DE2434782A1

DE2434782A1 - Drehkolbenmaschine

Info

Publication number: DE2434782A1
Application number: DE19742434782
Authority: DE
Inventors: Hans Kristoffer Olofsson
Original assignee: Atlas Copco AB
Current assignee: Atlas Copco AB
Priority date: 1973-07-20
Filing date: 1974-07-19
Publication date: 1975-02-06
Also published as: CA1023712A; SE7310169L; FR2238066B3; IT1016443B; BE817768A; GB1441217A; FR2238066A1; JPS5049714A

Description

Andrejewski, Honke, Gesthuysen & Masch Patentanwälte Diplom-Physiker Dr. Walter Andrejewski Diplom-Ingenieur Dr.-lng. Manfred Honke Diplom-Ingenieur Hans Dieter Gesthuysen Diplom-Physiker Dr. Karl Gerhard Masch Anwaltsakte: 44 128/GS-th

43 Essen 1,Theaterplatz 3, Postf.789

16. Juli

Patentanmeldung Atlas Copoo Aktiebolag

Naoka, Schweden

Drehkolbenmas ohine.

Die Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschine für ein komprimierbares Arbeitsmedium, bestehend aus einem Innenläufer (screw cam rotor) und einem diesen umgebenden Außenläufer (screw thread rotor) mit jeweils schraubenförmig ausgebildetem Läuferprofil, welche innerhalb eines Gehäuses derart um seitlich gegeneinander versetzte feste Drehachsen drehbar gelagert sind, daß während

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ihrer Drehung zwischen ihren Schraubenprofilen sich von einem zum anderen Lauferende bewegende und dabei ihr Volumen verändernde Kammern für das komprimierbare Arbeitsmedium erzielbar sind.

Bei derartigen Drehkolbenmaschinen, welche beispielsweise in der schwedischen Patentschrift 85 331 und der US-Patentschrift 892 217 beschrieben sind, wurde bisher in der Praxis ein Betrieb bei hohen Drehzahlen und hohen Drücken, wie sie für heute . übliche Schraubenverdichter oder Antriebsmaschinen gefordert werden, noch nicht verwirklicht. Bei den bisher üblichen Konstruktionen sind die Lager der Läufer der gesamten Axialbelastung ausgesetzt, welche sich aus dem Druck des Arbeitsmediums auf die Läufer ergibt. Diese Konstruktionen eignen sich daher nur für niedrige Drücke und geringe Drehzahlen, sodaß sich nur geringe VerdichterHeistungen oder nur eine geringe Antriebsleistung ergibt. Bei den bisher bekannten Ausführungen der Lager wurde die Notwendigkeit eines geringen Spieles zwischen den Läfifern während des Betriebes nicht in Betracht gezogen, sodaß sich dadurch durchaus nachteilige Leckverluste und ein geringerer Wirkungsgrad ergeben.

Bei Drehkolbenmaschinen, bei denen die Läufer in herkömmlicher Weise nebeneinander angeordnet sind, wurde bisher ein axialer Ausgleich wie beispielsweise des Innenläufers durch ein dem Druck ausgesetztes Ausgleichteil angewendet, um dem Druck des Arbeitsmediums auf diesen Innenläufer entgegenzuwirken. Beispiele hierfür sind in der schwedischen Auslegesohrift 320 und der britischen Patentschrift 1 025 165 beschrieben. Ein Nachteil derartiger Ausbildungen besteht darin, daßüein axialer

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Ausgleich getrennte Leitungen für die Druckflüssigkeit zu einem Ausgleiehzylinder oder einem Ausgleichkolben erfordert, der getrennt von den Hoohdruokenden der Läufer abgedichtet ist.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Drehkolbenmaschine der eingangs genannten Art in der Weise auszubilden, daß die Axialbeanspruohungen der Lager des mit hoher Drehzahl und unter hoher Druckbeanspruchung laufenden Innenläufers auf einfache Weise und äußerst wirksam herabgesetzt werden. Dabei sollen die Axialbeanspruchungen während des Betriebes gleichmäßig und in einer Richtung gehalten werden, sodaß eine aus Rollenlagern bestehende Lagerung bei hohen.Drehzahlen unbedingt sicher arbeiten kann. Außerdem sollen die bei herkömmlichen Ausgleichanordnungen getrennten Ausgleichleitungen und ebenfalls die getrennte Abdichtung der Ausgleiohteile gegenüber der Abdichtung der Läufer fortfallen.

