DE2800732A1

DE2800732A1 - Lageranordnung fuer eine drehkolbenmaschine

Info

Publication number: DE2800732A1
Application number: DE19782800732
Authority: DE
Inventors: Oleif Olsaker
Original assignee: Sullair LLC
Current assignee: Hitachi Global Air Power US LLC
Priority date: 1977-02-10
Filing date: 1978-01-09
Publication date: 1978-08-17
Also published as: JPS5399511A; JPS6248078B2; GB1558351A; US4142765A

Description

Dr. F. Zumstein s^n. - Dr. F=. Afsm?nn - Dr. R. Koenigsberger Dipl.-Phys. R. Holzbauer - D;pl. Ing. :⁼. KKngseisen - Dr. F. Zumstein jun.

PATENTANWÄLTE 280073? München 2 ■ Bräuhausstraße 4 - Telefon Sammel-Nr. 225341 · Telegramme Zumpat - Telex 529979

S 1674 40/m ■ Te/Li

SÜLLAIR CORPORATION, Michigan City. Indiana, USA

Lageranordnung für eine Drehkorbenmaschine

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung für eine Drehkolbenmaschine mit Schmiermittel/Kühlmittel-Einspritzung. Einanormale Drehschraubenmaschine umfaßt ein Gehäuse mit zwei axialen, sich schneidenden Bohrungen, einen Niederdruckanschluß an einem Ende und einen Hochdruckanschluß am anderen Ende. Die beiden Rotoren mit komplementär sich schneidenden Schrauben sind in den Bohrungen drehbar angeordnet und werden von in den Endwänden des Gehäuses eingebauten Lagern gelagert. Normalerweise sind die Lager einer Drehsehraubenmaschine die ersten Bestandteile, die beim normalen Betrieb ausfallen. Die Lagergröi3e ist durch den Mittenabstand der Rotoren beschränkt und kann nicht zum Vorsehen eines schwereren Lagers vergrößert wer-

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den. Demnach ist es erwünscht, daß die Schublasten auf ein am Hochdruckende vorgesehenes Hochleistungslager verteilt werden, das die im Hinblick auf maximale Lagerlebensdauer ausgewählten geeigneten Lagereigenschaften hat.

Die gebräuchlichste Drehschraubengasmaschine ist der Gasverdichter, der im großen Umfang zum Verdichten von Luft und Kühlmitteln verwendet wird. Der größte Teil der folgenden Erläuterung betrifft die als Gas- oder Luftverdichter arbeitende Maschine. Die neuartige Lageranordnung kann jedoch auch bei anderen Drehkolbenmaschinen mit einer Druckdifferenz zwischen dem Einlaß und dem Auslaß verwendet werden.

Die radiale Lagerbelastung am Niederdrückend? der Maschine ist verhältnismäßig klein, da das Fluid zwischen den Rotoren sich auf einem niedrigen Druck befindet. Bei einem Luftverdichter ist der Druck am Einlaß der Atmosphärendruck. Im Gegensatz hierzu befindet sich am Hochdruckende das zwischen den Rotoren eingeschlossene Fluid unter hohem Druck und es besteht an den Lagern am Hochdruckende eine beträchtliche radiale Belastung. Das Hochdruckfluid am Hochdruckende ist auch zwischen den Endstirnselten der Rotoren und der Endwand des Gehäuses eingeschlossen. Dies erzeugt eine beträchtliche axiale Kraft an den Rotoren. ^Es ist erwünscht, daß die Rotoren so im Gehäuse axial befestigt sind, daß deren Endstirnflächen ein im wesentlichen festgelegtes Spiel gegenüber der Endwand am Hochdruckende des Gehäuses haben. Ein veränderliches Spiel, etwa dasjenige zur Aufnahme der Wärmedehnung der Rotoren, ist am Niederdruckende des Gehäuses vorgesehen. Diese Beziehung erfordert, daß die Lager am Hochdruckende zusätzlich zu einer hohen radialen Belastung eine hohe Schublast aufnehmen.

