DE3517913A1

DE3517913A1 - Rotationsmaschine fuer fluessigkeiten

Info

Publication number: DE3517913A1
Application number: DE19853517913
Authority: DE
Inventors: Shoji Fukami; Takahisa Hirano; Mitsutoshi Nagoya Aichi Maeda
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1984-05-25
Filing date: 1985-05-15
Publication date: 1985-12-05
Also published as: KR880000519B1; GB2159881A; JPS60249688A; GB8512837D0; KR850008706A; GB2159881B; CA1279302C; AU4259085A; US4678416A; AU573829B2; FR2564907A1; FR2564907B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotationsmaschine für Flüssigkeiten.

Der übliche Aufbau eines Spiralkompressors, dessen Funktionsprinzip in Fig. 4 schematisch dargestellt ist und von dem bei der Erläuterung bekannter Flüssigkeitskompressoren ausgegangen werden soll, weist zwei Schneckon- oder Spiralelemente mit demselben Querschnitt, auf, von denen eines (2)auf einer Seite einer abdichtenden Abdeckplatte mit einer praktisch mittigen Auslaßöffnung 4 befestigt ist. Beide Spiralelemente werden in dieser Konstruktion um 180 zueinander versetzt in Drehunr versetzt und um eine Strecke St^verdreht (wobei J das Steigungsmaß der Spirale vermindert um das Doppelte dnr Spiralelementenplattendicke ist), so daß sie miteinander, wie in Fig. 4 gezeigt, verschachtelt werden und sich re,· enseitig an vier Punkten 51, 52, 51' und 52' berühren. In diesem Aufbau ist das eine "piralelement 2 stationär angeordnet und das andere Element 1 sro, daß es sich mit einer Wälzbewegung oder Sonnenumlaufbewegung mit dem Bewegungsradius P= 0,0' um das Zentrum 0 des Spiralelements 2 bewegt, ohne sich dabei umlaufend oder planotarisch um seine eigene Achse zu bewegen, aufgrund der Anwendung eines Kurbelmechanisinus mit dem Radius ρ

1
t -

Zwischen den Berührungspunkten 51, 52, 51' und 52' dor Spiralelemente 1 und 2 sind kleine Kammern ;>, 3 begrenzt, die dort drinnen dicht eingeschlossen sind und deren Volumina sich allmählich mit fortlaufender WMIr:- bewegung des Spiralelements 1 verändern.

Wenn sich das Spiralelement 1 zuerst ausgehend von der Lage in Fig. 4 (A) um 90° bewegt, geht es in die La;,e nach Fig. 4 (B), nach 180° entsprechend gemäß Fig. 4 (C) und nach 270° entsprechend gemäß Fig. 4 (D)"über. Dabei nehmen die Volumina der kleinen Kammern 3, 3 allmählich ab und schließlich vereinigen sie sich zu einer festgeschlossenen kleinen Kammer 53· Nach einer weiteren Drehung um 90° aus der Position nach Fig. 4 (D), kehrt es in die Lage nach Fig. 4 (Λ) zurück. Das Volumen dor kleinen Kammer 5" verkleinert, sich beim Übergang vom Zustand nach Fig. 4 (B) zum Zustand nach Fig. 4 (C) und nimmt schließlich sein Minimum für eine Lage zwischen dm Zuständen gemäß Fig. 4 (C) und Fig. 4 (D) an. V/ährend dieses Bewegungsablaufes beginnen Außenräume sich zu öffnen (vgl. Fig. 4 (B)) und größer zu werden, während sich das Element 1 von den Lagen gemäß Fig. 4 (C) in die gemäß Fig. 4 (D) und schließlich gemäß Fig. 4 (A) bewegt, so daß neue Flüssigkeit von diesen Außenräumen in die kleine Kammer gelangt, woraufhin sich der ganze Zyklus wiederholt, so daß die so aufgenommene Flüssigkeit entsprechend unter Druck gesetzt wird, um an der Auslaßöffnung 4 zur Verfügung zu stehen.