Eine diesen Erfordernissen entsprechende erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß der Innenläufer in Rollenlagern gelagert ist und sein Hochdruckende ein Ausgleichteil aufweist, welches eine drehbare Dichtung gegenüber dem Gehäuse ergibt und an eine für die Hochdruckenden beider Läufer gemeinsame Druckkammer angeschlossen ist und axial innerhalb des Ausgleiohteiles liegt, und daß durch dieses Ausgleichteil der Druck des Arbeitsmediums auf den Innenläufer ausgleichbar ist und das Ausgleichteil eine in vorgegebener Beziehung zur Quersohnittsfläche der Höhlung des Außenläufers stehende Fläche aufweist.

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Weitere Besonderheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Zeichnung; es zeigen:

Figur 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Drehkolbenmaschinej

Figur 2 einen Schnitt durch Fig.l längs der Linie II-II; und Figur 3 einen Schnitt durch Fig.l längs der Linie III-III.

Wenn auch in den Figuren 1 bis 3 die Erfindung in ihrer Anwendung für einen Schraubenverdichter dargestellt ist, so läßt sie sich ebensogut auch auf andere Arten von Drehkolbenmaschinen, wie beispielsweise Drehkolben-Antriebsmaschinen oder Sehraubenschaufler anwenden. Der dargestellte Schraubenverdichter besitzt ein Gehäuse 1, 2, welches einen Teil eines nicht dargestellten und in Bezug auf die anderen Bauteile in üblicher Weise zusammengestellten Kompressoraggregats bildet. Dieses Behause besteht aus zwei quergeteilten Gehäuseteilen 1 und 2, welche mittels Schrauben 3 zusammengehalten werden und eine Kammer 4- für das komprimierbare Arbeitsmedium, wie beispielsweise Luft, umschließen. Die Luft tritt in das Gehäuseteil 2 über eine Einlaßöffnung 5 nach Passieren eines nicht dargestellten Filters ein. Die Gehäuseteile 1,2 tragen in der Kammer 4 koaxial angeordnete Rollenlager 6 und 7· Ein Außenläufer mit schraubenförmig ausgebildetem Läuferprofil ist quergeteilt und besteht aus zwei hohlen Läuferteilen 8 und 9, welche durch Schrauben 10' mit-

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einander verbunden sind und an den Enden Stirnteile 11 bezw. 12 tragen. Das Stirnteil 11 ist durch die Schrauben 10' befestigt und besitzt eine rohrförmige Einhalsung 13 mit reduziertem Durchmesser, welche als Wellenstumpf in das Rollenlager 7 eingreift. Das Stirnteil 12 ist mittels Schrauben 10" am Läuferteil 8 befestigt und besitzt eine in gleicher Weise ausgebildete Einhalsung 14, welche als Wellenstumpf in das Rollenlager 6 eingreift« Durch diese Anordnung ist der Außenläufer 8, 9 in der Kammer 4 verdrehbar gelagert und kann sich um eine feststehende Drehachse 15 drehen.

