrige Belastungen
der Rotorwelle sowie der Rotorwellenlager, was sich günstig auf deren Dimensionierung
und Betriebssicherheit auswirkt. Die guten Festigkeits- und Verarbeitungseigenschaften
des erfindungsgemäß verwendbaren Kunststoffs ermöglichen es schließlich, daß bei
den erfindungsgemäßen Schraubenkompressoren stets zwei oder mehr nach den Gesetzen
der lyerzahnungslehre exakt miteinander kämmende Läufer aneinander abrollen.
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Es ist zwar bereits bekannt, das Flügelrad von 'uhlwasser-Kreiselpumpen
bei Kraftfahrzeugen teilweise aus Kunststoff herzustellen, welcher auf eine metallische
Nabe aufgegossen wird.
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Das so erhaltene Flügelrad wird an der Kreiselpumpe montiert, indem
es mit der Nabe auf die Antriebswelle im Preßsitz aufgeschoben wird. Die bekannten
Kreiselpumpen (Strömungsmaschinen) arbeiten jedoch bekanntlich nach einem ganz anderen
Verdichtungsprinzip als die zur Rede stehenden Schraubenkompressoren (Verdrängermaschinen).
Das Flügelrad einer Strömungsinaschine erteilt dem zu fördernden Medium einen Strömungsimpuls.
Dabei sind die Schaufelkanäle in den Flügelrädern von Strömungsmaschinen stets an
beiden Enden geöffnet, zwischen den einzelnen Strömungskanälen besteht keine Druckdifferenz.
Im Gegensatz hierzu ist bei den erfindungsgemEßen YerdrMngermaschinen stets ein
großer Druckunterschied zwischen den einzelnen Strömungskanälen vorhanden. Diese
sind mit Ausnahme der Ansaug- und Ausstoßphase stets abgeschlossen. Außerdem müssen
bei den im Schutzbegehren genannten Maschinen stets mindestens zwei nach den Gesetzen
der Verzahnungslehre exakt miteinander kämmendc Rotoren vorhanden sein. Die bekannten
Flügelräder sind also nach ganz anderen Gesetzmäßigkeiten geformt als die Rotoren
der erfindungsgemäßen Schraubenkompressoren, wodurch sich die Beanspruchungen der
beiden sich gegenüber stehenden Läuferarten wesentlich voneinander unterscheiden.
Von besonderer Wichtigkeit ist jedoch das Unterschiedsmerkmal, daß beizen erfindungsgemäßen
Schraubenkompressor-Rotoren auf sehr einfache Weise der Kunststoff direkt auf die
Rotorwellen aufgespritzt wird. Dadurch erübrigt sich die Verwendung eines zusätzlichen
metallischen Wabenkörpers sowie dessen abschließendes Aufpressen auf die Rotorwelle.
Die verschiedenen Vorteile der Erfindung ergeben insgesamt, daß ein erfindungsgemäßer
Kunststoffrotor auch unter Berücksichtigung der Forderung eines hohen Sicherheitsfaktors
beim Betrieb des betreffenden Schraubenkompressors, -pumpe oder dergleichen mit
Erfolg verwendbar ist. Vor allem wegen der im Hinblick auf die Besonderheiten eines
schnellaufenden Schraubenkompressors, insbesondere das Kämmen jeweils mindestens
zweier Rotoren miteinander, geforderten Sicherheit hielt man es bisher auch angesichts
der bekannten Kreiselpumpen nicht für möglich, von den bekannten metallischen Schraubenkompressor-Rotoren
abzugehen.
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Schließlich ist noch zu erwähnen, daß sich bei den erfindungsgemäßen
Kunststoffrotoren infolge von deren geringem Gewicht ein wesentlich kleineres Schwungmoment
als bei den bekannten Schraubenrotoren ergibt.
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Dadurch benötigt ein erfindungsgemäßer Schraubenkompressor vor allem
eine wesentlich geringere elektrische Anfahrleistung für den Antriebsmotor.
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Mit Vorteil beträgt der Glasfaseranteil des erfindungsgemäß verwendbaren
Kunststoffs 20 bis 45 %, vorzugsweise 30 %. Der jeweilige Glasfaseranteil ist dabei
entsprechend der speziellen Rotorausbildung und den auftretenden Beanspruchungen
wählbar.
