DE3301140C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine mit einem zylindrischen, Schraubengänge aufweisenden Rotor, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Rotationskolbenmaschine dieser Gattung ist aus der DE-PS 3 33 803 bekannt. Sie weist einen zylindrischen Rotor auf, dessen Schraubengänge mit einem oder vorzugsweise zwei symme­ trischen Zahnrädern zusammenwirken, deren Zähne entlang den Schraubengängen laufen und mit diesen Kompressions- oder Ent­ spannungskammern bilden.

Bei derartigen volumetrischen Maschinen hängt der Wirkungs­ grad in hohem Maße von der Art und Weise ab, wie die Dichtig­ keit des Rotors am Hochdruck-Berührungsende erreicht wird, insbesondere bei Kompressoren, die ohne zusätzliche Öleinspei­ sung zur Verwirklichung der Abdichtung arbeiten. Aus wirt­ schaftlichen Gründen ist es nämlich zweckmäßig, auf eine sol­ che Öleinspeisung und die sich daraus ergebenden Konsequenzen möglichst zu verzichten. Es ergibt sich nämlich, daß dieses Hochdruckende über beinahe den gesamten Umfang des Rotors mit dem unter Druck stehenden Gas in Berührung ist, wobei diese Zone eine der längsten Leckagelinien der Maschine bildet.

Um einen Eindruck von den Größenordnungen zu vermitteln, sei ein Rotor von 140 bis 240 mm Durchmesser angenommen, entspre­ chend einem durchlaufenden Volumen in der Größenordnung von 2500 bis 14 000 Litern pro Minute bei einer Rotationsgeschwin­ digkeit in der Größenordnung von 3000 Umdrehungen pro Minute; dabei ist es möglich, das Spiel am Hochdruckende des Rotors in der Größenordnung von 0,1 bis 0,15 mm zu halten und durch dieses Spiel Leckagen zu erhalten, die weniger als 1% des durchlaufenden Volumens betragen, wenn der Kompressor mit Öleinspeisung arbeitet und die Luft von 0 auf 7 Bar verdich­ tet.

Wenn hingegen ohne Öleinspeisung gearbeitet wird, z. B. zur Verdichtung des Kältemittels R22, und bei Einspeisung von flüssigem Kältemittel in die Kompressionskammer, um die Kom­ pressionswärme abzuführen, so führen die genannten Werte für das Spiel zu Leckverlusten von mehr als 5% des Durchsatzes. Um diese Verluste annehmbar zu machen und in die Größenord­ nung von weniger als 1% zu bringen, müssen im Betrieb Werte des Spiels von weniger als 30 µm, vorzugsweise in der Größen­ ordnung von 10 bis 15 µm, erreicht werden.

Bei einer in der FR-PS 13 31 998 beschriebenen Rotationskol­ benmaschine ist hinter dem hochdruckseitigen Ende der Schrau­ bengänge des Rotors eine zylindrische Zone angeordnet, mit­ tels welcher der Rotor in einer Bohrung des Kompressorgehäu­ ses gelagert ist. Diese Zone ist mit einem Dichtungslabyrinth versehen. Ein Radialspiel von weniger als einem Zehntelmilli­ meter zwischen Gehäuse und Rotorlager ist jedoch kaum zu er­ reichen.

Bei einer in der GB-PS 15 48 390 gezeigten Ausführung einer Rotationskolbenmaschine wird die Dichtigkeit durch einen kreisförmigen flachen Teil gewährleistet, der mit einem Lager fest verbunden ist, welches gegebenenfalls mit einem Laby­ rinth versehen sein kann. Die Hochdruckabdichtung wird also zwischen diesem flachen Teil und dem Stirnende des Rotors bewirkt.

