DE3202993C2 - Drehkolbenverdichter - Google Patents

Abstract

Um bei einer Drehkolbenmaschine mit mindestens einem Drehkolben und einem diesen antreibenden Getriebe, dessen Antriebswelle mit einem Antriebsmotor gekuppelt ist, eine optimale Anpassung wie bei Sondermaschinen hinsichtlich des Wirkungsgrades, des Ansaugvolumenstromes und weiterer Parameter ohne besonderen Bau- bzw. Fertigungsaufwand zu ermöglichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine achsparallel zur Drehkolbenachse verlaufende und mit der Antriebswelle (1) achsgleich verbundene Nebenwelle (4) vorzusehen, die an ihrem der Antriebswelle (1) entgegengesetzten freien Ende (5) zum Abgriff von Drehmomenten ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehkolben-Verdichter, d'.r^r als Baueinheit eine Antriebswelle, ein mit dieser verbundenes Antriebsrad und ein von diesem angetriebenes, auf der Welle \;mes Drehkolbens befestigtes Rad aufweist, wobei das Übersetzungsverhältnis der Räder frei wählbar ist.

Unter dem Begriff Drehkolbenverdichter werden in der vorliegenden Anmeldung Schraubenverdichter, Rootsverdichter, Vielzellenverdichter ο. dgl. Arbeitsmaschinen verstanden. Für die Auslegung von derartigen Drehkolbenverdichtern sind folgende Parameter maßgeblich:

1. Ansaugvolumenstrom

2.· Ansaugdruck

3. Enddruck

4. Ansaugtemperatur

5. Fördermedium

Aus diesen Parametern ergibt sich für den Fachmann, ob für den konkreten Anwendungsfall der Einsatz eines einstufigen oder mehrstufigen Verdichters zweckmäßig ist.

Grundsätzlich läßt sich für jeden konkreten Anwendungsfall ein Verdichter konstruieren und herstellen, der bei optimalem Wirkungsgrad bestimmte vorgegebene Werte in bezug auf jeden der oben angegebenen Parameter genau einhält. Derartige Verdichter müssen jedoch speziell für jeden Anwendungsfall als Sondermaschinen konzipiert und hergestellt werden und sind deshalb hinsichtlich der Planung und Herstellung sehr teuer.

Die Hersteller von Drehkolbenverdichtern haben deshalb seit langem zur Reduzierung des Planungs- und Herstellungsaufwandes Scrienmaschinen in Form von Baueinheiten in unterschiedlichen Baugrößen zur Reali- b5 sierung verschiedener Kombinationsmöglichkeiten untereinander zur Verfügung gestellt. Derartige Serienmaschinen lassen sich aufgrund größerer Stückzahlen erheblich wirtschaftlicher herstellen als Sondermaschinen und sind deshalb billiger.

Neben der einfachen einstufigen Bauweise (F i g. 1 bis 4) sind derzeit als Serienmaschinen auch sogenannte Parallelanordnungen (Fig.8 bis 10) bzw. Tandemanordnungen (F i g. 5 bis 7) im Einsatz.

Der Vorteil derartiger Serienmaschinen hinsichtlich des Planungs- und Herstellungsaufwandes muß jedoch im Vergleich zu Sondermaschinen mit einer Reihe von Nachteilen erkauft werden.

Sowohl bei der Tandemanordnung als auch bei der Parallelanordnung von Serienmaschtnen sind konstruktionsbedingt bestimmte Drehzahlverhältnisse und Drehkolbenlängen für die zweite Stufe vorgegeben, wodurch bei einer Abweichung von Auslegungspunkt, und somit in der überwiegenden Anzahl der Einsatzfälle, schlechtere Wirkungsgrade in Kauf genommen werden müssen. Dies führt im Vergleich zu reinen Sondermaschinen zu einer höheren Leistungsaufnahme und damit zu erhöhten Energiekosten im Betrieb.