In den beiden Gehäuseteilen 1 und 2 sind außerdem Rollenlager und 18 angeordnet, welche einen Innenläufer 19, 20 drehbar tragen, welcher mit Wellenzapfen 22 bezw. 23 in diese Rollenlager 17 bezw. 18 eingreift und um eine feststehende Drehachse 16 verdreht wird, welche exzentrisch und parallel zur Drehachse 15 verläuft. Dieser Innenläufer I9, 20 kann erforderlichenfalls dynamisch duroh Exzentergewichte 44, 45 ausgewuchtet werden, welche sich in Hohlräumen innerhalb der Stirnteile 11, 12 des Außenläufers 8, 9 frei drehen. Der Innenläufer I9, 20 wird durch einen nicht dargestellten außenliegenden Motor und ein entsprechendes Getriebe über ein Zahnrad 24 angetrieben, welches außerhalb des Gehäuseteiles 2 auf dem Wellenzapfen 22 aufgekeilt ist.

Das Schraubenprofil des Innenläufers I9, 20 steht während dessen Drehung mit dem Sohraubenprofil an der Innenseite des Außenläufers 8, 9 derart in Verbindung, daß letzterer um die Achse mit einer von der Art der Schraubung abhängenden Untersetzung

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verdreht wird. Das Arbeitsmedium strömt von der Kammer 4 durch die Einhalsung 14 und das Stirnteil 12 in das Schraubenprofil, d.h. die Schraubengänge an der Innenseite des Außenläufers 8, Die Schraubengänge des Innenläufers I9, 20 wirken mit den Schraubengängen des Außenläufers derart zusammen, daß während der Drehung Kammern für das Arbeitsmedium entstehen, welche sich vom einen Ende der Läufer zu deren anderem bewegen und dabei ihr Volumen ändern. Bei dem dargestellten Anwendungsbeispiel als Schraubenkompressor wird daher das Arbeitsmedium während des Durchganges durch die Läuferteile 8 und <s9 verdichtet. Die zusammenwirkenden Schraubenprofile können dabei in irgendwie geeigneter Weise ausgebildet werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Innenläuferteil I9 als eingängige Schraube ausgebildet, welche, wie Figur 2 und ^ zeigen, kreisrundes Profil und konstante Steigung besitzt. Dadurch wird das Außenläuferteil ein Hohlprofil mit zwei einander gegenüberliegenden halbrunden und miteinander verbundenen Schraubengängen, welche abdichtend mit dem Schraubenprofil des Innenläufers zusammenwirken und eine konstante Steigung aufweisen, die doppelt so groß ist wie die des Innenläuferteiles 19· In einer quer zu den Läufern verlaufenden Verschiebungsebene 25* welche eine Trennebene zwischen den Außenläuferteilen 8 und 9 und eine Transferenzebene zwischen den Innenläuferteilen 19 und 20 bildet, erfolgt eine plötzliche Abnahme der Steigungen von den Steigungen in den Läuferteilen 8 und I9 zu den Steigungen in den Läuferteilen 20 und 9· Dadurch können diese Läuferteile 9 und 20 als Sperre wirken, welche das Arbeitsmedium in axialer Richtung staut, sodaß während der Verdrehung

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eine innere Verdichtung des Arbeitsmediums zwischen den Läuferteilen 8 und 19 ermöglicht wird. Das verdichtete Arbeitsmedium wird durch die Läuferteile 9 und 20 in das Stirnteil 11 weiter-' geleitet und strömt von dort aus durch die Einhalsung I3 in eine Druckkammer 26 im Gehäuseteil I, von welcher aus es unter Druck über einen Hochdruckauslaß 27 abgenommen wird.

Die Druckkammer 26 steht durch das Rollenlager 17 mit einer zylindrischen Führung 28 in offener Verbindung, welche koaxial zur Drehachse 16 ausgebildet ist und ein Auswuchtteil in Form eines Kolbens 29 verdrehbar trägt. Dieser Auswuchtkolben ist mittels einer Mutter 3I zusammen mit dem inneren Laufring des Rollenlagers 17 auf dem Wellenzapfen 23 befestigt. Drucköl wird von einer nicht dargestellten geeigneten Druckquelle im Kompressoraggregat durch eine Leitung J2 in Kanäle 33 und J>K im Gehäuseteil 1 eingespeist, wobei der Kanal 33 in eine sich rund um den Kolben 29 erstreckende Umfangsnut 35 und der Kanal 34 in eine entsprechende die Einhalsung I3 umgebende koaxial zur Drehachse 15 verlaufende Umfangsnut 36 einmündet. Diese Umfangsnuten 35 und 36 bilden flüssige Druckdichtungen, durch welche die Druckkammer 26 gegenüber den umlaufenden Läuferteilen abgedichtet ist. Die Führung 2δ ist durch einen Deckel 37 abgeschlossen und besitzt einen geeigneten Abfluß außerhalb des Kolbens 29.

