DE3546736C2

DE3546736C2 - Spiralkompressor

Info

Publication number: DE3546736C2
Application number: DE3546736A
Authority: DE
Inventors: Tamio Sugimoto; Yoshimitsu Fukazazwa; Kunio Yamaguchi
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1984-03-21
Filing date: 1985-03-20
Publication date: 1995-08-10
Anticipated expiration: 2005-03-21

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spiralkompressor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Der übliche Aufbau eines Spiralkompressors nach dem Stand der Technik, zum Beispiel gemäß der japanischen Offenlegungsschrift 59-224490, ist in den Fig. 2-5 dargestellt. Wie aus Fig. 2 erkennbar, ist dort ein Gehäuse 10 vorgesehen, das aus einem becherförmigen Teil 12 und einer vorderen Abdeckplatte 11 zum Schließen des becherförmigen Gehäuses 12 besteht. Dieses becherförmige Gehäuse 12 ist fest und lagerichtig mittels passender Schrauben 17, die durch Schraubenlöcher 123 in der offenen Umfangskante der vorderen Abdeckplatte 11 gehen, mit dieser verbunden. Eine zylindrische und mit Flanschen versehene Hülse 15 ist nach vorne weisend an der vorderen Abdeckplatte 11 befestigt. Eine Antriebswelle 14 ist durch Kugellager 13, 16 in der Hauptachse der Hülse 15 und der vorderen Abdeckplatte 11 drehbar gelagert.

In dem Gehäuse 10 sind ein feststehendes Spiralelement 20, ein umlaufendes Spiralelement 21 und ein Antriebs- und Drehblockierungsmechanismus 22 für das umlaufende Spiralelement 21 erkennbar, der später detailliert beschrieben wird. Weiterhin ist ersichtlich, daß das feststehende Spiralelement 20 aus einem seitlichen Scheibenteil 201, einer Spiralwand 202 und aus Schenkeln 203 besteht, die von der Fläche des Scheibenteils 201 hervorstehend ausgeformt sind. Das feststehende Spiralelement 20 ist lagerichtig im becherförmigen Gehäuse 12 mit Schrauben befestigt. Das Gehäuseinnere ist aufgeteilt in eine Ansaugkammer 25 und eine Auslaßkammer 26, und zwar durch die O-Ringe 30, die den Spalt zwischen der äußeren Umfangsfläche des seitlichen Scheibenteils 201 und der innere Umfangsfläche des becherförmigen Gehäuses 12 sicher abdichten. Eine Durchgangsöffnung 31 ist zwischen den beiden Spiralelementen 20, 21 vorgesehen, die bis in die Auslaßkammer 26 führt.

Das umlaufende Spiralelement 21 besteht auch aus einem seitlichen Scheibenteil 211 und einer Spiralwand 212, welche vom Scheibenteil abstehend ausgebildet ist. Das umlaufende Spiralelement 21 mit seiner Spiralwand 212 ist so angeordnet, daß es mit der Spiralwand 202 des feststehenden Spiralelements 20 um 180° versetzt ineinandergreifend im Eingriff steht, wenn es lagerichtig ins Gehäuse 10 eingebracht wird. In dieser Stellung wird ein abgeschlossener Raum 23 zwischen einigen Berührungspunkten beider Spiralelemente 202 und 212 festgelegt. Zum Zeitpunkt der schließenden Bewegung des umlaufenden Spiralelements 21, d. h. wenn die Spiralwände 202, 212 mit ihren Flanken in Kontakt kommen, berühren sie sich an Punkten (A, B, C, D), wie aus Fig. 5 ersichtlich. Um die richtige Lagebeziehung beider Spiralelemente sicherzustellen, sind Positionierungslöcher 208, 218 im feststehenden Spiralelement 20 bzw. im umlaufenden Spiralelement 21 an einem Punkt auf der Y-Achse vorgesehen, welche durch den Mittelpunkt (Os) der Umlaufbewegung des umlaufenden Spiralelements 21 geht, (d. h. durch die Achse der Antriebswelle 14 oder den Mittelpunkt des feststehenden Spiralelements 20) und im rechten Winkel einen Geradenabschnitt schneidet, der die Berührungspunkte A und B oder die Punkte C und D verbindet. Außerdem sind in Abschnitten der Positionierungslöcher 208 Gewinde 209 vorgesehen, sowie eine Durchgangsöffnung 122 im Boden 121 des Gehäuses 12 auf derselben Achse wie die der Positionierungslöcher 208.