Bei der Parallelanordnung ergeben sich darüber hinaus weiter Nachteile in bezug auf die Anpassung des Ansaugvolumenstroraes. Da aufgrund des bei derartigen Doppel-Parallelanordnungen notwendigen Turbogetriebes die Achsabstände zwischen der Hauptantriebswelle und den Antriebswellen der beiden Stufen einer Baureihe steis konstant sind, muß in bezug auf das Übersetzungsverhältnis für den angestrebten Ansaugvolumenstrom der ersten Stufe mit dem notwendigen Übersetzungsverhältnis für den idealen Zwischendruck in der zweiten Stufe für die überwiegende Anzahl der Anwendungsfälle stets ein Kompromiß eingegangen werden. Derartige Kompromisse führen jedoch ebenfalls zu schlechteren Wirkungsgraden und damit zu einem erhöhten Energieaufwand im Betrieb.

Gegenüber der einstufigen Bauweise müssen sowohl im Falle der Tandemanordnung als auch im Falle der Parallelanordnung jeweils spezielle Getriebe und Gehäuse vorgesehen werden, da bei der Tandem-Anordnung die Leistung für die zweite Stufe zusätzlich über das Getriebe für die erste Stufe übertragen werden muß und bei der Parallelanordnung ein spezielles Turbogetriebe für den zweistufigen Betrieb erforderlich ist

Die oben beschriebenen Kombinationsmöglichkeiten und Erwägungen betreffen das Gebiet der Arbeitsmaschinen. Es ist jedoch auch auf dem Gebiet der Kraftmaschinen bereits bekannt, Serienmaschinen in Form von Druckluftmotoren jeweils in Parallelanordnung aufzubauen und in Reihe miteinander zu kombinieren und auf eine gemeinsame Antriebswelle wirken zu lassen (vgl. US-PS 40 25 224).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Drehkolbenverdichter der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art (Arbeitsmaschine) derart weiterzubilden, daß dieser als vollständige Baueinheit mit anpaßbarer Drehzahl in einer mehrstufigen Verdichteranlage verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Baueinheit eine an dem Drehkolben achsparallel entlanggeführte Nebenwelle vorgesehen ist, die mit ihrem einen Ende unmittelbar mit der Antriebswelle verbunden ist und an ihrem anderen freien Ende eine Kupplung zum Anschluß einer weiteren Baueinheit aufweist.

Die erfindungsgemäße Integration einer an dem Drehkolben achsparallel entlanggeführten, mit der Antriebswelle verbundenen Nebenwelle in die Baueinheit und deren Anschlußmöglichkeit über eine Kupplung an

eine weitere Baueinheit, eröffnet überraschende technische Möglichkeiten. So können über die jeweilige Nebenwelle zwei oder mehrere Baueinheiten zur Bildung von zwei oder mehreren Stufen aneinander gekuppelt werden. Die Stufen können dabei eine beliebige Baugröße aufweisen, d. h. an die Nebenwelle der ersten bzw. der jeweils davor liegenden Stufe kann eine Stufe gleicher, größerer oder kleinerer Baugröße angekuppelt werden. Aufgrund des jeweils eigenen Übersetzungsgetriebes können dabei alle Stufen an die jeweils erforderlichen optimalen Ansaugvolumenströme und Zwischendrücke angepaßt werden, wodurch alle Stufen in bezug auf die eingangs genannten Parameter hinsichtlich des Wirkungsgrades im optimalen Einsatzbereich betrieben werden können.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ergeben sich diese Möglichkeiten mit in Serie hergestellten Baueinheiten. So können derartige Baueinheiten ohne jegliche Änderung sowohl als Einzelstufe, als auch als erste, zweite oder n-te Stufe eingesetzt werden.