Frühere Drehschraubenmaschinen verwendeten am Hochdruckende Doppelkugellager. Bei derartigen Kugellagern haben die Kugeln doppelte Winkelberührung mit jedem Laufring und legen die Rotoren im Gehäuse axial fest. Diese Lager sind ziemlich teuer.

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Kürzlich wurde in der US-PS 3 388 854 vorgeschlagen, daß jeder Rotor mit einer Kombination aus Rollen- und Kugellagern an jedem Ende gelagert wird. Das Hauptschublager ist am Hochdruckende vorgesehen. Federn zwischen den Lagern für jeden Rotor am Niederdruckende legen die Rotoren axial fest und hindern sie, an das Auslaßende des Gehäuses zu stoßen. Ein auf den

äußeren Laufring des Kugellagers für den einen Rotor am Niederwirkender Kolben

druckende y verteilt die Schublast zwischen den Lagern an jedem Ende. In der US-PS 3 947 078 ist eine. Lageranordnung angegeben, die die Schublasten zwischen eifazeHnen Kegelrollenlagern an jedem Ende der Maschine teilt.

Sin Hauptziel der Erfindung besteht in der Schaffung einer Drehkolbenmaschine mit einer Lageranordnung, die eine leichte Einstellung ihrer Bestandteile ermöglicht.

Erfindungsgemäß weist ein Schraubenverdichter ein Lager für hohe axiale und radiale Belastung zwischen jeder Rotorwelle und dem Gehäuse am Hochdruckende und ein Radiallager zwischen jeder Rotorwelle und dem Gehäuse am Niederdruckende auf. Eine derartige Lageranordnung ergibt eine schwimmende Rotoranordnung, die in Richtung der Schubbelastung bewegbar ist, die verursacht wird durch eine Druckdifferenze des Arbeitsfluids am Lager am Hochdruckende unter Verwendung einer radialen Belastung zur Erzeugung einer der Schubbelastung entgegengesetzten axialen Kraft.

Im einzelnen ist das Hochleistungslager für Schub- und radiale Belastung am Hochdruckende ein Kegelrollenlager. Bas Radiallager am Niederdruckende ist ein Zylinderrollenlager mit trennbarem inneren oder äußeren Laufring.

Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die aus der Zusammendrückung des Arbeitsfluids resultierende axiale Kraft eine axiale Kraft auf einen äußeren Lagerdeckel des Lagers am

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Hochdruckende über einen Kegel ausübt, wodurch eine genaue radiale Festlegung der Rotoren erzeugt wird, wenn die Maschine im Betrieb ist.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht in der Verwendung von entweder Sicherungsmuttern oder einem Halter mit Beilagscheiben, so daß das Rotorendspiel und die inneren Lagerspiele gleichzeitig eingestellt werden können.

Aufgrund der Einfachheit der Konstruktion bei Verwendung eines einzigen Kegelrollenlagers am Auslaßende sind die Kosten niedriger als bei einem Doppelschulterkugellager oder einem Zylinderrollenlager und einem Schulterkugellager.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Schraubenverdichters mit Kühlsystem;

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 von Fig. 1; Fig. 3 einen vergrößerten Längsschnitt durch den Kompressor mit weggelassenem Mittelteil.

Ein normaler Schraubenverdichter ist in Fig. 1 und 2 schematisch dargestellt. Ein Gehäuse 10 weist axiale, sich schneidende Bohrungen 11 und 12 auf, die einen eindringenden Rotor 13 bzw. einen aufnehmenden Rotor 14 aufnehmen. Schraubenförmige Erhöhungen und Nuten an den Rotoren 13 und 14 kommen in Eingriff, wenn sich der Rotor dreht. Gas wird in eine Einlaßöffnung 16angesaugt,im Gehäuse eingeschlossen, verdichtet, wenn dfe Erhöhungen undNutea in Eingriff kommen,und an der Auslaßöffnung 17 ausgestoßen. In einer Expansionsmaschine treibt das zur Auslaßöffnung 17 gelieferte Hochdruckgas die Rotoren an und wird im Anschluß an die Expansion bei der Einlaßöffnung 16 abgegeben..