Diese Lösung weist verschiedene Vorzüge auf: sie beseitigt die Schwierigkeiten, die hinsichtlich der Konzentrizität bei der Ausführung nach der FR-PS 13 31 998 auftreten; sie ermög­ licht die Verwendung von Anordnungen zur Einstellung der Ka­ pazität des Kompressors durch Schieberelemente, wie sie in der GB-PS 15 55 329 beschrieben sind; schließlich kann das Spiel zwischen dem Stirnende und dem Labyrinth beim Zusammen­ bau beliebig eingestellt werden.

Der wesentliche Mangel dieser Anordnung besteht jedoch darin, daß zum Erreichen einer annehmbaren Abdichtung die Kontaktzo­ ne zwischen den ebenen Flächen relativ weit zur Mitte des Rotors hin verlängert werden muß. Der Druck wird vom radial äußeren Rand zum radial inneren Rand der ebenen Fläche gerin­ ger. Daraus ergibt sich ein für die Lager des Rotors unannehm­ barer axialer Druck, da zwischen den ebenen Flächen ein Druck vorhanden ist, insbesondere bei Kühlmittelkompressoren, deren Ausstoßdruck üblicherweise 15 bis 25 Bar erreicht.

Bei der Rotationskolbenmaschine nach der DE-PS 3 33 803 weist jedes Lager einen Ring auf, der das benachbarte Ende des Ro­ tors umgibt. Durch diese Anordnung soll ein leichter Zugang zu den Schraubengängen des Rotors erhalten werden, um diese reinigen zu können, ohne den Rotor auszubauen. Ein solcher Ring ist zwar präzise auf dem Lager zentriert und kann also theoretisch mit sehr geringem Spiel zu dem Rotor montiert werden. In der Praxis läßt sich jedoch das Spiel auf diese Weise nur geringfügig vermindern, denn selbst bei sehr sorg­ fältiger Zentrierung tritt bei Unterschreiten eines bestimm­ ten Spieles ein Festfressen auf.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Rotations­ kolbenmaschine, in der ein sehr geringes Spiel zwischen dem Hochdruckende des Rotors und den feststehenden Teilen gewähr­ leistet ist, ohne jedoch das Auftreten eines übermäßigen axialen Druckes in Kauf zu nehmen.

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

Diese Lösung ermöglicht das einfache Erreichen des gewünsch­ ten Spiels ohne die Mängel der zuvor erläuterten Lösungen. Dieser Ring kann nämlich aus einer Hülse gebildet sein, die auf dem Lager montiert ist und auf dieses und folglich auf den Außenumfang des Rotors genau zentriert ist. Da diese Hül­ se ferner aus einem anderen Metall als der Rotor gebildet ist, und zwar aus einem Metall mit höherem Dehnungskoeffizi­ enten, ist praktisch jede Möglichkeit des Festfressens besei­ tigt, und zwar zum einen wegen der unterschiedlichen Metalle und zum anderen, weil zu Beginn des Festfressens die Hülse sich schneller ausdehnt als der Rotor. Für den Fall, daß die Hülse mit einem Labyrinth versehen ist, z. B. mit einem Gewin­ de, kann ein äußerst präziser Abgleich erreicht werden. Fer­ ner kann durch diese Ausbildung jeglicher axiale Druck auf den Rotor auf sehr geringe Werte vermindert bzw. zum Ver­ schwinden gebracht werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform, die ferner die Anwen­ dung von Schieberelementen ermöglicht, ist der Außendurchmes­ ser des Ringes etwas geringer als der Durchmesser der Gehäu­ sebohrung, worin der Rotor rotiert. Der Rotor trägt an seinem Hochdruckende hinter der die Schraubengänge aufweisenden Zone eine kreisrunde Ausnehmung, die durch den Ring ausgefüllt wird.

Bei dieser Ausführungsform verbleibt ein axialer Druck, da die Hülse eine stirnseitige Abdichtung der in der GB-PS 15 48 390 dargestellten Art bewirkt; dieser Druck kann jedoch gering sein, da die Hülse dünn ausgebildet werden kann, denn der größte Teil der Abdichtung wird zwischen der Innenwand des Ringes und der daran angrenzenden Wandung des Vorsprungs er­ reicht.

