DE2654991A1 - Drehschieberkompressor - Google Patents

Description

Drehschieberkompressor

Die Erfindung betrifft einen Drehschieberkompressor mit einem zylindrischen Rotor, der mehrere ausfahrbare Schieber besitzt, die in komplementären Schieberschlitzen befindlich sind.

:Im einzelnen befaßt sich die Erfindung damit, die Schieber radial mach außen unter Vorspannung zu halten. Dadurch werden die Schie-

^berspitzen in Berührung mit der Zylinderwand der Rotorkammer ge-

!halten, die den Gasarbeitsraum bildet. Drehschieberkompressoren jsind in sehr vielen Arten bekannt. Die vorliegende Beschreibung befaßt sich mit einem herkömmlichen Typ, bei dem ein Rotor mit einer Mehrzahl ausfahrbarer Schieber versehen ist. Jeder dieser Schieber befindet sich innerhalb eines im wesentlichen radial iOrientierten SchieberSchlitzes im Rotor. Der Rotor wird von einer

jZylinderkammer oder einem Stator aufgenommen; er ist so montiert, daß seine Achse bezüglich zur Zylinderachse des Stators versetzt ist. Dadurch wird ein im wesentlichen halbmondförmiger Gasarbeits-

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raum geschaffen. Der Rotor steht in Gleitberührung mit einem Teil ler Zylinderwand. Dieser Berührungspunkt trennt die Niedrigdruckseite von der Hochdruckseite. Eine Einlaßöffnung steht mit einer Seite des Gasarbeitsraumes in Verbindung; eine Auslaßöffnung kommuniziert mit der gegenüberliegenden Seite. Das Gas wird zwischen benachbarten Schiebern gefangen und um die Kompressionszone herumgeführt. Das Volumen jeder Tasche bzw. von jedem Abteil/ das zwischen benachbarten Schiebern und den Rotor- und Statorflächen gebildet wird, wird zunehmend kleiner, während es sich der Auslaßöffnung nähert. Dadurch wird das darin eingefangene Gas komprimiert.

Ein Problem, auf das man beim Betrieb derartiger Kompressoren häufig trifft, besteht darin,daß die Schieberspitzen manchmal nicht in Berührung mit der zylindrischen Statorwand unter allen Bedingungen bleiben. Dies gilt insbesondere beim Startvorgang, wenn sich der Rotor bei verhältnismäßig niedrigen Drehgeschwindigkeiten bewegt. Die Zentrifugalkraft, die normalerweise die Schieber nach außen drückt, reicht nicht aus, das Vakuum zu überwinden, das erzeugt wird,wenn die Schieber sich von ihrer radial innersten Stellung zu dem Punkt bewegen, der direkt gegenüber dem BerÜhrungs punkt liegt. Dies kann als "Stoßdämpfer-Effekt" bezeichnet werden. Dieser Effekt widersetzt sich dem Auswärtsschub der Schieber sehr wirkungsvoll. Bisher wurden verschiedene Verfahren dazu verwendet, die Schieberspitzen in Berührung mit der Zylinderwand zu halten. Grundsätzlich können diese Verfahren in zwei Kategorien eingeteilt werden: mechanische (beispielsweise Federn) und hydraulische oder pneumatische. Die verwendeten mechanischen Federn nehmen vielerlei

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Gestalt ein. Beispielsweise wird im US-Patent 3 376 825 ein Drehschieberkompressor beschrieben, bei dem eine Blattfeder zwischen dem radial inneren Abschnitt des Schiebers und dem Boden des Schieberschlitzes angeordnet ist. Die Feder ist folgendermaßen gebaut: Beim Hochgeschwindigkeitsbetrieb reichen die Zentrifugalkräfte aus, die Schieberspitzen in Berührung mit der Zylinderwand zu halten. Diesselben Zentrifugalkräfte nun lassen die Feder gegen die radial inneren Ränder des Schiebers kollabieren und machen die Feder als solche unwirksam.