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Die Temperatur des Verdichters wird durch Einführung eines geeigneten Kühlmittels, etwa Mineralöl, gesteuert, das auch zur Schmierung der Rotoren dient und eine Dichtung zwischen den Rotoren und zwischen jedem Rotor und dem Gehäuse vorsieht. Das Druckgas aus der Auslaßöffnung 17 wird zu einem Ölabscheider 19 geliefert. Es wird im wesentlichen ölfreies, verdichtetes Gas über eine Leitung 20abgegeben, wobei das Öl unter Druck aus dem verdichteten Gas über eine Leitung 22 durch einen Wärmetauscher 21 zum Verdichter und über eine Leitung 23 zu den Einlaßlagern rezirkuliert wird, was im einzelnen beschrieben wird. Alternativ kann das Öl vom Abscheider 19 zu einem Sumpf 24 abfließen und von einer Pumpe 24' bei einem gesteuerten Druck rezirkuliert werden, unabhängig vom Druck des verdichteten Gases und bei Bedarf über diesem Druck.

Gemäß Fig. 3 enthält das Gehäuse 10 einen insgesamt zylindrischen Körper 25 mit Einlaß- und Auslaßendplatten 26 und 27 und Einlaß- und Auslaßdeckeln 28 und 29. Die Rotoren 13 und 14 weisen Wellen auf, die sich von jedem Ende aus erstrecken und in von den Endplatten 26 und 27 getragenen Lagern gelagert sind.

Die Rotoren 13 und 14 haben am Einlaßende Wellen 32 und 33, die in Zylinderrollenlagern 34 und 35 gelagert sind, die ihrerseits in sich durch die Einlaßendplatte 26 erstreckenden Bohrungen 36 und 37 aufgenommen sind. Die Lager 34 und 35 sind axial schwimmend angeordnet, wobei die Zylinderrollenlager einen trennbaren Laufring haben und sich besonders zum Tragen einer radialen Last eignen. Da die Lager für die beiden Wellen ähnlich sind, wird nur das Lager 34 für den eindringenden Rotor 13 im einzelnen beschrieben. Das Lager 34 weist einen inneren Laufring 40 auf, der auf der Welle 32 angebracht ist und an einer Schulter 41 hiervon anliegt, während ein äußerer Laufring 32 in der Bohrung 36 der Einlaßendplatte 26 aufgenommen wird. Zylinderrollen 43 werden in einem Käfig 44

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zwischen dem inneren Laufring 40 und dem äußeren Laufring 42 gehalten. Die Schmierung der Lager 34 und 35 erfolgt vorzugsweise durch Einführen von gekühltem Öl durch den Einlaßdeckel 28.

Die Rotorwellen 52 und 53 sind am Auslaßende jeweils in Kegelrollenlagern 54 und 55 gelagert, die ihrerseits in in der Auslaßendplatte 27 angeordneten Bohrungen 64 und 65 aufgenommen werden. Am Auslaßende zwischen den Rotoren 13 und 14 befindliches verdichtetes Gas übt auf die Rotoren 13 und 14 eine radiale Kraft aus, die bestrebt ist, die Rotoren auseinander zu drücken. Demnach müssen die Lager 54 und 55 einer größeren radialen Belastung widerstehen als die Einlaßlager 34 und 35. Die Rotoren 13 und 14 werden durch eine beträchtliche axiale kraft von dem verdichteten Gas zum Einlaßende gedrückt. Dieses Gas befindet sich zwischen der inneren Endfläche der Auslaßendplatte 27 und der Endstirnseite der Rotoren 13 und 14, wo ein durch Pfeile bei 57 angegebenes Laufspiel vorgesehen ist.