BAD

Der konstruktive Aufbau eines Spiralkompressors ergibt

sich aus Fig. 5. Der dort dargestellte Querschnitt zeigt ein Gehäuse 10, bestehend aus einer vorderen Abdeckplatte 11, einer hinteren Abdeckplatte 12 und einem zylindrischen Teil 1⁷>. Die hintere Abdeckplatte 12 ist mit einer Ansaugöffnung 14 und einer Auslaßöffnung 15 ausgestattet, die jeweils von der Platte abstehen. Sie ist weiterhin mit einem stationären up ir al element 25 fest verbunden, das seinerseits aus einem spiral- oder schneckenförmigen Leitblech 252 und einer Scheibe 251 besteht. Die vordere Abdeckplatte 11 Innert drehbar eine Spindel 17 mit einem Kurbelzapfen 2'*. Wie Fig. 6, die einen Schnitt entlang der Linie VI-VI in Fig. 5 darstellt, zeigt, steht mit dem Kurbelzapfen 23 ein bewegbares Spiralelement 24, bestehend aus der Schnecke 242 und der Scheibe 241, in operativem Einrriff. und zwar durch einen Drehmechanimus aus einem Nadelquprlager 24, einer Vierkantbuchse 271, einem Schieber ?')1, einem Ring 292, einem Anschlag 29 ^y> u. dgl.

In einem derartig aufgebauten Spiralkompressor verkleinert sich also das Volumen der kleinen Kammer 5;i allmählich mit fortlaufender Abwälzung des bewegbaren Spiralelements 1, so daß die Flüssigkeit unter Druck stehend an der Auslaßöffnung zur Verfügung steht. Mit der Dicke der verwendeten Spiralelemente ist es jedoch nicht möglich, das Volumen der kleinen Kammer auf Null zu reduzieren, wodurch also ein Restvolumen erhalten bleibt.

BAD ORIGINAL

-A-

In diesem Restvolumen bleibt uriler Druck π Lebende Flüssigkeit enthalten, die nicht, an der Anschlußö.ffnunr, bereitgestellt werden kann, aber in die kleinen Kammern 3, 3 zurückgeführt wird (im nächsten Zyklus). Folglich wird die vom Kompressor an der Flüssigkeit in dem ReBtvolumen vollbrachte Arbeit unnötig verrichtet.

Im Bemühen, dieses Problem zu lösen, wurde in der japanischen Patentanmeldung 206,088/1982 eine Rotationsmaschine für Flüssigkeiten vorgeschlagen, wie sie nun kurz anhand Fig. 7 erläutert wird. Dort weist das stationäre Spiralelement 501 an den Außen- bzw. Innenflächen die Kurvenverläufe 601 bzw. 602 auf. Die Außenkurve 601 ist eine Evolente mit. dem Basiskreisradius b und dom

¹^ Startpunkt A. Der Abschnitt E-F der Innenkurve 602 irrl eine Evolvente mil. der Phasenverschiebung ( 7" - J³/© ) relativ zur Außenkurve 601 und der Abschnitt D-F ist oin Bogen mit Radius R. Die Verbindungskurve 60^r> zwischen dpr Außen- und Innenkurve 601 und. 602 beschreibt ebenfalls einen Bogen, mit Radius r. Der Punkt A ist der Startpunkt der Außenkurve 601 in der Evolventen, und Punkt B ist flor Grenzpunkt zwischen der Außenkurve 601 und der Verbindungskurve 603, wobei beide Kurven in B dieselbe Tangente besitzen. Der Punkt C liegt hinreichend weit auf der Kurve 60I nach außen gerückt. Punkt D ist der Grenzpunkt, zwischen der Innenkurve 602 und der Verbindungskurve 603» in dem sich die beiden Bögen mit dem Radiurs K bzw. r aneinander schmiegen. Punkt E ist der CrenzpunkL zwischen dem Bogenabschnitt D-E der Innerikurve 602

BAD

und der'Evolventen im Abschnitt E-F, in dem beide Kurven dieselben Tangente haben. Punkt F liegt hinreichend weit auf der Innenkurve 602 nach außen gerückt. Das andere, bewegbare Spiralelement 502 weint eine identische Konfiguration aus.

Die Radien R und r ergeben sich aus den folgenden Gleichungen

R =j> + bß + d (1)

r = b β + d . (2)

wobei ρ der Radius der Wälzbewegung ist, b der Radius eines Basiskreises, für d

■ b² - (J₊ bß)²
2"

2 (f + bß) (15)

2"

und β ein Parameter ist, der gleich einem Winkel ist, welcher von einem Geradenabschnitt durch den Ursprung 0 und der X-Achse in der negativen Halbebene eingeschlossen ist. Es gibt zwei Schnittpunkte 0-, und Op zwischen dem Basiskreis und dem unter Winkel ß geneigten, durch den Ursprung laufenden Geradenabs chni ti;

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Zwei Geraderiabschnitte EOp und BO-, schmieden sich dennoch in den Punkten 0, und Op an dem Basiskreis an. Dem Parameter β wird einerseits eine Randbedingung für die Festlegung der Evolventen für die Außen- und Innenkurve 601 bzw. 602 vorgegeben, andererseits legt β schließlich die Randpunkte E und B zur Erzielung einer geeigneten Evolventenkurve fest.

