DE3301137C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es sind Rotationskolbenmaschinen mit nur einem mit Schrau­ bengängen versehenen Rotor bekannt, der in einem feststehen­ den Gehäuse rotiert und mit den Zähnen wenigstens eines Zahn­ rades kämmt. Derartige als Kompressoren arbeitende Maschinen sind insbesondere in den FR-PSen 13 31 998 und 15 86 832 und in den GB-PSen 15 48 390 und 15 55 329 beschrieben.

Der Wirkungsgrad von derartigen Kompressoren hängt bekannt­ lich von dem Spiel ab, das zwischen den verschiedenen Elemen­ ten vorhanden ist. Dieses Spiel kann in bestimmten Fällen einstellbar sein; dies trifft z. B. für das Spiel zwischen Zahnrad und Gehäuse bei Kompressoren nach der FR-PS 13 31 998 oder für das Spiel zwischen Zahnrad und Rotor für den Fall von zylindrischen Zahnrädern mit trapezförmigen Zähnen gemäß der FR-PS 15 86 832 zu.

Bei Rotoren mit einem zylindrischen äußeren Profil, wie sie z. B. bei Kompressoren nach den obengenannten GB-PSen verwen­ det werden, hängt der Wirkungsgrad in hohem Maße von dem Spiel zwischen dem Rotor und dem Gehäuse ab, aufgrund des zylindrischen Profils ist dieses Spiel jedoch nicht einstell­ bar und hängt also von der Herstellungspräzision ab.

Dieses Spiel ist besonders kritisch bei Kompressoren, die ohne Öleinspeisung arbeiten und z. B. zum Verdichten von Kühl­ mittel R22 in Kühlanlagen bestimmt sind. Aus zahlreichen Gründen ist es sehr zweckmäßig, ohne Öl auszukommen, insbe­ sondere aus Kostengründen, da der Ölkreislauf entfällt und ein ölfreies Gas erhalten wird, was im Hinblick auf die Wär­ meaustauscher sehr vorteilhaft ist. Der Wirkungsgrad des Kom­ pressors hängt jedoch sehr stark von der Größe des Spiels zwischen Rotor und Gehäuse ab, das bei Kompressoren mit Öl­ einspeisung normalerweise durch das Öl beseitigt wird, wie in dem Zusatzpatent 78 706 zu der FR-PS 12 68 586 erläutert ist.

Es wurde versucht, dieses Spiel geringer zu machen, sobald jedoch ein radiales Spiel in der Größenordnung von 5·10^-4 des Durchmessers unterschritten wird (die genaue Grenze hängt von der Konstruktionspräzision ab), wird festgestellt, daß der Kompressor durch Festfressen zwischen Rotor und Gehäuse beschädigt wird; mit den industriell bei derartigen Kompressoren verwendeten Werkstoffen, d. h. Gußeisen sowohl für den Rotor als auch für das Gehäuse, führt ein solches Festfressen normalerweise zu schweren Schäden, durch die das Gerät zerstört wird.

Es wurde ferner versucht, dieses Problem zu beheben, indem Wabenmuster an der Oberfläche des Rotors oder des Gehäuses vorgesehen wurden, die den Effekt des Festfressens einschrän­ ken; sie sind insbesondere in der DE-OS 32 22 287 beschrie­ ben. Diese wabenförmigen Muster führen jedoch zu äußerst hohen Herstellungskosten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotationskol­ benmaschine der eingangs angegebenen Art dahingehend weiter­ zubilden, daß die Abdichtung zwischen dem Rotor und dem Ge­ häuse mit möglichst geringem Aufwand verbessert wird.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Rotationskolben­ maschine erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Maßnahme gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen angegeben.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform, die für allgemein zylindrische Rotoren besonders vorteilhaft ist, ist der Rotor praktisch über die Gesamtheit seines Umfanges zylin­ drisch, außer im Bereich seines Hochdruckendes, wo er ko­ nisch ist, mit einem sehr kleinen Konus-Scheitelwinkel, wo­ bei dieser Konus seinen geringsten Durchmesser an der Stelle des Rotors aufweist, wo die Dichtungsvorrichtung beginnt.

Es ist zu beachten, daß die erfindungsgemäße Ausbildung nicht nur für Kompressoren ohne Öleinspeisung, sondern auch für Expansionsmaschinen geeignet ist, die dazu bestimmt sind, aus der Entspannung eines komprimierten Gases mecha­ nische Energie zu gewinnen, d. h. bei Anwendungsfällen, wo es sehr schwierig ist, eine Abdichtung durch Flüssigkeitsein­ speisung zu gewährleisten, oder auch bei Pumpen mit sehr hohem Druckverhältnis, bei denen das Spiel ebenfalls kri­ tisch wird.