Die Konstruktion der Auslaßendlager ist am besten in Fig. 3 zu sehen. Da die Lager für die beiden Rotoren 13 und 14 ähnlich sind, wird nur das Lager 54 des eindringenden Roitors 13 im einzelnen beschrieben. Das Lager 54 weist einen inneren Laufring 60 auf, der an einem Lastring 78 anliegt, der seinerseits an einer an der Welle 52 befindlichen Schulter 61 anliegt. Ein äußerer Laufring 68 wird in der Bohrung 65 durch Kegelrollen 66 an einer Schulter gehalten. Diese Kegelrollen werden von einem Käfig 67 in der Betriebslage zwischen dem inneren Laufring 60 und dem äußeren Laufring 68 gehalten. Der innere Laufring wird am Lastring 78 gehalten durch eine oder mehrere auf die Welle aufgeschraubte Sicherungsmuttern 72 oder einen Halter 75 mit Beilegscheiben 76 (Rotor 14), die axial außerhalb des inneren Laufrings angeordnet sind u&d

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einwärts auf dessen äußeres Ende drücken. Der Halter 75 kann durch nicht gezeigte Schrauben oder dergl. an der Welle 53 befestigt sein. Der Lastring 78 liefert eine Federkraft, die den inneren Laufring 60 gegen die Sicherungsmutter 72 drückt. Die axialen Lagen des äußeren Laufrings 68 und des inneren Laufrings 60 bilden das Endspiel 57 zwischen der inneren Stirnseite der Auslaßendplatte 27 und der Endstirnseite der Rotoren 13 und 14. Der Abstand kann gewählt werden durch Vorsehen einer geeigneten Beilegscheibe 76 zwischen dem Halter und dem Rotor oder durch Einstellen der Sicherungsmuttern, wodurch die axiale Lage des inneren Laufrings auf seiner Jeweiligen Welle wirksam verändert wird. Die Schmierung der Lager 54 und 55 erfolgt vorzugsweise durch Leiten von gekühltem öl durch die Auslaßendplatte 27 auf die Lager.

Die durch das Arbeitsfluid an jedem Ende der Rotoren 13 und 14 erzeugte Druckdifferenz bildet eine minimale axiale Kraft, die zum Niederdruckende gerichtet ist und den äußeren Laufring in jedem Lager 54 und 55 gegenüber dem inneren Laufring 60 zentriert, und zwar bei Abwesenheit weiterer axialer oder ausgleichender Kräfte.

Die radiale Last an den Rotoren 13 und 14 am Auslaßende wird durch die Kegelrollenlager 54 und 55 in eine radiale Komponente und eine axiale Komponente geteilt. Die axiale Komponente widersetzt sich der axialen Gaslast und vermindert hierdurch die resultierende R.otorschublast an den Auslaßlagern 54 und 55. Der Winkel des äußeren Laufrings 68 wird so gewählt, daß der sich aus der radialen· Last ergebende Schub stets kleiner als die Druckschublast am entsprechenden Rotor gehalten wird, um die richtige Zentrierung der Rotoren 13 und 14 aufrechtzuerhalten und das Spiel zwischen den Rotoren 13 und 14 und der Auslaßendplatte 27 einzustellen.

Der Winkel der Kegelfläche des äußeren Laufrings 68 gegenüber der Lagerachse ist ein Faktor bei der Bestimmung der Schub-

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last, die das Lager aufnimmt. Eine Erhöhung dieses Winkels erhöht für das Lager das Verhältnis von axialem zu radialem Betriebswert.

Bei Stillstand, wenn keine Gaskräfte vorhanden sind, tragen die Kegelrollenlager 54 und 55 das Gewicht der Rotoren 13 und 14. Die radiale Last aus dem Gewicht erzeugt eine resultierende Schubkraft in den Lagern, die bestrebt ist, die Rotoren 13 und 14 gegen die Auslaßendplatte 27 zu ziehen. Diese resultierende Schubkraft wird aufgenommen und abgestützt von der Fläche an der Endstirnseite der Rotoren 13 und 14 und der Innenseite der -Auslaßendplatte 27. D.h., daß das Oberflächenmaterial der Rotoren und der Endplatte so gewählt werden muß, daß eine Materialkombination vorgesehen wird, die Lagereigenschaften besitzt. Die Oberflächengüte kann dieselben Eigenschaften wie in hydrodynamischen Lagern haben.

Bei der erfindungsgemäßen Lageranordnung wird keine axiale Lagereinstellung oder eine Lagervorlast am Radiallager am Niederdruckende zur Aufrechterhaltung eines geeigneten Spiels am Lager am Hochdruckende vorgesehen. Zur Erzielung eines vereinfachten Aufbaus und einer höheren Lebensdauer des Lagers wird das Lagerspiel gleichzeitig während der Einstellung des Rotorendspiels vorgesehen.