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Bei einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform des eHlndungsgemäßen
Schraubenkompressors sind die Rotorwellen an ihrer vom Kunststoff umgebenen Mantelfläche
mit einer Profilierung versehen. Die Profilierung der Mantelfläche der Rotorwelle
kann dabei durch in Achsrichtung verlaufende, gleichmäßig über den Umfang verteilte
Nuten und Stege gebildet sein. Eine derartige Ausbildung der Rotorwellen ermöglicht
eine formschlüssige Verbindung zwischen Kunststoff und dem Wellenkörper, sodaß die
Funktionssicherheit des erfindungsgemäßen Kunststoffrotors noch weiter erhöht wird
Zur weiteren Material- und Gewichtseinsparung und Verringerung des Trägheitsmomentes
der Rotoren sind gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung in den Schraubenkämmen,
zumindest des männlichen Rotors, zentrale Aussparungen vorgesehen. Dabei verlaufen
die Aussparungen zweckmäßigerweise jeweils von den Rotorstirnseiten bis nahezu zur
Rotormitte. Bei dieser- Ausbildung der Aussparungen, bei welcher diese also nicht
durchgehend von einer Rotorseite bis zur anderen verlaufen, wird verhindert, daß
komprimiertes Medium (durch die Aussparungen) vom hochdruckseitigen Stirnspalt zur
Niederdruckseite des Kompressors zurückströmt.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung schematisch
dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
Figur 1 einen achsialen Längsschnitt durch
den männlichen Rotor des Rotorpaares eines erfindungsgemäßen Schraubenkompressors
und Figur 2 einen Querschnitt II-II aus Figur 1.
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In den Figuren 1 und 2 sind die beiden miteinander kämmenden Rotoren
1 (männlich) und 2 (weiblich) eines erindungsgemäßen Schraubenkompressors dargestellt.
Das Rotorpaar 1, 2 befindet sich in einem nicht dargestellten entsprechend ausgebildeten
Kompressorgehäuse, in dessen Arbeitsraum das Medium auf bekannte Weise infolge der
Rotorendrehung von der Saugseite bis zur Druckseite geschoben und dabei verdichtet
wird.
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Erfindungsgemäß bestehen die Rotoren 1, 2 jeweils aus auf eine metallische
Rotorwelle 3 bzw. 4 aufgespritztem, vorzugsweise glasfaserverstärktem Kunststoff
K. Das Aufspritzen des Kunststoffs erfolgt in einer entsprechend ausgebildeten Form.
Es wurde gefunden, daß sich zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kunststoff-Rotoren
der Kunststoff Hostadur K VB 8022 GB 1 der Farbwerke Hoechst (chemische Bezeichnung:
Polyäthylenterephtalat) besonders gut eignet. Der Glasfaseranteil beträgt dabei
25 bis 40%.
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Ein ebenfalls geeigneter Kunststoff ist Ultradur KR 4030/30 der Firma
BASF. Der Glasfaseranteil dieses Werkstoffs beträgt 3o %. Beide Werkstoffe haben
eine Dichte von etwa 1,5 g/cm3, ihr ElastizitEts-2 modul liegt dabei zwischen 80.ooo
und loo.ooo kg/cm . Die genannten Kunststoffe besitzen eine den auftretenden Beanspruchungen
voll entsprechende Festigkeit. Das Rohmaterial wird in fertiger Zusammensetzung
als Granulat geliefert. Es wird unter Druck und Hitze in die Form eingepreßt. Vor
dem Spritzen wird in dem Formhohlraum eine entsprechende Rotorwelle 3 bzw. 4 zentral
eingelegt und anschließend vom Kunststoff umspritzt. Der erfindungsgemäße fertig
gespritzte Kunststoffrotor wird anschließend einfach aus der Form herausgeschraubt.
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Um die Sicherheit der drehfesten Verbindung zwischen dem Kunststoff
K und der Welle 3 bzw. 4 des betreffenden Rotors 1 bzw. 2 zu erhöhen, sind die Rotorwellen
3 bzw. 4 an ihrer vo Kunststoff
umgebenen Mantelfläche M mit einer
Profilierung umgeben.
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Die Profilierung der Manteifläche M der Rotorwellen 3 bzw. 4 ist durch
in Achsrichtung verlaufende, gleichmäßig über den Umfang verteilte Nuten 5 bzw.
6 und Stege 7 bzw. 8 gebildet.
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Zur Material- und Gewichtseinsparung können noch in den Schraubenkämmen
des männlichen Rotors 1 zentrale Aussparungen 9 vorgesehen sein. Die Aussparungen
.9 verlaufen jeweils von den Rotorstirnseiten bis nahezu zur Rotormitte, was in
Figur 1 angedeutet ist.
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Durch die mittige Absperrung der Aussparungen 9 wird ein RUckströmen-
von komprimiertem Medium von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite des Kompressors
durch die Aussparungen hindurch vermieden. Die:Aussparungen 9 können auf einfache
Weise mittels Formkernen -gebildet-werden, die vor dem Spritzen des Kunststoffs
in die Form eingelegt werden.
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Ein erfindungsgemäßer Kunststoffrotor kann nach Herausnehmen aus der
Spritzform ohne weitere Nacharbeitung in den Arbeitsraum eines entsprechenden Schraubenkompressors
eingebaut werden.
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Es sei noch besonders darauf hingewiesen, daß sich der Schutzbereich
der vorliegenden Erfindung nicht nur auf Schraubenkompressoren, sondern grundsätzlich
auf sämtliche mit schraubenförmig ausgebildeten Rotoren versehene Kompressions-
sowie auch Expansionsmaschinen und auch entsprechende Pumpen erstreckt.