DE3632635A1 - Drehkolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehkolben- bzw. Schrauben­ maschine, insbesondere einen Drehkolbenverdichter mit einem Hauptradiallager für die Verdichterantriebswelle, wobei das Lager um kleine Winkel verschwenkbar ist.

Bei einem konventionellen Drehkolbenverdichter ist das Oberende der Antriebswelle normalerweise in einem Haupt­ radiallager gelagert, das in einem ortsfesten Hauptlager­ gehäuse starr montiert ist. Bei vom Normalbetrieb abwei­ chendem Betrieb, z. B. beim Anfahren, kann die Belastung des Verdichters stark unterschiedlich sein, und diese ver­ änderliche Belastung kann dazu führen, daß sich das Ober­ ende der Antriebswelle relativ zur Verdichterlängsachse neigt. Da das Hauptradiallager ortsfest ist und sich nicht zusammen mit der Antriebswelle neigen kann, wird durch dieses Neigen der Antriebswelle das Hauptradiallager mit einer nachteiligen Kantenbelastung beaufschlagt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Drehkolbenmaschine, bei der eine Kantenbelastung des Hauptradiallagers der Antriebswelle vollständig vermieden wird.

Die Drehkolbenmaschine gemäß der Erfindung weist ein Haupt­ radiallager auf, dessen Konstruktion ein Verschwenken mit zwei Freiheitsgraden ermöglicht. Es sind Mittel vorgesehen, um das Hauptradiallager derart schwenkbar abzustützen, daß bei einem Neigen des Oberendes der Antriebswelle infolge von Lastschwankungen das Hauptradiallager sich zusammen mit der Antriebswelle neigen kann. Dadurch bleibt die Lager­ fläche des Hauptradiallagers parallel zur Antriebswelle, und eine Kantenbelastung des Hauptradiallagers wird voll­ ständig vermieden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Drehkolbenmaschine ein Verdichter, und das Hauptradiallager besteht aus drei oder mehr bogenförmigen Segmenten, die das Oberende der Verdichterantriebswelle umgehen und aufnehmen. Die Mittel zur schwenkbaren Abstützung des Hauptradial­ lagers, so daß sich dieses neigen bzw. verschwenken kann, bestehen aus kugelförmigen Höckern, die an der Außenfläche jedes Segments geformt sind und die Innenfläche eines orts­ festen Hauptlagergehäuses kontaktieren, sowie aus mehreren rotationshemmenden Stiften, die an den Außenflächen der Segmente ausgebildet sind und mit Spiel in Nuten sitzen, die in der Innenfläche des Hauptlagergehäuses ausgebildet sind. Die Segmente sind mit zwei Freiheitsgraden um die Kontaktstellen zwischen den Höckern und der Innenfläche des Hauptlagergehäuses verschwenkbar.

Die Drehkolbenmaschine nach der Erfindung, mit einem orts­ festen Drehkolben, einem damit in Eingriff bringbaren beweglichen Drehkolben, einem ortsfesten Hauptlagergehäuse mit einer mittigen Öffnung, in der eine Antriebswelle dreh­ bar gelagert ist, einem Hauptradiallager, das in der Öff­ nung im Hauptlagergehäuse angeordnet ist und die Antriebs­ welle drehbar haltert, und Mitteln zum antriebsmäßigen Kop­ peln der Antriebswelle mit dem beweglichen Drehkolben der­ art, daß dieser bei rotierender Antriebswelle um die Mitte des ortsfesten Drehkolbens umläuft, ohne sich um die eigene Achse zu drehen, ist gekennzeichnet durch Mittel zur schwenkbaren Abstützung des Hauptradiallagers derart, daß bei einer Kippbewegung der Antriebswelle die Lagerfläche parallel zur Außenfläche der Antriebswelle bleibt.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer Drehkolbenmaschine gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine größere Querschnittsansicht des oberen Teils der Ausführungsform von Fig. 1;

Fig. 3 eine Draufsicht auf das Hauptradiallager von Fig. 2 nach Einbau in das Hauptlagergehäuse;

Fig. 4 eine Perspektivansicht eines der Segmente des Hauptradiallagers nach Fig. 3 von außen; und

Fig. 5 eine Perspektivansicht des Segments von Fig. 4 von innen.

Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Drehkolbenma­ schine ein Verdichter, sie kann aber auch als Expansions­ maschine, Pumpe oder Motor eingesetzt werden. Nach den Fig. 1 und 2 weist der Verdichter einen ortsfesten Drehkolben 1 und einen umlaufenden Drehkolben 2 auf, der von dem orts­ festen Drehkolben 1 umgeben ist und damit in Eingriff steht. Jeder Drehkolben ist konventionell geformt und hat eine scheibenförmige Grundplatte, die zu der Grundplatte des anderen Drehkolbens parallel ist, sowie eine spiral­ förmige Verzahnung bzw. ein Schraubenprofil, das an der Grundplatte ausgebildet ist und sich senkrecht davon er­ streckt. Beide Schraubenprofile sind als Kreisevolventen od. dgl. ausgebildet. Wenn die Drehkolben miteinander in Eingriff stehen, werden zwischen ihren Schraubenprofilen mehrere schraubenförmige Verdichtungsräume gebildet. Die Endfläche des Schraubenprofils jedes Drehkolbens ist durch einen kleinen Zwischenraum von der Endfläche der Grund­ platte des gegenüberliegenden Drehkolbens getrennt. Die Zwischenräume zwischen den Schraubenprofilen und den Grund­ platten sind vom elastischen Dichtungen 3 ausgefüllt, die in in den Endflächen der Schraubenprofile gebildete Nuten eingesetzt sind. Die elastischen Dichtungen 3 verhindern eine Leckage des Fördermittels in Radialrichtung aus einem Verdichtungsraum in den nächstbenachbarten Verdichtungs­ raum. In der Außenwand des ortsfesten Drehkolbens 1 ist eine radial verlaufende Ansaugöffnung 1 a ausgebildet, und in der Mitte seiner Grundplatte weist der Drehkolben 1 eine Förderöffnung 1 b auf. An dem umlaufenden Drehkolben 2 ist eine kurze Welle 2 a ausgebildet, die von der Unterseite seiner Grundplatte senkrecht nach unten verläuft.

Der ortsfeste Drehkolben 1 ist in einem Hauptlagergehäuse 4 starr gelagert. Das Hauptlagergehäuse 4 weist in seinem oberen Teil eine ringförmige Leiste, auf der der ortsfeste Drehkolben 1 sitzt, sowie eine mittige Öffnung auf, in der ein Hauptradiallager 15 abgestützt ist. Das Hauptlagerge­ häuse 4 ist wiederum von einem Hilfslagergehäuse 5 abge­ stützt. Der ortsfeste Drehkolben 1 und das Hauptlagerge­ häuse 4 sind mit mehreren Bolzen 6 an dem Hilfslagergehäuse 5 gesichert. Das Hilfslagergehäuse 5 ist an der Innenseite eines hermetisch dichten metallischen dreiteiligen Mantels 7, der den Verdichter vollständig umschließt, befestigt.

Der umlaufende Drehkolben 2 ist an einem ringförmigen obe­ ren Axiallager 8 abgestützt, das an einer am Hauptlager­ gehäuse 4 ausgebildeten Leiste mit mehreren Stiften 9 ge­ sichert ist. Das obere Axiallager 8 nimmt das Gewicht des umlaufenden Drehkolbens 2 sowie die durch den Druck, der sich in den Verdichtungsräumen der Drehkolben ausbildet, erzeugten Kräfte auf. Der umlaufende Drehkolben 2 ist mit dem Hauptlagergehäuse 4 über eine Universalkupplung (Oldham-Kupplung) verbunden, die es ermöglicht, daß der bewegliche Drehkolben 2 um die Mitte des ortsfesten Dreh­ kolbens 1 umläuft, ohne um seine eigene Achse zu rotieren. Die Universalkupplung umfaßt einen Ring 10 mit zwei an seiner Unterseite ausgebildeten diametral entgegengesetzten Leisten 10 a und zwei weiteren (nicht gezeigten) diametral entgegengesetzten Leisten auf seiner Oberseite, wobei die oberen Leisten gegenüber den unteren Leisten 10 a um 90° versetzt sind. Die unteren Leisten 10 a sind in zwei im Hauptlagergehäuse 4 ausgebildeten Schlitzen 4 b gleitend verschiebbar, während die oberen Leisten in nicht gezeigten Schlitzen in der Unterseite der Grundplatte des beweglichen Drehkolbens 2 gleitend verschiebbar sind.