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-Ziffle e rs eite

Claims

Patenten s ρ r ü c h e

Lageranordnung zur Lagerung der Rotorwellen im Gehäuse einer Drehkolbenmaschine, mit einem Gehäuse mit einer Niederdrucköffnung am einen Ende und einer Hochdrucköffnung am anderen Ende und mit Haupt- und Nebenrotoren mit Wellen, auf denen die Rotoren zur Drehung im Gehäuse befestigt sind, wobei die Rotoren ineinandergreifendeschraubenförmige Erhöhungen und Nuten aufweisen, die Gas einfangen, ■während sie das Gas zwischen den Öffnungen bewegen, und wobei die Rotoren am. Niederdruckende einer niedrigen radialen Belastung, am Hochdruckende einer hohen radialen Belastung und einer axialen Belastung unterworfen sind, die die Rotoren zum Niederdruckende hin drückt, gekennzeichnet durch ein axial schwimmendes Radiallager zwischen der Rotorwelle und dem Gehäuse am Niederdruckende, das der Rotorwelle eine axiale Bewegung gegenüber dem Gehäuse ermöglicht, und durch eine Kombination aus Radial- und Axiallager zwischen der Rotorwelle und dem Gehäuse am Hochdruckende, wobei das kombinierte Lager einen Teil der radialen Belastung in eine axiale Kraft umwandelt, die der durch Gasdruck eingeleiteten axialen Belastung entgegengesetzt ist, so daß die durch Gasdruck eingeleitete axiale Belastung wenigstens teilweise ausgeglichen wird.
2. Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Kombinationslager ein Kegelrollenlager ist.
3. Lageranordnung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß jedes Kombinationslager

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eine Laufbahn aufweist, die durch einen inneren Laufring an der Rotorwelle und einen äußeren Laufring im Gehäuse gebildet wird, mit Rollen zwischen dem inneren Laufring und dem äußeren Laufring und einer Einrichtung zum Festlegen der Stellung des äußeren Laufrings, so daß der Rotor gegenüber dem Gehäuse positioniert werden kann.
4. Lageranordnung nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß jedes Kombinationslager ein Kegelrollenlager ist.
5. Lageranordnung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Drehkolbenmaschine ein Verdichter ist, und daß die auf die Kombinationslager ausgeübte axiale Belastung vom Auslaßdruck des Verdichters abhängt.
6. Lageranordnung nach Anspruch 3> gekennzeich"-net durch eine mit einer Rotorwelle in Eingriff stehende Sicherungsmutter zur Positionierung eines der Laufringe gegenüber dem Rotor und zur Herstellung der Stellung des Rotors im Gehäuse.
7. Lageranordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Beilegscheibe und einen Halter, der mit einer Rotorwelle in Eingriff steht zum Positionieren eines der Laufringe gegenüber dem Rotor und zum Herstellen der Stellung des Rotors im Gehäuse.
8. Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Radiallager am Niederdruckende ein Zylinderrollenlager mit einem lösbaren Laufring ist.
9. Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch g e -