Einzelheiten zweier Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen axialen Schnitt entlang der Rotorachse in der Ebene der Zahnräder bei einer bevorzugten Aus­ führungsform, und

Fig. 2 einen Teilschnitt einer anderen Ausführungsvarian­ te.

Die in Fig. 1 gezeigte Rotationskolbenmaschine (Kompressor, Pumpe oder Entspannungsmaschine) umfaßt einen Rotor 1 mit Schraubengängen 2, der um eine Achse 3 im Inneren eines Ge­ häuses 4 rotiert und mit zwei symmetrischen Zahnrädern 5 in Kämmeingriff steht, deren Zähne mit 6 bezeichnet sind. Das Gehäuse weist eine Niederdrucköffnung 7 und eine Hochdruck­ öffnung 8 auf, von deren letztere gestrichelt eingezeichnet ist, da sie sich auf dem entfernten oberen Halbgehäuse in der Nähe der beiden Zahnräder befindet. Der Rotor ist auf einer Welle 9 gelagert, die in Lagern 10 und 11 rotiert, welche auf der Niederdruckseite (Ansaugseite für einen Kompressor) bzw. Hochdruckseite (Auslaßseite bei einem Kompressor) angeordnet sind. Das Lager 11 ist mit Wälzkörpern 18 versehen, die in einem Deckel 11a angeordnet sind, welcher das Gehäuse 4 auf der Hochdruckseite abschließt.

Die Lager sind normalerweise auf die Bohrung 12 des Gehäuses zentriert. Eine Dichtungseinrichtung ist hinter dem Ende 14 der Schraubengänge 2 des Rotors 1 auf der Hochdruckseite an­ geordnet, um die Dichtheit zwischen dem Ende der Schrauben­ gänge und einem Volumen 15 zu gewährleisten, welches an das Hochdruckende des Rotors angrenzt und mit der Niederdrucköff­ nung 7 und einem benachbarten Niederdruckbereich 16 über Ka­ näle 17 in Verbindung steht.

In Fig. 1 ist ersichtlich, daß der Deckel 11a eine Ringhülse 21 trägt. Diese Ringhülse weist eine Bohrung 22 auf, die spielfrei auf einen zylindrischen Vorsprung des Deckels 11a aufgesetzt ist, z. B. durch ein Montageverfahren wie Aufpres­ sen oder Aufschrumpfen durch Wärmeeinwirkung. Diese Ringhülse weist vorzugsweise auf ihrer zylindrischen Innenwandung eine Labyrinth 32 auf, das z. B. aus einem Gewinde gebildet ist, wobei der Innendurchmesser 23 der Gewindescheitel zum Zeit­ punkt der Montage ein sehr geringes Spiel in bezug zu der zylindrischen Seitenwandung des Vorsprungs 34 des Rotors auf­ weist oder sogar leicht klemmend darauf aufsitzt.

An ihrem ringförmigen, von dem Deckel 11a abgewandten Ende weist die Ringhülse 21 eine ebene Stirnfläche 19 auf, die mit geringem Spiel einer Schulter 20a gegenüber angeordnet ist, welche die eine Fläche einer Ausnehmung 20 bildet, die umlaufend an dem Vorsprung 34 des Rotors angebracht ist, wo­ bei die zylindrische Wandung dieses Vorsprungs 34 einen Durch­ messer aufweist, der kleiner als derjenige der die Schrauben­ gänge aufweisenden Zone des Rotors ist. Der Durchmesser der zylindrischen Außenwandung 24 der Ringhülse 21 ist geringer als derjenige der Bohrung 12 des Gehäuses, wobei das Spiel in Durchmesserrichtung ein bis zwei Zehntel (Millimeter) errei­ chen kann. Ferner ist die Ringhülse aus einem anderen Metall als der Rotor gebildet und weist einen höheren Wärmedehnungs­ koeffizienten auf, z. B. aus Aluminium, wenn der Rotor aus Gußeisen besteht.