Infolge dieser vielfältigen Einsatzmöglichkeiten werden höhere Stückzahlen als bei bisher im Einsatz befindlichen Serienmaschinen benötigt, wodurch eine wirtschaftlichere Herstellung als bisher möglich ist. Zusätzlich ergibt sich eine schnellere Lieferbereitschaft.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Konzeption ist es dabei, daß der Einsatz von zusätzlichen und speziell angepaßten Getrieben, wie sie für Tandemanordnungen und Parallelanordnungen erforderlich sind, nicht notwendig ist

Wie bereits erwähnt, können Stufen beliebiger Baugröße zusammengekuppelt werden. Dabei ist es auch möglich, zwei Baueinheiten gleicher Baugröße zusammenzukuppeln und die erste im oberen Umfangsgeschwindigkeitsbereich und die zweite im unteren Umfangsgeschwindigkeitsbereich zu betreiben.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Konzeption arbeitet im Falle der Aneinanderkopplung mehrerer Baueinheiten der erfindungsgemäßen Art jeder Verdichter letztendlich =ils Einzelstufe, die durch eine entsprechende Wahl des Obersetzungsverhältnisses ihres Getriebes den jeweiligen Erfordernissen ihrer Aufgabe in der Gesamtanlage entsprechend angepaßt werden kann.

Grundsätzlich ist es möglich, die Nebenwelle aus mehreren Teilen zusammenzusetzen. Vorteilhaft ist jedoch eine Konstruktion, bei der die Nebenwelle mit der Antriebswelle einstückig verbunden ist.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einer Baueinheit dieser Art ist die Antriebswelle beidseitig des Getrieberades gelagert. Dadurch kann eine Dimensionierung der Nebenwelle auf Biegung entfallen, so daß nur die Übertragung des jeweils erforderlichen Drehmomentes in die Berechnung der Wellendimension eingeht. Derartige nur auf Torsion beanspruchte Wellen können bekanntlich kleiner dimensioniert werden, als solche, die auch auf Biegung beansprucht sind.

Grundsätzlich kann die Nebenwelle jede beliebige Länge aufweisen. Zweckmäßig ist es jedoch, wenn die Länge der Nebenwelle gleich oder größer der Länge des oder der Drehkolben ist. Dadurch liegt das zum Abgriff von Drehmomenten ausgebildete freie Ende der Nebenwelle auf der der Antriebswelle entgegengesetzten Seite der Baueinheit, wodurch die Ankopplung weiterer Baueinheiten vereinfacht wird, da diese in Reihe hintereinander angeordnet werden können. Dies vereinfacht auch die Ausbildung der gemeinsamen Fundamente.

Bei Baueinheiten, bei denen die Länge der Nebenwelle gleich oder größer der Länge des oder der Drehkolben ist, kann das Gehäuse im Bereich unterhalb der Nebenweüe als Verbindungskanal für die ölschmierung der Maschine ausgestaltet und damit in besonderer Weise zusätzlich genutzt werden.

Die Nebenwelle eignet sich nicht nur zum Ankoppeln von weiteren Baueinheiten, sondern darüber hinaus auch zur Ankopplung von Zusatzaggregaten. So kann an die Nebenweile beispielsweise ein Ventilatorrad einer Kühlanordnung für die Maschine angekoppelt sein. Es ist jedoch auch möglich, das Ventilatorrad direkt auf die Nebenwelle aufzuschieben, wodurch dieses nicht nur am Ende, sondern auch an einer anderen Stelle angeordnet werden kann.

An die Nebenwelle kann auch eine ölpumpe angekoppelt werden. Diese ölpumpe kann zum einen der Getriebe- und Lagerschmierung dienen und zum anderen — bei nasser Betriebsweise der Maschine — zur Förderung des Schmiermittels für die Drehkolben eingesetzt werden.

Im folgenden sind zur weiteren EiiÄuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung Drehkolbenverdichter sowohl der bekannten (Fig. 1 bis 10) als auch der erfindungsgemäßen Art (F i g. 11 bis 18) in verschiedenen Ausführungen und Kombinationen dargestellt.

F i g. 1,2,3 und 4 zeigen schematisch in vier verschiedenen Baugrößen Drehkolbenverdichter der bekannten Art in einstufiger Bauweise,

F i g. 5,6 und 7 zeigen schematisch in drei verschiedenen Baugrößen Drehkolbenverdichter der bekannten Art in zweistufiger Bauweise (Tandemanordnung),

F Ί g. 8. 9 und 10 zeigen schematisch ebenfalls in drei verschiedenen Baugrößen Drehkolbenverdichter der bekannten Art in zweistufiger Bauweise (Parallelanordnung).