Einzelheiten mehrerer Ausführungsformen der Erfindung erge­ ben sich aus der folgenden Beschreibung und aus der Zeich­ nung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Kompressors, einer Pumpe bzw. einer Entspannungsmaschine;

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung des in Fig. 1 gezeigten Kompressors;

Fig. 3 eine Ausführungsform, die mit einer weiteren Dichtungsvorrichtung an dem Hockdruckende des Ro­ tors kombiniert ist; und

Fig. 4 eine Anwendung für den Fall eines konischen Rotors.

In Fig. 1 ist in an sich bekannter Weise ein Rotor 1 mit Schraubengängen gezeigt, der um eine Achse 2 in einem Gehäu­ se 3 rotiert und mit zwei Zahnrädern 4 kämmt, deren Zähne mit 5 bezeichnet sind. Das Gehäuse weist eine Niederdrucköff­ nung 6 und eine Hochdrucköffnung 7 auf, die gestrichelt ein­ gezeichnet ist, da sie an dem oberen, durch die Schnittan­ sicht entfallenen Gehäuse angeordnet ist, wobei diese Öffnun­ gen in der Nähe der Zahnräder angeordnet sind.

Der Rotor ist mit Kanälen 8 versehen, die dazu bestimmt sind, einen Hohlraum 9, der an das Hochdruckende des Rotors an­ grenzt, mit der Niederdruckseite zu verbinden und auf diese Weise die auf den beiden Seiten wirkenden Schübe auszuglei­ chen, also jeglichen axialen Druck zu eliminieren.

Der Rotor umfaßt ferner an seinem Hochdruckende ein an sich bekanntes Labyrinth 10, das vorzugsweise aus einer Spirale gebildet ist, die einem Gewinde gleicht. Dieses Gewinde ist mit einem Durchmesser angefertigt, der im wesentlichen gleich dem Durchmesser der Bohrung 11 des Gehäuses ist. Selbst wenn im Augenblick des Zusammenbaus eine Berührung zwischen den Scheiteln des Gewindes und dem Gehäuse stattfindet, so wer­ den diese Scheitel durch Reibung schnell abgenutzt, und es wird ein äußerst geringes Spiel erhalten, das eine praktisch vollkommene Abdichtung zwischen dem Rotor und dem Gehäuse auf der Hochdruckseite gewährleistet. Trotz des geringen Spiels tritt kein Festfressen auf, da die durch Reibung der Gewindescheitel an dem Gehäuse gebildeten Späne in die Gewin­ dehohlräume eintreten können und jeglicher sich bildender Span, der sich zwischen dem Gewindescheitel und dem Gehäuse aufrollt, aufgrund der Spirale durch die Hohlräume des Gewin­ des schnell unterbrochen wird.

Ein solches Gewinde kann jedoch nicht bis zu der Zone des Rotors fortgesetzt werden, die von den Schraubengängen und den dazwischen gebildeten Hohlräumen eingenommen wird, denn dadurch würden sich Leckverluste durch die Hohlräume des Schraubenkörpers hindurch ergeben.

Zwischen dem Ende der Schraubengänge 12 des Rotors (Fig. 2) und dem Gewinde 10 wird daher gewöhnlich eine glatte, unter­ brechungslose Zone 14 belassen.

Wie in Fig. 1, und deutlicher in Fig. 2 ersichtlich ist, weist der Rotor ein maximales Spiel in der Nähe der Dich­ tungsvorrichtung auf, wobei dieses Spiel mit zunehmender An­ näherung an die Niederdrucköffnung entlang einer Erzeugenden des Rotors abnimmt.

Eine bevorzugte, weil besonders einfach zu verwirklichende Lösung besteht darin, dem Rotor die Form eines Kegels 13 zu verleihen, wobei dieser Kegel sich von der Dichtungsvorrich­ tung bis zu dem zylindrischen Teil erstreckt.

Als konkretes Beispiel sei ein Kompressor betrachtet, dessen Rotor einen Durchmesser von 140 mm aufweist und mit zwei symmetrischen Zahnrädern, die ebenfalls einen Durchmesser von 140 mm aufweisen, kämmt, und dessen Durchlaufvolumen etwa 2500 Liter pro Minute bei 3000 Umdrehungen pro Minute be­ trägt, zur Verdichtung des Kältemittels R22 und 4 Bar auf 12 Bar unter Kühlung durch Einspeisung desselben flüssigen Kühlmittels; dieser Kompressor hat einen isentropischen Wir­ kungsgrad von 65%, wenn der Rotor auf seiner gesamten Länge zylindrisch ist und das radiale Spiel zwischen Rotor und Ge­ häuse die Größenordnung von 0,1 mm aufweist.

Bei einem solchen Spiel wurde in keinem Fall Festfressen beobachtet.

Wenn das radiale Spiel auf 25 Mikron vermindert wird, so wird im allgemeinen ein sofortiges Festfressen festgestellt.