Einen typischen Aufbau eines die Drehung blockierenden Mechanismus 22 für das umlaufende Spiralelement 21 zeigen Fig. 2 und 3. Dieser besteht aus einem ringförmigen stationären Laufring 221, der fest in die Innenfläche der vorderen Abdeckplatte 11 eingebettet ist, einem stationären Ring 222, der dem Laufring 221 gegenüberliegend angeordnet ist und an der Innenfläche der Abdeckplatte 11 anliegt, einem ringförmigen stationären Laufring 214, der fest in die Außenseite des seitlichen Scheibenteils 211 des Spiralelementes 21 eingebettet ist, einem bewegbaren Ring 215, der dem Laufring 214 gegenüberliegend angeordnet ist und an der Außenseite des seitlichen Scheibenteils 211 anliegt und einer Anzahl von Kugeln 224 in einer entsprechenden Anzahl von Löchern 215a, 222a, die in axialer Richtung durch den stationären Ring 222 und den bewegbaren Ring 215a hindurchgehen. Wenn sich das umlaufende Spiralelement 21 mit einer Umlaufbewegung in Uhrzeigerrichtung, wie in Fig. 3 dargestellt, bewegt, wird sich folglich der bewegbare Ring 215 in ähnlicher Weise bewegen, wobei der Bewegungsmittelpunkt auf einem Kreis mit dem Radius Ror läuft. Währenddessen wird ein Drehmoment im Uhrzeigersinn auf das umlaufende Spiralelement 21, wie aus der Fig. 5 ersichtlich, erzeugt, und zwar entsprechend der momentanen Abweichung der Reaktionsbewegung in den Arbeitspunkten und des Antreibbestrebens des in dem Raum 23 zu komprimierenden Gases. Unter diesen Betriebsbedingungen tritt der Effekt auf, daß das umlaufende Spiralelement 21 im Uhrzeigersinn um den Mittelpunkt des bewegbaren Ringes 215 gedreht wird.

Da jedoch, wie in Fig. 3 dargestellt, neun Kugeln zwischen den Kanten der Löcher 222a im stationären Ring 222 und den Kanten der Löcher 215a im bewegbaren Ring 215 eingeklemmt sind, kann sich dieser nicht drehen. Infolgedessen kann somit das umlaufende Spiralelement am Drehen gehindert werden.

In der dargestellten Lage befindet sich das Bewegungszentrum des bewegbaren Ringes 215 am äußerst rechten Bewegungspunkt und die momentane Verteilung der die Drehbewegung verhindernden Effekte ist durch die Pfeile f_c1 bis f_c5 angedeutet. In dieser Stellung würde also die Kugel 224 am höchsten Punkt den größtmöglichen Beitrag zum die Drehbewegung verhindernden Effekt leisten, wobei sich dieser dann abschwächt, wenn sie diesen höchsten Punkt verläßt bzw. die neun Kugelelemente 224 in der unteren Hälfte keinen wesentlichen Beitrag zu diesem Effekt beitragen. In der Zwischenzeit wird der momentane Druck, der auf das umlaufende Spiralelement 21 in dessen Axialrichtung von den Reaktionskräften der momentanen Kompressionskraft appliziert wurde, wirksam am stationären Laufring 214 und am stationären Laufring 221 durch alle Kugeln 224 hindurch gehalten.

Was den Antriebsteil des Spiralelementes 21 betrifft, so weist die Antriebswelle 14 in ihrem inneren Ende ein Teil mit größerem Durchmesser auf, welches in den Kugellagern 13 lagert. Ferner ist ein Antriebsbolzen (nicht dargestellt) vorgesehen, der in Axialrichtung außermittig aus dem Teil der Welle 14 mit größerem Durchmesser herausragt. Eine scheiben- oder stutzenförmige Muffe 27 erheblicher Dicke ist mittels eines Nadellagers 28 in einem ringförmigen Gesenk im seitlichen Scheibenteil 211 des umlaufenden Spiralelements 21 drehbar gelagert. Die Muffe 27 ist mit einem scheibenförmigen Ausgleichsgewicht 271 ausgestattet, das sich als integraler Bestandteil in radialer Richtung von ihr erstreckt und eine axiale Ausnehmung außermittig vom Mittelpunkt Oc der Muffe 27 aufweist. In dieser Ausnehmung ist der bereits erwähnte Antriebsbolzen eingepaßt.