Bei dieser Kompressionsmaschine mit Schnecken- oder Spiralelemente 252 und 242, oben beschriebener Ausbildung, wurde jedoch von Zeit zu Zeit bemerkt, daß es im Hochleistungsbetrieb, wobei im allgemeinen ein beträchtlicher Druckunterschied zwischen der Niederdruck- und der Hochdruckseite der Maschine existiert, aufgrund dessen, daß die Festigkeit oder die Steifigkeit des radial innenführenden Endes des Spiralelementes (siehe Pfeil in Fig. k (A)) relativ kleiner ist, als die anderer Teile, sehr wahrscheinlich ist, daß dieses Führungsende abbricht.

Aus diesem Grunde würde die Höhe des i'ipiralelcments auf bestimmte Werte beschränkI werden müssen, d.h. sie dürfte nicht zu groß sein. Es entspricht der Praxis des Entwurfs einer großen Verdrängermaschine, daß der lladiun b des Basiskreises oder der Radius ξ der Wälzbewegung anstelle der Höhe des Spiralelements größer ausgelegt wird, was natürlich in einem größeren Gesamtdurchmesser des Spiralelements resultiert. Dies ist jedoch unerwünscht im Hinblick auf Kompaktheit und Handhabung der Maschine.

BAD ORIGMAL

i -

Vor dem Hintergrund der beschriebenen Nachteile ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Rotationsmaschine für Flüssigkeiten zu schaffen, die eine wirksame Lösung für die genannten Probleme bereithält. Dies bedeutet insbesondere, daß es das Hauptanliegen der Erfindung ist, eine Verbesserung dahingehend vorzuschlagen, daß das innenführende linde des Spiralelementes wirksam vor Bruch während des Betriebs geschützt werden kann, wodurch die Höhe der Schnecken- oder Spiralelemente in der Maschine entsprechend ausgelegt werden kann, d.h. höher als in herkömmlichen Konstruktionen sein kann und wodurch eine große Kapazität der Maschine erzielt werden kann, ohne den äußeren Gesamtdurchmesser größer zu machen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Aufbau der Maschine mit zwei Schnecken- oder Spiralelementen, von denen eines stationär, das andere bewegbar angeordnet, is ι , die beide praktisch identisch konfiruriert sind und beide um 180° gegeneinander versetzt ineinander verschachtelt darin angeordnet sind, gelöst, wobei sich das bewe.'.baro Spiralelemenb in bozu-: auf das stationäre .'ipiralelemon¹ in einer Wälzbewegung mit dorn Bewegungsradiusg bewegt, beide Spiralelemente im Profil entsprechend festgelegt sind mit einem radialen Außenkurvenabschnitt, der aus einer Evolventenkurve besteht, mit einem radialen Innenkurvenabschnitt aus einer anderen Evolventenkurve in einem Bogen mit dem Radius R, und mit einem Bogen mit Radius r, der den radialen Außenkurvenabschnitt und den Bogen mit Radius R stetig verbindet, wobei die geometrischen Beziehungen genannter Größen folgenden Gleichungen gehorcht·

- 8 BAD

s -

R =g + bß+ d

r = b ß+ d

b² - (S₊ bß)² 2

² <* ₊ bG)
2

wobei β £ 135° und b der Radius des Basir.kreises der Evolventen ist.

Aufgrund dieser vorteilhaften Konstruktion ist sichergestellt, daß eine Maschine großer Kapazität bereitgestellt werden kann, auf der Basis, daß die radial inneführenden Enden der Spiralelemente gut vor möglichen Beschädigungen während des Betriebes der Maschine geschützt isind und daß die Höhe der Spiralelemente größer als bei herkömmlichen Konstruktionen aus/meiert werden kann, ohne den Außendurchmesser der Spiralelemente größer zu machen, die so der Industrie unverzüglich mit. den genannten wesentlichen Vorteilen berei l r.pstell! werden können.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Vorderansicht der Konfiguration eines Schnecken- oder Spiralelements in der Rotationsmaschine für Flüssigkeiten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der

Erfindung,

BAD ORIGINAL _ _g _

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Beziehung

zwischen dem Parameter β und der BeIastun,· auf dem innenführenden Ende dos i5piralelements gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine ähnliche Darstellung wie in Fig. 1, ai>er mit dem Parameter ß = 1!55 ,