Das US-Patent 1 984 365 beschreibt einen Drehschieberkompressor mit einer Blattfeder im Boden des Schieberschlitzes, die mit ihrer konvexen Seite in Berührung mit dem Mittelabschnitt des Schieberrandes steht, der im wesentlichen linear ist.

Auch das US-Patent 2 045 014 beschreibt eine Blattfeder, deren Enden im Boden des Schiebers eingebettet sind.

Das US-Patent 3 191 503 zeigt eine Vorrichtung zur Handhabung von Strömungsmitteln mit Schiebern, die O-Ringe aus elastomerem Material unterhalb der Schieber verwenden. Diese O-Ringe sollen die Schieber nach außen drücken.

Das US-Patent 1 857 276 steht für eine große Zahl von Veröffentlichungen, bei denen ein Strömungsmitteldruck unterhalb der Schieber dazu verwendet wird, die Schieberspitzen in Berührung mit der Zylinderwand zu halten.

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3ei der vorliegenden Erfindung wird ein andersartiges mechanisches ülement verwendet, das viele Nachteile der bisher bekannten Federn /ermeidet. Nennenswerte Lebensdauern lassen sich nur schwer ersielen, wenn eine Blatt- oder Spiralfeder in der typischen Umjebung eines Drehschieberkompressors verwendet wird. Bei jeder Um-Irehung des Rotors wird die Feder komprimiert und entspannt. Da lie Kompressoren bei mehreren hundert Umdrehungen pro Minute arbeiten, ist offensichtlich, daß die Federn außerordentlich hohen Beanspruchungen ausgesetzt sind.

\ufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Größe der ins Spiel kommenden Auslenkung zu minimalisieren, insbesondere den gesamten 3ewegungsweg bei jeder Kompression und jeder Verlängerung der Feder Außerdem wurde gefunden, daß eine typische Metallfeder nur beschränkt eingesetzt werden kann; die vorliegende Erfindung verwenlet eine neuartige zusammengesetzte Feder mit einem Metallabschniti: ler für die notwendige Starrheit und die Verschleißfläche sorgt, ind mit einem Gummi- oder Elastomer-Teil, der die Lebensdauer des Ketallelements verlängert.

Dadurch, daß der gekrümmte Schieberboden mit einer brückenartigen, zusammengesetzten Gummi-Metall-Federeinrichtung gepaart wird, tfird eine besonders gute Lastverteilung erzielt. Außerdem dämpft lie Verschleißfläche, die von der Metallfeder gebildet wird, zusammen mit dem Gummi- oder Elastomerelement den Lärm während des 3etriebs. Die Anordnung ist kompakt, billig einzubauen und erfordert keine besonderen Abwandlungen an herkömmlichen Kompressor- ;eilen.

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Weitere Vorteile dieses Systems liegen darin, daß keine Schmiermittelpumpe oder andere Vorrichtungen vorgesehen werden müssen, welche öl und/oder Kühlmittel sammeln und zu den Räumen unterhalb der Schieber verteilen müssen, da keine Hydraulik zum Ausfahren der Schieber verwendet wird. Dieses System sorgt außerdem für sofortige Pumpwirkung beim Starten, ist ruhiger, verhindert die Drehung in Rückwärtsrichtung beim Stillegen des Rotors, die oft durch Druckausgleich zwischen der Hochdruck- und der Niedrigdruckseite des Kompressorrotors hervorgerufen wird, und führt zu niedrigeren Ausstoßgastemperaturen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Figur 1 einen Querschnitt durch einen Drehschieberkompressor gemäß der vorliegenden Erfindung;

Figur 2 einen Querschnitt gemäß Linie 2-2 von Figur 1;

Figur 3 einen stark vergrößerten Schnitt, der die Beziehung zwischen dem elastischen Element, dem Schieber und dem Schieberschlitz darstellt;

Figur 4 einen Querschnitt gemäß Linie 4-4 von Figur 3;

Figur 5 eine Ansicht ähnlich zu Figur 4, welche das elastische Element in voll ausgelenkter Stellung zeigt;

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Figur 6 eine Ansicht ähnlich zu Figur 4, die eine alternative Ausführungsform der Erfindung zeigt.