Der Auswuohtkolben 29 ist dem Druck des Arbeitsmediums in der Druckkammer 26 ausgesetzt und besitzt eine derartige Fläche in Bezug auf die Querschnittsfläche 40 der Höhlung des Außenläufers, welche durch die Umrißlinie 38 (Fig· 2 und 3) umschlossen wird,

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daß die den Innenläufer 19* 20 und seine Lager 17 beaufschlagende Axialkraft in gewünschter Weise begrenzt wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser des Auswuchtkolbens 29 etwas kleiner gewählt als der Durchmesser des der Querschnittsfläche 40 der Höhlung des Außenläufers 8, 9 entsprechenden Kreises. Bei überatmosphärischem Druck in der Druckkammer 26 ergibt sich dadurch eine in Pfeilrichtung 39 (Fig.l) wirkende begrenzte Kraftkomponente auf das Rollenlager 17. Die Abdichtung in Form der Umfangsnut 36 an der Einhalsung 13 des Außenläufers 8, 9 hat zweckmäßigerweise einen ebenfalls etwas kleineren Durchmesser als der der Querschnittsfläche 4o der Höhlung des Außenläufers entsprechende Kreis. Dementsprechend ergibt überatmosphärischer Druck in der Druckkammer 26 eine Belastung des Rollenlagers 7 des Außenläufers 8, 9 durch eine Axialkraft, welche ständig in Richtung des Pfeiles 42 (Fig.l) wirkt. Durch genaue Montage der Rollenlager wird infolgedessen das Spiel zwischen den Läufern während des Betriebes sehr niedrig gehalten. Erforderlichenfalls können die äußeren Laufringe der Rollenlager 6 und 7 in den Gehäuseteilen 1 und 2 ohne Behinderung durch Anschläge oder dgl. frei gleitbar angeordnet werden, sodaß der Außenläufer 8, 9 sich selbständig gegenüber den Flanken des Schraubenprofils des Innenläufers I9, 20 und auch gegenüber der Verschiebungsebene 25 der Läufer einstellen kann. Da die Fläche des Auswuohtkolbens 29 und die Fläche der Einhalsung 13 innerhalb der Umfangsnut 36 liegen, kommen diese der Querschnittsfläche 40 der Höhlung des Außenläufers 8, 9 sehr nahe, sodaß die Axialkräfte in Richtung der Pfeile 39 und 42 sehr niedrig werden und der Innenläufer I9, 20 mit hohen Drehzahlen ohne Überlastung der Rollenlager angetrieben werden kann.

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Dabei wirken die Lager 17 und 18 bei dem hier dargestellten Schraubenverdichter bei einer Drehzahl von 15 000 U/min des Innenläufers 19, 20, während der Außenläufer 8, 9 in seinen Lagern 6, 7 mit der halben Drehzahl in Drehung versetzt wird.

Um den Antriebseingriff zwischen dem Innenläufer 19, 20 und dem Außenläufer 8, 9 bei gleichzeitiger Verbesserung der Abdichtung zwischen den Läufern sowie der Kühlung des Arbeitsmediums während der Verdichtung zu verbessern, wird zweckmäßigerweise in das Arbeitsmedium zwischen die Läufer Flüssigkeit eingespritzt, welche vorzugsweise aus Öl in feinverteilter Form besteht. Dieses Öl kann in die Einhalsung 14 durch eine Düse 66 im Gehäuseteil 2 eingespritzt oder alternativ auch durch eine oder mehrere Radialbohrungen 68 im Innenläuferteil 19, welche über eine durch den Deckel 37 hindurchgehende Ölleitung und eine damit verbundene axiale Läuferbohrung 70, welche durch die Läuferteile 23, 20 und 19 hindurchgeht, mit öl versorgt werden.