Fig. 4 (A)
bis

Fig. 4 (D) eine Reihe von schematischen Ansichten, die das Funktionsprinzip eines bekannten Spiralkompressors verdeutlichen,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen herkömmlichen

Spiralkompressor,

Fig. 6 einen Querschnitt entlang der Linie VI-VI in Fig. 5 und

Fig. 7 eine schematische Ansicht der Konfiruration des

in der 3^aP^anischen Patentanmeldung 206, 088/198? offenbarten .Spiralelementes einer Maschine eingangs genannter Art,
25

Die Erfindung wird anhand der Figuren 1 bis ^ bzw. der dort dargestellten bevorzugten Ausführun/sform, die in der Praxis eingesetzt wird, eingehender beschrieben.

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BAD ORIGINAL

Dabei wird auch Bezug genommen auf die bekannten Konfigurationen (Fip;. 4-7), wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

In Fig. 1 ist die Konfiguration des erfindungsgemäßen .Spiralelements detailliert dargestellt, wobei dort drei Kurvenparametar ß, , ß_? und 3-, angegeben sind, für deren -Beziehung untereinander rilfc: ß-, < ß_? < Q₇.

Es ist erkenntlich (Fig. 7), daß die Radien R und r der Bogenabschnitto, die in der Evolventenkurve am innenführenden Ende des' Spiralelements festgelprt sind. mit wachsendem ß größer werden. In Fig. 1 ist ein Punkt A angegeben, der den Startpunkt einer Evolvcntenkurve mit Basiskreis des Radius b darstellt. Am Punkt Λ, der ein Punkt auf der Evolventenkurve mit Basiskreis des Radius b und der Winkelphase von ( 7Γ - b/£ ) ist, kommt ein Punkt A des komplementären Spiralelements zum Eingriff. Die Punkte B-., B„ und'B, sind Randpunkte .auf der Außenkurve des Spiralelements, wobei β dem Parameter β, , ß_o bzw. ß_v entspricht. Die Punkte E₁, E₀ und E, sind Randpunkte auf der Innenkurve des Spiralelements, wobei auch hier ß ß,, ß₂ bzw. ß^ entspricht. Die Punkte B-^, F,^, und Bp, E_ und B,, E, sind Berührung punkte, wo das Spiralelement mit dem komplementären Element in Kontakt tritt.

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4b

-yc-

Wie aus dieser Fig. 1 ersichtlich ist, wird das innenführende Ende des Spiralelements desto dicker werden, je größer der Parameter β wird, wodurch eine größere Festigkeit dieses Teils erzielt wird. Eine im innenführenden Ende des Spiralelements erzeugte Belastung (vgl. Pfeil in Fig. 4 (A)) wird dann selbstverständlich kleiner, wie in Fig. 2 gezeigt ist.

Falls β 1^5° oder größer ist und unter önr Berücksichtigung, daß die im innenführ^nden Ende erzeugte Belastung deutlich kleiner als in Fig. 2 gezeigt gemacht werden kann, ist einsichtig, daß das Risiko eines Bruchs des Spiralendes, wie er beim herkömmlichen Aufbau unter Hochleistungsbedingtmgen auftreten kann, beseitigt ist.

Fig. 3 ist eine detaillierte Darstellung dos Profils ^r5

Spiralelements mit dem Parameter β = 135°.

Ein stationäres Spiralelement 700 weist eine radiale Innenkurve 702 und eine radiale Außenkurve 701 auf, sowie die Übergangskurve 703. Die Beziehungen der Lagen der Punkte A, A', E, B, F und C sind identisch mit denen in der Ausführungsform, die oben beschrieben wurde, und diese geometrische Beziehung gilt ebenso in dem komplementären Spiralelement.

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BAD ORIGINAL

Wenn β ' "größer als 135° ist, was dem Prinzip der Erfindung entspricht, ist es vorteilhaft, daß die Festigkeit des innenführenden Endes des Spiralelements, das ja der Schwachpunkt der ganzen Elementkonstruktion ist, für den praktischen Gebrauch in ausreichendem Maße steigt. Damit ist es in der Praxis nunmachbar, ein Spiralelement mit angemessen größerer Höhe in din Maschine einzubauen, ohne dabei den Gesamtaußendurchmesser des Spiralelements zu erhöhen, so daß insgesamt eine wesentliche Erhöhung des Verdrängerleistung der Maschine möglich ist.