Man beläßt ein geringes, jedoch ausreichendes Spiel, damit keine Berührung zwischen der Stirnfläche 19 und der Fläche 20a auftritt (von denen die eine oder andere mit einer Spira­ le versehen sein kann, um der Gefahr des Festfressens vorzu­ beugen, falls die Flächen in Kontakt kommen sollten). Wenn das Labyrinth 32 mit dem Vorsprung 34 in Berührung kommt, dehnt sich der Ring schneller als der Rotor, wobei das zwi­ schen der Wandung 24 und der Bohrung 12 verbleibende Spiel diese Ausdehnung zuläßt, so daß ein beginnendes Festfressen angehalten wird. Das Spiel zwischen der Wandung 24 und der Bohrung 12 hat, obwohl es groß ist, keinerlei praktische Aus­ wirkung auf den Wirkungsgrad des Kompressors, denn das unter Druck stehende Gas kann in Axialrichtung nicht entweichen. Es kann lediglich um die Ringhülse herum strömen und zu den Schraubenlängen des Rotors entweichen, wo der Druck geringer ist; der Querschnitt dieses kreisrunden Schlitzes bleibt je­ doch gering, und die von dem Gas in diesem Schlitz zurückge­ legten Strecken sind sehr lang, so daß die Leckströmung also vernachlässigbar ist.

Es ist ersichtlich, daß durch die beschriebene Ausbildung die Verwendung von Schieberelementen möglich ist, wobei jedoch der axiale Druck sehr gering sein kann, da die Ringhülse sehr dünn ausgebildet werden kann und die Abdichtung zwischen der Stirnfläche 19 und der Fläche 20a nur eine Bedeutung hat, die analog dem Spiel zwischen der Wandung 24 und der Bohrung 12 ist; der größte Teil der Abdichtung wird nämlich zwischen der Bohrung 23 und dem zylindrischen Vorsprung 34 erreicht. Ferner ist zu beachten, daß diese Bohrung 23 und dieser Vor­ sprung 34 präzise konzentrisch sein können, mit derselben Konzentrizitätspräzision wie die Lager, da die Einspannzone 22 der Ringhülse gleichzeitig wie die Bohrung 23 bearbeitet werden kann, während diese auf dem Lagerteil 11 sitzen, gleichzeitig wie die Bohrung 25, durch welche die Lager zen­ triert sind.

In Fig. 2 ist eine ähnliche Ausführung wie in Fig. 1 ge­ zeigt, bei der jeg­ licher axialer Druck entfällt. Bei dieser Ausbildung weist der Vorsprung des Rotors denselben Durchmesser wie die Zone des Rotors auf, in der sich die Schraubengänge befinden, wäh­ rend die Ringhülse 21a eine ringförmige Ausnehmung in der Bohrung 12 praktisch ausfüllt. Ein geringes axiales Spiel ist zwischen der Stirnfläche 19b der Ringhülse und einer ebenen Schulter 26 gebildet, welche eine der Flächen der Ausnehmung bildet. Die Ringhülse ist um die zylindrische Wandung 27 des Vorsprungs des Rotors mit sehr geringem Spiel oder sogar mit Klemmung aufgesetzt, während der Rotor insgesamt ein großes Spiel in der Größenordnung von einem Zehntelmillimeter oder mehr zur Bohrung 12 des Gehäuses aufweist.

Zu beachten ist ferner, daß die Schulter 20a (Fig. 1) oder 26 (Fig. 2) eine sekundäre Abdichtung gewährleistet.

Die beschriebenen Ausführungsformen, die zylindrische, mit ebenen Zahnrädern zusammenwirkende Rotoren aufweisen, können nach demselben Erfindungsgedanken auf zylindrische Rotoren übertragen werden, die der FR-PS 15 86 832 entsprechen.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen sind zwar zwei Lager 10 und 11 auf den beiden Seiten des Rotors vorgesehen, jedoch kann auch nur ein Lager 11 vorhanden sein, wobei dann der Rotor freitragend gelagert ist.