In den Figuren 1 und 2 ist ein Drehschieberkompressor von im wesentlichen herkömmlicher Bauweise gezeigt. Er besitzt ein Statorgehäuse 10, welches einen Zylinderblock 12 umfaßt. Dieser besitzt eine Kreisbohrung, die durch den Block hindurchläuft und so eine Zylinderwand 14 bildet, eine vordere Endplatte 16 und eine hintere Endplatte 18. Innerhalb des Gehäuses 10 befindet sich ein Rotor 20, der mit einer Antriebswelle 22 verbunden ist und von dieser angetrieben wird. Der Rotor ist exzentrisch innerhalb des Zylinders 14 montiert, so daß er in enger Berührung an der Zylinderwand 14 an einem Berührungspunkt 24 abläuft. Dadurch wird ein halbmondförmiger Gasarbeitsraum oder ein Kompressionshohlraum 26 gebildet. Der Rotor ist mit einer Mehrzahl von Schieberschlitzen 30 versehen, die jeweils eine Bodenfläche 32 aufweisen und Schieber 34 aufnehmen. Diese können sich innerhalb des zugehörigen Schieberschlitzes hin- und herbewegen, wobei ihre Außenränder 34a dauernd in Berührung mit der Zylinderwand 14 stehen. Es ist zu erkennen, daß die unteren Seiten von jedem Schlitz, der Bodenrand 34b der Schieber 34 und der Boden des Schieberschlitzes 32 das bilden, was hiernach als "Unterschieberraum", gekennzeichnet durch die Bezugszahl 35, bezeichnet wird.

Das Ansauggas wird zum Kompressionshohlraum 2 6 durch den Anschluß 36 und den Kanal 38 eingelassen. Das Gas wird durch eine Reihe von öffnungen 42 (in der Nähe des Berührungspunktes) ausge-

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stoßen. Diese Ausstoßöffnungen sind von reed-artigen Auslaßventilen 44 bedeckt, die durch Anschläge 45 begrenzt sind. Das Ausstoßgas strömt in eine Kammer 50 und von dort in einen Kanal 52 in der hinteren Platte 18 und durch den Anschluß 54 nach außen.

Zwischen dem unteren Rand von jedem Schieber und dem Boden des Schieberschlitzes 32 ist ein elastisches Element 60 angeordnet. Dieses enthält einen ersten Bestandteil in Form einer flachen Feder 62, die aus Federstahl oder einer anderen geeigneten Legierung hergestellt ist. Die Legierung muß gute Verschleißeigenschaften aufweisen und einer großen Anzahl von Biegungen bei hohen Frequenzen ohne Ausfall widerstehen können. Mit dem Federelement ist ein elastomerer Dämpfer 64 verbunden, der vergrößerte, kugelig geformte Endabschnitte 65 und einen Mittelabschnitt 66 besitzt. Der Mittelabschnitt 66 weist einen verhältnis mäßig dünnen Querschnitt, verglichen mit den Endabschnitten auf. Die kugelig geformten Enden 65 des Dämpfers 66 sitzen in komplementären Ausnehmungen 67, die in den Enden der Schieberschlitze 32 ausgebildet sind. Durch diese Anordnung werden Schwenkpunkte an jedem Ende geschaffen, so daß die Enden des elastischen Elements 60 nicht am Boden des Schlitzes abradieren.