Im Rahmen dieser vorteilhaften Konstruktion des Spiralelements nach der Erfindung können in der Praxis viole Modifikationen und Abänderungen vorgesehen wurden. Einige werden hier aufgeführt:

1) Wie in Fig. 3 gestrichelt darrestellt ist, kann auch eine alternative radiale Innenkurve 704 in dem gekrümmten Abschnitt E-G mit einem kleinen

Versatz ^C radial nach außen zu der Innenkurve 7Oi? vorgesehen sein. Hierbei ißt der Punkt G willkürlich auf der Kurve 703 zwischen den Punkten D und B liegend gewählt, wobei in der Zeichnung aus Dar-Stellungsgründen der Versatz Λ C übertrieben groß

dargestellt ist, in der Praxis aber beliebig klein sein kann.

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4S

- ys -

2) Anstelle des Versatzes Δ C der Innenkurve kann natürlich ein alternativer Versatz A C der Verbindungskurve 703 oder sowohl dieser als auch der radialen Außenkurve 701 vorgesehen sein. Dabei kann ' die Auslaßöffnung in Lage gehalten werden.

3) Eine weitere alternative Gestaltung sieht vor, daß ein Spiralelement so wie in Fig. 1 ausgestaltet ist, das komplementäre Element aber mit einem gekrümmten Versatz ΔC versehen ist, der in Kombination der

-.„ Profile der Innen- und Verbindungskurve oder mit; der Außenkurve wie unter (l) und (2) angegeben ausgebildet ist.

4) Weiterhin können beide flpimlelemente mit einem kleinen Versatz ausgebildet werden, um ein Spiel zwischen Teilen der Verbindungs- und Innenkurve oder der Außenkurve zu bilden.

In allen Fällen der Gestaltung von Elementprofilen ist zwischen ihnen nur ein kleiner Zwischenraum^C begrenzt, der wirksam den vorteilhaften Effekt nach d«?r ^npaninclum Patentanmeldung 206, 088/1982 erzielen kann, was in einer Erhöhung des Wirkungsgrades der Maschine resultiert.

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BAD ORIGINAL

Zusammenfassend wird darauf hingewiesen, daß die Erfindung auf alle Maschinen, die Schnecken- oder Spiralelemente beinhalten, also beispielsweise auf Flüssigkeitskompressoren, Pumpen, Flussigkeitsexrvrndetu.dgl. angewandt werden kann.

V/ährend vorstehend bevorzugte Ausführungsformen der Flrfindunr vollständig beschrieben wurden, int die Erfindung nicht auf Details dieser besonderen Kons irukU.on der Ausfuhrungsbeispiele beschränkt, sondern en sind viele Änderungen daran möglich, ohne vom Krfindun;¹,.'?- gedanken abzuweichen.

- 15 Zusammenfassung

BAD

Claims

MITSUBISHI JUKOGYO KABUSHIKI KAISHA of 5-1, Marunouchi 2-chome, Chiyoda-ku Tokyo 107 / Japan

Rotationsmaschine für l-lüssigkeiten

Patentanspruch :

Rotationsmaschine für Flüssigkeiten mit zwei Spiralelementen, von denen eines stationär, das andere bewegbar angeordnet ist, die beide praktisch identisch konfugiert und beide um 180° gegeneinander versetzt ineinander verschaltet angeordnet sind, wobei das bewegbare Spiralelement mit einer Wälzbewegung mit einem Bewegun£sradius ο in bezug auf das stationäre Spiralelement bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß beide Spirnlelemente im Profil einander entsprechend miL einem radialen Außenkurvenabschnltt (601, 701), bestehend aus einer Evolentenkurve, mit einem radialen Innenkurvenabschnitt. (602, 702), bestehend aus einer Evolventenkurve in einem

TELEFAX TELETEX: TELHGRAMM TELEFON BANKKONTO- POSTSCHECKKONTO 030/891 78 50 TELEX: INVENTION 030/891 60 37 BERLINER BANK AQ. P. MEISSNER. BLN-W

Bogen mit einem Radius R, und mit einem Bogen 703 mit einem Radius r, der den Außenkurvenabschnitt (601, 701) und den Bogen mit Radius R stetig verbinde!, ausgebildet sind, wobei die Ausgestaltung des Profils den geometrischen Bedingungen gemäß den folgenden Gleichungen gehorcht:

R = b rs •+ bß + d bß)² r b ß + d b ß)
• d ²<f ₊

wobei β έ 1⁷>5° und b der Radius eines genannter Evolventen ist.