Mit diesem Aufbau wird erreicht, daß das in den Raum 23 aufgenommene Gas bei der Umlaufbewegung des umlaufenden Spiralelements 21 dann im Auslaßkanal 31 komprimiert zur Verfügung steht. Während des Betriebes wird eine Reaktionskraft von der Kompression auf das Spiralelement 21 in tangentialer Richtung vom Ort der kreisförmigen Bewegung durch die Spiralwand 212 ausgeübt. Diese Kraft hat am Ende eine Wirkung auf den Mittelpunkt Oc der Muffe 27, wie durch Pfeil Fd in Fig. 4 angedeutet. Wenn ein Winkel Θ zwischen dem Abschnitt in Richtung der Kraft Fd und einem Abschnitt durch den Mittelpunkt Oc der Muffe 27 und dem Mittelpunkt des Antriebsbolzen gegeben ist, kann das Moment ausgedrückt werden als = Fd · ε₂ · sin Θ. Dies bedeutet, daß das umlaufende Spiralelement 21, das auf der Muffe 27 in operativem Eingriff mit ihr steht, einem Drehmoment um den Mittelpunkt Od des Antriebsbolzens ausgesetzt ist. Entsprechend wird nun die Spiralwand 212 gegen die Spiralwand 202 mit der Kraft F_p gedrückt.

Dann gilt:

F_p · ε₂ · cos Θ = Fd · ε₂ · sin Θ, d. h.

F_p = Fd · tan Θ.

Wenn die Muffe 27 mit der exzentrischen Öffnung und das umlaufende Spiralelement 21 angetrieben werden, resultiert daraus also automatisch eine Kraft an den Kontaktstellen der beiden Spiralwände 212 und 202 aus der Reaktionswirkung des komprimierten Gases, wodurch die Abdichtwirkung des eingeschlossenen Raumes 23 entsprechend sichergestellt wird.

Zudem wird, wie oben erwähnt, erreicht, daß der Mittelpunkt Oc der Muffe 27 drehbar um den Mittelpunkt Od des Antriebsbolzens ist. In diesem Zusammenhang muß erwähnt werden, daß, falls die Dicke der Spiralwände 202 und 212 variiert, beispielsweise aufgrund einer falschen Dimensionierung, der Abstand zwischen den Mittelpunkten Oc und Od entsprechend justiert werden kann. Der Mittelpunkt Oc kann sich verschieben (Fig. 4) zu den Punkten Oc′ oder Oc′′ beispielsweise, und zwar entlang eines Bogens mit dem Radius ε₂ vom Mittelpunkt Od. Deshalb ist es vorteilhaft, daß sich das umlaufende Spiralelement 21 ruckfrei bewegen kann, selbst bei fehlerhafter Dimensionierung.

Beim Zusammenbau eines oben beschriebenen Kompressors werden das becherförmige Gehäuse 12 und die vordere Abdeckplatte 11 zunächst zusammengesetzt, wozu Schrauben 17 in die Schraubenlöcher 113, 123 geschraubt werden. Im nächsten Schritt werden die Positionierungslöcher 208 und 218 im feststehenden Spiralelement 20 bzw. im umlaufenden Spiralelement 21 miteinander fluchtend ausgerichtet. Danach wird ein Fluchtstab 18 von einer Durchgangsöffnung 122 im Boden 121 des becherförmigen Gehäuses 12 aus in die Positionierungslöcher 208, 218 geführt. Danach hat das Spiralelement 21 noch einen gewissen Freiheitsgrad für das Spiel innerhalb eines vorgegebenen Winkelbereichs um den Fluchtstab 18 herum. Es kann sich in einem vorgegebenen Spielbereich der Muffe 27 bewegen und erfordert so eine Bewegung der Löcher 215a im bewegbaren Ring 215 innerhalb eines gewissen Winkelbereichs, der mit dem auf einen Teil der Muffe 27 zugelassenen Bereich der Winkelbewegung identisch ist. Der die Rotation des umlaufenden Spiralelements 21 hemmende Mechanismus 22 ist in enger Wirkverbindung mit den Kanten der Löcher 215a und 222a im bewegbaren Ring 215 bzw. stationären Ring 222.