Bei einem Einsatz als einfache Pumpe können die Läuferteile 9 und 20, welche die innere Kompression ermöglichen, fortgelassen werden»

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Claims

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Patentansprüche :

\1J Drehkolbenmaschine für ein verdichtbares Arbeitsmedium, bestehend aus einem Innenläufer und einem diesen umgebenden Außenläufer mit jeweils schraubenförmig ausgebildetem Läuferprofil, welche innerhalb eines Maschinengehäuses derart um seitlich gegeneinander versetzte feste Drehachsen drehbar gelagert sind, daß während ihrer Drehung zwischen ihren Sohraubenprofilen sich von einem zum anderen Läuferende bewegende und dabei ihr Volumen verändernde Kammern für das verdiohtbare Arbeitsmedium erzielbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenläufer (19, 20) in Rollenlagern (17, 18) gelagert ist und sein Hoähdruckende ein Ausgleichteil (29) aufweist, welches eine drehbare Dichtung gegenüber dem Gehäuse ergibt und an eine für die Hoohdruckenden beider Läufer gemeinsame Druckkammer (26) angeschlossen ist und axial innerhalb des Ausgleichteiles liegt, und daß durch dieses Ausgleichteil der Druck des Arbeitsmediums auf den Innenläufer ausgleiohbar ist und das Ausgleichteil eine in vorgegebener Bezfehung zur Querschnittsfläche (40) der Höhlung des Außenläufers (8, 9) stehende Flache aufweist.

2. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des Ausgleiohteiles (29) annähernd gleich der Querschnittsfläche (4o) der Höhlung des Außenläufers (8, 9) ist.

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3. - Drehkolbenmaschine naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichteil aus einem Kolben (29-) besteht und vom Innenläufer (I9, 20) getragen axial bewegbar in einer Führung (29) des Gehäuses (1, 2) gelagert ist sowie gegenüber dem Gehäuse vorzugsweise durch eine flüssige Druckdiohtung (35) drehbar abgedichtet ist.

4. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer nur in einer Richtung wirkenden Lagerbelastung (59) des Innenläufers (I9, 20) die Dichtung des Kolbens (29) an einer Stelle angeordnet ist, welche einen etwas kleineren Durchmesser hat als der der Querschnittsfläche (4o) der Höhlung des Außenläufers entsprechende Kreis.

5. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenläufer (8, 9) drehbar gegenüber dem Gehäuse (1, 2) in der Druckkammer (26) abgedichtet ist und die von der Dichtung (56) umschlossene Fläche annähernd gleich der Querschnittsflache (4o) der Höhlung des Außenläufers ist.

6. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß der Außenläufer (8, 9) in Rollenlagern (6, 7) gelagert ist und zur Erzielung einer nur in einer Richtung wirkenden Lagerbelastung (42) seine Dichtung (J>6) an einer Stelle angeordnet ist, welche einen etwas kleineren Durchmesser als der der Quersohnittsfläche (40) der Höhlung· des Außenläufers entsprechende Kreis besitzt.

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7ο Drehkolbenmaschine naoh einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenläufer (19* 20) mittels Exzentergewichten (44, 45) dynamisch ausgewuchtet ist.

8. Drehkolbenmaschine nach Anspruch J_t dadurch gekennzeichnet, daß die Exzentergewiohte (44, 45) in Hohlräumen innerhalb der einander gegenüberliegenden Stirnteile (11, 12) des Außenläufers (8, 9) frei verdrehbar sind.

Patentanwalt.

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Ai

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