Wie aus Figur 4 zu erkennen ist, ist der Bodenrand 34b von jedem Schieber gekrümmt. Dadurch wird ein konvex verlaufender Rand gebildet, der mit der flachen Federkomponente 62 des elastischen Teiles 60 in Berührung gelangt. Wenn die Schieber voll ausgefahren sind, wie dies in Figur 4 dargestellt ist, liegt das elastische Element 60 flach in der gesamten Zone des Schieber-

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Schlitzes. Zu diesem Zeitpunkt ist das elastische Element vollständig unbeansprucht; kein Abschnitt von ihm ist unter Spannung oder Kompression.

Wie in Figur 5 gezeigt, befindet sich das elastische Element 60 nach Berührung mit dem konvex geformten Rand 34b in einem Zustand, in dem es im wesentlichen dieselbe Kontur wie der Bodenrand ein- j nimmt. Der elastomere Teil wird nach unten gedrückt, so daß der Mittelabschnitt 66 einen geringen Abstand vom Boden des Schieberschlitzes besitzt. In diesem Zeitpunkt drückt die Feder den Schieber nach oben gegen die innere Zylinderwand oder den Stator. Dies führt zur unmittelbaren Pumpwirkung beim Starten, noch bevor ausreichend Zentrifugalkräfte erzeugt sind, welche die Schieber in Berührung mit der Zylinderwand halten könnten.

In Figur 6 ist eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Da diese Ausführungsform viele gemeinsame Merkmale mit derjenige! hat, die anhand der Figuren 4 und 5 beschrieben wurde, werden zur Bezeichnung dieser gemeinsamen Elemente dieselben Bezugszahlen verwendet.

Bei der Ausführungsform nach Figur 6 ist Sorge dafür getragen, daß äer Schieber bezogen auf das elastische Element genau positioniert

. Hierzu kann ein in der Mitte gelegener Kerbenabschnitt 70 im unteren Rand 34b des Flügels 34 ausgebildet sein. Ein Vorsprung 72 mit komplementärer Form erstreckt sich in den Kerbenäbschnitt 70 und verhindert eine seitliche Relativbewegung zwischen dem elastischen Element und dem Schieber. Gleichzeitig blei-

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ben die Kompressions- und Ausfahrbewegungen, die für die erste Auäführungsform beschrieben wurden, möglich.

! Zur Herstellung des Elements 66 kann eine Vielzahl elastomerer j Stoffe verwendet werden. Sie sollten jedoch gegenüber der öl-Kältemittel-Umgebung resistent sein, in der sie bei dem Anwendungsgebiet Kühlung/Klimatisierung arbeiten müssen. Unter den geeigneten Stoffen befinden sich Urethan, Nitril, Epichlorohydrin und die Silikongummis.

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Claims (3)

1. Patentansprüche

   1J Drehschieberkompressor mit einem zylindrischen Rotor, der eine Mehrzahl ausfahrbarer Schieber aufweist, die in komplementären Schieberschlitzen aufgenommen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der radial innere Abschnitt der Schieber (34) einen konvexen Rand besitzt und daß ein elastisches Element in Berührung mit dem konvexen Rand gebracht werden kann, daß das elastische Element ein Metallfederteil (62) und ein elastomerer Teil (64) umfaßt, von denen das letztere mit dem ersten verbunden ist und einen Iwischenabschnitt (f€) besitzt, der normalerweise vom Boden des Schieberschlitz^s (32) Abstand besitzt und bei Berührung durch den Schieber (34) nach unten durchbiegenkann, und daß das elastische Element so starr ist, daß bei erhöhten Zentrifugalkräften kein Kollaps auftritt.

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2. 2. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ge-

   bringbare

   genseitig in Eingriff / Mittel (32,66) an den Schieberschlitzen (32) und den elastischen Elementen die seitliche Bewegung der elastischen Elemente in den Schieberschlitzen verhindern.
3. 3. Kompressor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elastomere Teil mit einem kugelig geformten Endabschnitt (66) versehen ist, der in einer entsprechenden Ausnehmung (67), die an den Enden von jedem Schieberschlitz
   (32) ausgebildet ist_f aufgenommen ist.

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