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zeichnet, daß das Radiallager einen gegenüber dem Gehäuse feststehenden äußeren Laufring und einem an der Rotorwelle befestigten beweglichen inneren Laufring aufweist, wobei das Radiallager eine Wärmeausdehnung der Rotoren zuläßt.
10. Lageranordnung zur Lagerung jeder Rotorwelle im Gehäuse einer Drehschraubengasmaschine/ mit einem Gehäuse mit einer Niederdrucköffnung am einen Ende und einer Hochdrucköffnung am anderen Ende, und mit Haupt- und Nebenrotoren mit Wellen, auf denen die Rotoren zur Drehung im Gehäuse gelagert sind, wobei die Rotoren ineinandergreifende schraubenförmige Erhöhungen und Nuten aufweisen, die Gas einfangen, während sie das Gas zwischen den Öffnungen bewegen, und wobei die Rotoren am Niederdruckende einer niedrigen radialen Belastung, am Hochdruckende einer hohen radialen Belastung und einer axialen Belastung unterworfen sind, die die Rotoren zum Niederdruckende hin drückt, gekennzeichnet durch ein Radiallager zwischen der Rotorwelle und dem Gehäuse am Niederdruckende, und durch ein axial feststellendes Lager mit hoher Tragfähigkeit für radiale Last und'axialen Schub zwischen der Rotorwelle und dem Gehäuse am Hochdruckende.
11. Lageranordnung nach Anspruch 10, dadurch g e kennz e i ohne t, daß das Radiallager axial schwimmend angeordnet ist, um eine Wärmedehnung und axiale Bewegung der Rotorwelle zum Niederdruckende des Gehäuses zu ermöglichen, wobei das axial feststellende Lager einen Laufring mit einwärts gerichtetem Konus aufweist, der die Rotorwelle radial zentriert, wenn der Rotor einer axialen Belastung ausgesetzt ist, die die Rotorwelle zum Niederdruckende bewegt.

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12. Lageranordnung zur Lagerung jeder Rotorwelle im Gehäuse einer Drehschraubengasmaschine, mit einem Gehäuse mit einer Niederdrucköffnung am einen Ende und einer Hochdrucköffnung am anderen Ende, und mit Haupt- und Nebenrotoren mit Wellen, auf denen die Rotoren zur Drehung im Gehäuse befestigt sind, wobei die Rotoren ineinandergreifen, um das Gas zwischen den Öffnungen zu bewegen, und wobei die Rotoren am Niederdruckende einer niedrigen radialen Belastung, am Hochdruckende einer hohen radialen Belastung und einer axialen Belastung unterworfen sind, die die Rotoren zum Niederdruckende hin drückt, gekennzeichnet durch ein axial schwimmendes Lager mit radialer Belastungsfähigkeit zwischen der Rotorwelle und dem Gehäuse am Niederdruckende der Rotorwelle, die der Rotorwelle eine axiale Bewegung gegenüber dem Gehäuse ermöglicht, durch ein Lager mit axialer Belastungsfähigkeit zwischen der Rotorwelle und dem Gehäuse am Hochdruckende der Rotorwelle mit einem vom Gehäuse getragenen ersten Laufring, der gegen axiale Bewegung nach innen zum Niederdruckende hin festgelegt ist, mit einem zweiten Laufring, der von der Rotorwelle axial auswärts gegenüber dem ersten Laufring bewegbar getragen wird, und mit Rollen zwischen den Laufringen, und durch eine Einrichtung zum axialen Positionieren des zweiten Laufrings auf der Rotorwelle mit einem Verriegelungsglied, das einstellbar an der Rotorwelle befestigt ist, und zwar axial auswärts gegenüber dem ersten Laufring, der sich einwärts am äußeren Ende des ersten Laufrings abstützt, um den ersten Laufring gegen axiale Bewegung auswärts an der Rotorwelle zu halten, wodurch der Betrieb der Gasmaschine den Rotor zum Niederdruckende des Gehäuses bewegt, wobei das Verriegelungsglied die zweite Laufbahn zur ersten Laufbahn hin bewegt, bis das Axiallager in wirksamem Eingriff steht. ^

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13. Lageranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Verriegelungsglied eine Sicherungsmutter ist, die axial außerhalb des zweiten Laufrings auf die Rotorwelle geschraubt ist.
14. Lageranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Verriegelungsglied ein Halter ist, der am Ende der Rotorwelle befestigt ist und sich hiervon radial auswärts erstreckt und am äußeren Ende des zweiten Laufrings anliegt, und durch eine Einrichtung zum Positionieren einer Beilegscheibe zwischen der Rotorwelle und dem Halter zur Veränderung der axialen Lage des Halters gegenüber der Rotorwelle.
15. Lageranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß axial einwärts des" zweiten Laufrings an der Rotorwelle eine Schulter ausgebildet ist, und gekennzeichnet durch einen zwischen der Schulter und dem zweiten Laufring angeordneten Lastring zur Lieferung einer Federkraft, die den zweiten Laufring gegen das Verriegelungsglied radial auswärts drückt.

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