Diese Wirkverbindung stellt eine richtige Winkellage beider ineinandergreifender Spiralelemente 20, 21 zueinander sicher. Dafür muß die den stationären Ring 222 haltende vordere Abdeckplatte 11 mit einer Drehbewegung im entgegengesetzten Drehsinn der Welle 14 verlagert werden, so daß die Kugeln 224 von den Kanten der Löcher 222a des stationären Ringes 222 und der Löcher 215a des bewegbaren Ringes 215 eingeklemmt werden. Wesentlich dabei ist noch, daß der Innendurchmesser der Schraubenlöcher 113 in der Abdeckplatte 11 größer ist als der Außendurchmesser der Schrauben 17. Mit der beschriebenen Anordnung ist es in der Praxis möglich, die Abdeckplatte drehend in entgegengesetzter Richtung wie der Drehsinn der Welle 14 zu verschieben, ohne dabei die Schrauben 17 aus den Schraublöchern 123 entfernen zu müssen. Indem die Schrauben 17 anschließend festgezogen werden, sind die Abdeckplatte 11 und das Gehäuseteil 12 fest miteinander verbunden, so daß beide Spiralelemente 20, 21 ineinandergreifend im Eingriff stehen. Nach dem Festziehen der Schrauben 17 sind also das becherförmige Gehäuseteil 12 und die Abdeckplatte 11 kraftschlüssig miteinander verbunden, wonach der Fluchtstab 18 aus der Durchgangsöffnung 122 gezogen wird. Im Anschluß daran wird eine Schraube in das Gehäuse 209 des Positionierungsloches 208 im feststehenden Spiralelement 20 durch die Öffnung 122 gesetzt, so daß beide Positionierungslöcher 208, 218 und die Öffnung 122 miteinander fluchtend gesichert sind.

Zusammenfassend wird nochmals der bisherige Ablauf des Zusammenbaus wie oben beschreiben, erläutert:

1) Zusammensetzen des becherförmigen Gehäuseteils 12 und der vorderen Abdeckplatte 11 durch Einsetzen der Schrauben 17 in die Schraublöcher 113 und 123.
2) Ausrichten der Positionierungslöcher 208, 218 im feststehenden Spiralelement 20 bzw. im umlaufenden Spiralelement 21 und Einsetzen des Fluchtstabes 18 in diese Löcher.
3) Verdrehen der vorderen Abdeckplatte 11 in entgegengesetztem Sinn wie der Drehsinn der Welle 14 bis zum Anschlag.
4) Festziehen der Schrauben 17, so daß Gehäuse 12 und Abdeckplatte 11 fest miteinander verbunden sind.
5) Entfernen des Fluchtstabes 18 und Einsetzen und Festziehen einer Schraube, so daß die Positionierungslöcher 208, 218 mit der Öffnung 122 im Gehäuseteil fluchtend ausgerichtet sind.

Dieser Ablauf weist jedoch den folgenden Nachteil auf:
Wenn beide Spiralelemente 20, 21 wie oben beschrieben mit einer Winkellage zueinander ineinandergesetzt werden, kommen die Spiralwände 202, 212 der beiden Spiralelemente 20, 21 miteinander mit ihrer anfänglichen Reibung in Berührung und legen somit einen momentanen Bewegungsradius im kreisförmigen geometrischen Ort des umlaufenden Spiralelementes 21 fest. Wenn sich dieser Radius vergrößert, selbst wenn der Antriebsmechanismus des Spiralelementes 21 dieser Änderung folgt, ist es unvermeidlich, daß eine erhebliche Abweichung in der örtlichen Beziehung des Spiralelementes 21 um seinen Antriebswellenmittelpunkt zum feststehenden Spiralelement 20 bleibt. Infolgedessen würde eine beträchtliche Lücke zwischen den gegenüberliegenden Flanken beider Spiralwände 202, 212 zurückbleiben, die sich in erheblichen Leckverlusten äußerst und damit schließliche Probleme mit Leistungsverlusten des Kompressors verursacht.

In der nachveröffentlichten EP 0 122 068 A1 ist ein Spiralkompressor der gleichen Bauart beschrieben. Bei dessen Montage werden die Frontplatte des Gehäuses und die Antriebswelle für das umlaufende Spiralelement so weit verdreht, bis sich ein bestimmtes Drehmoment einstellt. Es wird jedoch hier kein qualitativer Zusammenhang zwischen diesem Drehmoment und einer Verringerung des Verschleißes an den Reibungsstellen der Spiralelemente angegeben.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Spiralkompressor zu schaffen, bei dem die Lücke zwischen den gegenüberliegenden Flanken der aneinanderliegenden Spiralwände der Spiralelemente aufgrund eines während des Einfahrbetriebes der Maschine erzeugten Anfangsverschleißes kompensiert wird, so daß Leckverluste weitestgehend vermieden werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs.

Gemäß der Erfindung verbleibt keine merkliche Lücke zwischen den gegenüberliegenden Flanken der Spiralwände des umlaufenden und feststehenden Spiralelementes, wenn diese ineinandergreifend eingebaut sind und die eingestellte Abweichung in der gegenseitigen Winkellage zwischen ihnen aufgrund eines Anfangsverschleißes der Flanken dieser Elemente in der Einlaufphase der Maschine kompensiert ist. Infolgedessen wird das Gas wirksam daran gehindert, aus dem Kompressionsvolumen auszutreten, wodurch die Effektivität und Leistungsfähigkeit dauerhaft gesteigert wird.