F i g. 11 bis 14 zeigen schematisch in vier verschiedenen Baugrößen DrehkoüDenverdichter der erfindungsgemäßen Art in einstufiger Bauweise, F i g. 15 zeigt schematisch einen zwei- bzw. vicrstufigen Drehkolbenverdichter der erfindungsgemäßen Art, Fig. 16 zeigt schematisch einen zweistufigen Drehkoldenverdichter der erfindungsgemäßen Art, der aus zwei verschieden großen Einzelstufen zusammengesetzt ist.

Fig. 17 zeigt schematisch einen Drehkolbenverdichter der erfindungsgemäßen Art, der aus zwei gleich großen Einzelstufen zusammengesetzt ist, und

F i g. 18 zeigt schematich in einem Schnitt einen etwa der Anordnung gemäß Fig. 16 entsprechenden zweistufigen Drehkolbenverdichter der erfindungsgemäßen Art, wobei die zweite Stufe abgebrochen dargestellt ist. Bisher wurden einstufige, mit zwei Drehkolben ausgestattete Drehkolbenverdichter mit einem Übersetzungsgetriebe — und falls notwendig — mit Synchronisationszahnrädern ausgestattet. Zur Reduzierung der Planungs- und Herstellungskosten wurden von den Herstellern von Drehkoibenverdichtern dabei Serienmaschinen in vier unterschiedlichen Baugrößen zur Verfügung gestellt, wie dies in den F i g. 1,2,3 und 4 schematisch dargestellt ist.

War eine zweistufige Ausführung notwendig, wurden bisher entweder zwei einstufige Drehkolbenverdichter mit zwei Motoren eingesetzt oder eine Tandemanordnung mit Nebenläuferarttrieb der zweiten Stufe (vgl.

F i g. 5 bis 7) bzw. eine Parallelanordnung (vgl. F i g. 8 bis 10) gewählt.

Für diese bekannten zweistufigen Verdichter war es allerdings notwendig, jeweils spezielle Gehäuse und Ge-

triebe zur Verfügung zu stellen. So konnte beispielsweise das in der jeweiligen Größe für die einstufige Bauweise verwendete Übersetzungsgetriebe (vgl. beispielsweise Baugröße der Fig. 1) nicht für die zweistufige Bauweise in Tandemanordnung (vgl. beispielsweise F i g. 5) eingesetzt werden, da bei der Tandemanordnung das gesamte, für den Antrieb der zweiten Stufe benötigte Drehmoment über das Übersetzungsgetriebe der ersten Stufe läuft. Auch konnte bei einer derartigen Tandemanordnung im Falle einer Verwendung der Drehkolben einer Baugröße aus der einstufigen Bauweise in der zweiten Stufe der Zwischendruck wegen der festliegenden Drehzahl und Übersetzungsverhältnisse nicht den Idealwerten angepaßt werden.

Bei der bekannten zweistufigen Bauweise in Parallelanordnung (vgl. Fig.8 bis 10) wiederum waren ebenfalls nur Kompromisse in bezug auf die Anpassung des Ansaugvolumenstromes und des Zwischendruckes möglich, da das bei derartigen Donpel-Turboanordnungen notwendige Turbogetriebe einer Baureihe stets einen konstanten Achsabstand zwischen der Hauptantriebswelle und den Antriebswellen der beiden Stufen aufweist und sich diese vorgegebenen Achsabstände nicht mit den für eine optimale Betriebsweise notwendigen Stufendrehzahlen abstimmen lassen.