Wenn hingegen ein radiales Spiel von 25 Mikron beibehalten wird, außer im Bereich des Hochdruckendes des Rotors, und wenn z. B. der Kegel 13 von einem Kreis ausgeht, der 15 mm jenseits des Endes der Schraubengänge 12 liegt, mit einer Zone 14 von 2 mm Breite, und wenn das radiale Spiel zwischen Rotor und Gehäuse an der Stelle, wo der Kegel 13 sich mit der Dichtigkeitsvorrichtung 10 vereinigt, 0,1 mm beträgt, so wird festgestellt, daß der isentropische Wirkungsgrad des Kompressors 72% erreicht, was eine Verbesserung von 10% ausmacht, und insbesondere wird festgestellt, daß keinerlei Festfressen auftritt. Der so erhaltene Wirkungsgrad macht diese Maschine gegenüber den besten bekannten Kolbenmaschi­ nen wettbewerbsfähig, während ein Wirkungsgrad von 65% sie unter Bedingungen, wo der Energiewirkungsgrad wesentlich ist, kaum verwendbar macht.

Dieser beträchtliche Gewinn an Wirkungsgrad besteht angenä­ hert, energetisch betrachtet, aus einer Verbesserung des vo­ lumetrischen Verhältnisses und einer Leistungsverminderung, die auf einer Verminderung der Gas-Leckverluste von einem gerade komprimierenden Schraubengang zum nächsten beruht.

Von besonderer Bedeutung ist jedoch auch, daß die so erhal­ tene Wirkungsgradsteigerung praktisch gleich derjenigen ist, die mit einem vollständig zylindrischen Rotor erhalten wer­ den würde, daß also der Kegel oder Konus zu keinerlei Beein­ trächtigung des Wirkungsgrades führt.

Zum Beispiel wurde ein Rotor verwendet, der mit einem Waben- Oberflächenmuster versehen war, wodurch es möglich war, bei einem radialen Spiel von 25 Mikron ohne Festfressen zu ar­ beiten.

Anschließend wurde an diesem Rotor ein Konus gemäß den vor­ stehenden Angaben angebracht.

Der festgestellte Wirkungsgradunterschied war geringer als 0,5%. Hinsichtlich des Durchsatzes ergab sich keinerlei Un­ terschied, während die Leistungszunahme die Größenordnung von 0,4% hatte.

Dieses unerwartete Ergebnis kann zum Teil dadurch erklärt werden, daß der an dem Rotor angebrachte Konus oder Kegel ein Spiel, also eine Leckströmung verursacht, daß jedoch diese Leckströmung, da das Spiel sich an der Stelle befin­ det, wo die Schraubenscheitel am breitesten sind, gering bleibt.

In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform der Dichtungsvor­ richtung gezeigt, die zu vergleichbaren Ergebnissen führt; in Fig. 4 ist eine Anwendung auf einen konischen Rotor ge­ zeigt, der aus einem konischen Teil 15 desselben Winkels wie der Konus 16 des Gehäuses gebildet ist und mit sehr geringem Spiel eingebaut ist, worauf ein Konus 13 folgt, der ein bis zur Dichtungsvorrichtung 10b zunehmendes Spiel ermöglicht.

Die vorliegende Rotationskolbenmaschine, die für den Anwen­ dungsfall von Kompressoren mit ebenen Zahnrädern beschrieben wurde, ist in gleicher Weise auf Kompressoren mit zylindri­ schen Zahnrädern anwendbar, ebenso wie auf Pumpen oder Ex­ pansionsmaschinen.

Claims (2)

1. Rotationskolbenmaschine mit einem Rotor (1), der um eine Achse (2) in einem feststehenden Gehäuse (3) mit Spiel ro­ tiert und mit mehreren Schraubengängen versehen ist, die mit den Zähnen (5) wenigstens eines Zahnrades kämmen, wobei das Gehäuse (3) mit wenigstens einer Niederdrucköffnung (6) und wenigstens einer Hochdrucköffnung (7) versehen ist, die in der Nähe des genannten Zahnrades (4) angeordnet ist, wobei der Rotor (1) an seinem auf der Seite der Hochdrucköffnung (7) liegenden Ende eine Dichtungsvorrichtung (10) für die Abdichtung zwischen dem Rotor (1) und dem Gehäuse (3) auf­ weist, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiel zwischen dem Rotor (1) und dem Gehäuse (3) entlang einer Erzeugenden des Gehäuses (3) von der Seite der Niederdrucköffnung (6) bis zur Seite der Hochdrucköffnung (7) zunimmt und in der Nähe der Dichtungsvorrichtung (10) maximal ist.

2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, wobei die mit den Schraubengängen des Rotors (1) zusammenwirkende Zone des Gehäuses (3) zylindrisch ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einhüllende der Schraubengangscheitel des Rotors (1) auf demjenigen Teil des Rotors (1), der mit der Niederdruckseite in Berührung ist, durch einen Zylinder gebildet ist, der durch einen Kegel geringer Neigung (13) verlängert ist, des­ sen geringster Durchmesser sich an der Stelle befindet, wo die Dichtungsvorrichtung (10) beginnt.