Wenngleich ferner der Ring als auf den Deckel 11a aufgesetzte Ringhülse 21 gezeigt ist, was insbesondere zutreffen kann, wenn das Gehäuse, der Rotor und das Lagerteil aus Gußeisen sind, so kann der Ring auch einteilig mit dem Deckel aus­ gebildet sein, z. B. wenn er wegen der Betriebsbedingungen aus einem anderen Metall als der Rotor gebildet ist und einen höheren Wärmedehnungskoeffizienten aufweist, wie z. B. Alumi­ nium.

Claims (8)

1. Rotationskolbenmaschine mit einem zylindrischen, Schrau­ bengänge (2) aufweisenden Rotor (1), der drehbar im Inneren eines feststehenden Gehäuses (4) montiert ist und mit den Zähnen (6) wenigstens eines quer zum Rotor (1) drehbar ange­ ordneten Zahnrades (5) kämmt, wobei das Gehäuse (4) mit we­ nigstens einer Niederdrucköffnung (7) und wenigstens einer Hochdrucköffnung (8) versehen ist, die in der Nähe des ge­ nannten Zahnrades (5) angeordnet ist, wobei der Rotor (1) eine Welle (9) aufweist, die drehbar in wenigstens einem La­ ger (18) eines Gehäusedeckels (11) angeordnet ist, welcher an dem Gehäuse (4) auf der Seite der Hochdrucköffnung (8) ange­ ordnet ist und einen Ring trägt, welcher eine Bohrung (23) aufweist, die mit sehr geringem Spiel einen zylindrischen Vorsprung (34) umgibt, der den Rotor über die mit Schrauben­ gängen versehene Zone des Rotors hinaus verlängert, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (21, 21a) einen Dichtungsring bildet und aus einem anderen Metall als der Rotor (1) besteht, welches einen höheren Wärmedehnungskoeffizienten aufweist.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der einen Dichtungsring bildende Ring (21, 21a) eine äußere rota­ tionssymmetrische Seitenwandung (24) aufweist, die ein gerin­ ges Spiel zu einer Wandung komplementären Profils an dem Ge­ häuse (4) aufweist.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (21, 21a) auf seiner den Vorsprung (34) des Ro­ tors (1) umgebenden Fläche ein Abdichtungslabyrinth (32) auf­ weist.

4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der einen Dichtungsring bildende Ring (21, 21a) mit geringer Klemmung auf dem Vorsprung (34) des Rotors (1) montiert ist.

5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Rotor (1) an seinem Hochdruckende (8) eine ringförmige Ausnehmung aufweist, welche den zylindrischen Vorsprung (34) umgibt, und daß diese Ausnehmung im wesentli­ chen durch den Ring (21) ausgefüllt ist.

6. Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (21) auf seiner von dem Gehäusedeckel (11) abgewandten Seite eine Stirnfläche (19a) aufweist, die mit geringem Spiel einer Schulter (20a) zugewandt ist, die an dem Rotor (1) eine Fläche der den zylindrischen Vorsprung (34) umgebenden Aus­ nehmung bildet.

7. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zylindrische Vorsprung (34) denselben Durchmesser wie die mit Schraubengängen (2) versehene Zone des Rotors (1) aufweist und daß der Ring (21a) eine in der Bohrung (12) des Gehäuses (4) angebrachte ringförmige Ausneh­ mung im wesentlichen ausfüllt.

8. Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (21a) auf seiner von dem Gehäusedeckel (11) abgewandten Seite eine Stirnfläche (19b) aufweist, die einer Schulter (26) gegenüberliegt, welche an dem Gehäuse (4) eine Fläche der durch den Ring ausgefüllten Ausnehmung bildet.