Diese Abstimmungs- und Anpassungsprobleme werden durch die erfindungsgemäße Baueinheiten-Konzeption vollkommen vermieden. So besitzen Baueinheiten der erfindungsgemäßen Art eine achsparallel zur Drehkolbenachse verlaufende und mit der jeweiligen Antriebswelle 1 für das Getriebe 2. 3 achsgleich verbundene Nebenwelle 4, die an ihrem der Antriebswelle 1 entgegengesetzten freien Ende 5 mit einer Kupplung 9 ausgestattet sind.

Derartige mit einer Nebenwelle 4 ausgestattete Drehkolbenverdichterbaueinheiten können wirtschaftlich einschließlich des Gehäuses in Serienfertigung in verschiedenen Baugrößen (gemäß den Fig. 11. 12, 13 und 14) hergestellt werden. Diese erfindungsgemäß ausgestalteten Baueinheiten können als reine Einzelstufen eingesetzt (vgl. F i g. 11 bis 14) oder zu zwei- oder mehrstufigen Verdichtern (vgl. F i g. 15 bis 17) hintereinander geschaltet werden. Im Falle des einstufigen Einsatzes können jeweils an das freie Ende der Nebenwelle 4 Zusatzaggregate, wie beispielsweise eine ölpumpe oder ein Ventilatorrad angekoppelt werden. Im Falle einer zwei- oder mehrstufigen Maschinenkonzeption dienen die Nebenweilen 4 zur Übertragung des Drehmomentes auf die jeweils anschließende Stufe. Aufgrund des erfindungsgemäßen Einsatzes einer Nebenwelle kann von der einen auf ah. andere Stufe jeweils ein Drehmoment mit der Drehzahl der Antriebswelle übertragen werden, ohne daß dadurch das Übersetzungsgetriebe für die jeweilige Stufe belastet wird. Da außerdem das Übersetzungsverhältnis der jeweiligen Stufe auf die Drehzahl der nachfolgenden Stufe keinerlei Einfluß hat, kann das Getriebe 2. 3 jeder Stufe den jeweiligen Erfordernissen der jeweiligen Stufe zur Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades individuell angepaßt werden.

Wie in den Fig. 16 und 17 schematisch dargestellt, können zur Bildung eines zweistufigen Drehkolbenverdichters nicht nur Drehkolbenmaschinen unterschiedlicher Baugröße (F i g. 16), sondern auch gleicher Baugröße (F i g-17) miteinander kombiniert werden, und somit eine dem jeweiligen Verwendungszweck genau angepaßte Maschine erstellt werden, ohne daß es dabei des Aufwandes einer Sondermaschine bedarf.

Die Schnittdarstellung gemäß Fig. 18 zeigt schematisch die Ankopplung von Zusatzaggregaten an die Nebenwelle. So ist dicht neben der beide Stufen miteinander verbindenden Kupplung 9 auf der Nebenwelle 4 der ersten Stufe ein Ventilatorrad 7 angeordnet, das Kühlluft durch einen an das Gehäuse der ersten Stufe angebauten Kühler 8 saugt oder drückt. In diesem Ausführungsbeispiel treibt die Nebenwelle 4 auch eine ölpumpe 6 an, die auf die Nebenwelle aufgeschoben und in einer innerhalb des Gehäuses angeordneten Ausnehmung angeordnet ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Drehkolbenverdichter, der als Baueinheit eine Antriebswelle, ein mit dieser verbundenes Antriebsrad und ein von diesem angetriebenes, auf der Welle eines Drehkolbens befestigtes Rad aufweist, wobei das Obersetzungsverhältnis der Räder frei wählbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Baueinheit eine an dem Drehkolben achsparallel entlang geführte Nebenwelle (4) vorgesehen ist, die mit ihrem einen Ende unmittelbar mit der Antriebswelle (1) verbunden ist und an ihrem anderen freien Ende (5) eine Kupplung (9) zum Anschluß einer weiteren Baueinheit aufweist t<;

2. Drehkolbenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenwelle (4) einstückig mit der Antriebswelle (1) verbunden ist

3. Drehkolbenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (1) beidseitig des Antriebsrades (2) gelagert ist.

4. Drehkolbenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Länge der Nebenwelle (4) gleich oder größer der Länge des Drehkolbens ist.