Die Erfindung soll nun anhand der Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform der Erfindung in einer ähnlichen Vorderansicht wie in Fig. 5,

Fig. 2-5 bekannte Konstruktionen eines Spiralkompressors, davon

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Kompressor im zusammengesetzten, aber noch nicht fertig montierten Zustand,

Fig. 3 eine Vorderansicht des eine Rotation hemmenden Mechanismus von der Seite des umlaufenden Spiralelements aus betrachtet,

Fig. 4 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Schubs auf das umlaufende Spiralelement und

Fig. 5 eine schematische Ansicht der relativen Lagen der Spiralwände des umlaufenden und feststehenden Spiralelements und der Positionierungslöcher für die Montage.

Die Erfindung soll anhand der Fig. 1 erläutert werden. Gleiche Teile wie in Fig. 5 sind in Fig. 1 mit denselben Bezugszeichen versehen. In Fig. 1 ist der Zustand dargestellt, in dem beide Spiralelemente 20 und 21 ineinandergreifend sich an mehreren Punkten berühren. Im Moment der schließenden Bewegung des umlaufenden Spiralelements 21, oder mit anderen Worten, wenn die Spiralwände 202 und 212 mit ihren Flanken in Berührung kommen, berühren sie sich an vier Punkten A, B, C und D. Es sind Positionierungslöcher 208a und 218 im feststehenden Spiralelement 20 bzw. umlaufenden Spiralelement 21 dergestalt vorgesehen, daß unter der Annahme eines Anfangsverschleißes a [µm] in den Flanken der Spiralwände 202 und 212 und eines Radius b [mm] des Evoluentengrundkreises in jeder Flanke dieser Spiralwände einem Winkelversatz des Positionierungsloches 208a zum entsprechenden Positionierungsloch 218 im umlaufenden Spiralelement 21 von ε [rad] in Drehrichtung der Antriebswelle 14 besteht, wie aus der Gleichung ε = 1/1000 · a/b folgt, wenn gilt a=10 bis 40 µm, b=5 mm, dann ist ε=0.1 bis 0.5 Grad. Mit diesem Winkelversatz des Positionierungsloches 208a um ε [rad] vom Positionierungsloch 218 im umlaufenden Spiralelement 21 in Drehrichtung der Antriebswelle 14 und durch Einführen des Fluchtstabes 18 in diese Löcher im ausgerichteten Zustand ist es in der Praxis möglich, das feststehende Spiralelement 20 und das umlaufende Spiralelement 21 mit richtiger Winkellage zueinander einzubauen und justierend in Drehrichtung des Spiralelementes 21 zu verdrehen.

Claims

Spiralkompressor mit einem feststehenden und einem in dieses eingreifenden umlaufenden Spiralelement (20, 21), welches evolventenförmige Spiralwände (202, 212) aufweisen und die in einem becherförmigen Gehäuse (12) angeordnet sind, mit einer das Gehäuse verschließenden Abdeckplatte (11), in der eine mit dem umlaufenden Spiralelement (21) verbundene Antriebswelle (14) gelagert ist, wobei zwischen dem umlaufenden Spiralelement (21) und der Abdeckplatte (11) eine die Eigenrotation verhindernde Kupplung (22) vorgesehen ist und wobei das becherförmige Gehäuse (12) und die Abdeckplatte (11) nach dem Einstellen der Winkellage des umlaufenden Spiralelements (21) gegenüber dem feststehenden Spiralelement (20) fest miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß in beiden Spiralelementen (20, 21) Positionierungslöcher (208, 218) vorgesehen sind, die beim Zusammenbau der Abdeckplatte (11) und des becherförmigen Gehäuses (12) fluchtend ausgerichtet sind und durch einen hindurchgesteckten Stab (18) in dieser Position gesichert werden, wobei zum Einstellen einer einen Anfangsverschleiß berücksichtigenden Winkelbeziehung zwischen dem umlaufenden und dem feststehenden Spiralelement (21, 20) das Positionierungsloch (218) des umlaufenden Spiralelements (21) so angebracht ist, daß sich nach dem fluchtenden Ausrichten der Spiralelemente (20, 21) zueinander eine Verdrehung des umlaufenden Spiralelements (21) um eine Winkel ε [rad] = 1/1000 · a/bin Bewegungsrichtung ergibt, worin a [µm] den Anfangsverschleiß an den Spiralwänden (202, 212) der Spiralelemente (20, 21) und b [mm] einen Radius eines Grundkreises der Evolenten der Spiralwände (202, 212) bezeichnen.