Der Verdichter wird von einem Elektromotor angetrieben, der unter dem Hilfslagergehäuse 5 angeordnet ist. Der Motor hat einen Ständer 11 und einen Läufer 12, an dessen Unterende ein Gegengewicht 12 a ausgebildet ist. Der Ständer 11 ist am Hilfslagergehäuse 5 mit mehreren Bolzen 13 gesichert. Strom wird dem Motor über eine Klemme 21 zugeführt, die in den oberen Teil des Mantels 7 eintritt und über nicht gezeigte Zuleitungen elektrisch an den Motor angeschlossen ist.

Der Läufer 12 ist auf einer in Längsrichtung verlaufenden Antriebswelle 14 montiert, die durch die Mitte des Läufers geht und die Motorleistung auf den beweglichen Drehkolben 2 überträgt. Das Oberende der Antriebswelle 14 ist in dem Hauptradiallager 15 gelagert, und ihr Mittelabschnitt ist in einem Hilfsradiallager 16 gelagert, das am unteren Teil des Hilfslagergehäuses 5 gesichert ist. Nahe dem Oberende der Antriebswelle 14 ist ein Gegengewicht 14 b ausgebildet. Das Gewicht der Antriebswelle 14 ist von einem ringförmigen unteren Axiallager 17 aufgenommen, das auf dem Oberende des Hilfslagergehäuses 5 montiert ist. Im oberen Ende der An­ triebswelle 14 ist eine exzentrische Öffnung 14 a ausgebil­ det, in die eine Exzenterbuchse 18 eingesetzt ist. Die Exzenterbuchse 18 sitzt mit Spiel in der exzentrischen Öff­ nung 14 a, so daß sie darin drehbar ist. Die Rotation der Exzenterbuchse 18 ist durch eine nicht gezeigte rotations­ begrenzende Vorrichtung, z. B. einen Zapfen, begrenzt, der an der Antriebswelle 14 befestigt ist und mit Spiel in einem in der Exzenterbuchse 18 ausgebildeten geeigneten Loch sitzt. Die Welle 2 a des beweglichen Drehkolbens 2 paßt mit Spiel in die Exzenterbuchse 18. Wenn der bewegliche Drehkolben 2 um den ortsfesten Drehkolben 1 umläuft, wird er mit Fliehkräften beaufschlagt, und diese beaufschlagen die Exzenterbuchse 18 mit einem Moment. Dieses Moment läßt die Exzenterbuchse 18 in der exzentrischen Öffnung 14 a der Antriebswelle 14 zwangsläufig umlaufen, bis das Schrauben­ profil des beweglichen Drehkolbens 2 das Schraubenprofil des ortsfesten Drehkolbens 1 eng kontaktiert. Infolgedessen werden die beiden Schraubenprofile ständig gegeneinander gedrückt, und Leckagen in Umfangsrichtung des Verdichters werden dadurch vermieden.

Fördermittel wird in den Verdichter durch eine Ansauglei­ tung 19 eingeleitet, die an dem Mantel 7 befestigt ist und sich zu dessen Innenseite öffnet. Nachdem das Fördermittel nicht gezeigte Kanäle im Hilfslagergehäuse 5 durchströmt hat, tritt es in die Ansaugöffnung 1 a des ortsfesten Dreh­ kolbens 1 ein. Das Fördermittel tritt aus dem Verdichter durch eine Austrittsleitung 20 aus, die den oberen Teil des Mantels 7 durchsetzt und mit der Austrittsöffnung 1 b in Verbindung steht.

Am unteren Ende des Mantels 7 ist eine Schaumhemmungsplatte 22 vorgesehen. Der unter dieser liegende Raum innerhalb des Mantels 7 ist mit Schmieröl gefüllt und dient als Sumpf. Das Unterende der Antriebswelle 14 taucht in diesen Sumpf ein, und eine am Unterende der Antriebswelle 14 montierte Kreiselpumpe 23 fördert Schmieröl durch mehrere in Längs­ richtung verlaufende exzentrische Ölförderkanäle 14 c, die in der Antriebswelle 14 vorgesehen sind.

Das Neue an der Drehkolbenmaschine ist der Aufbau des Hauptradiallagers 15, der ein Verschwenken ermöglicht, so daß die Lagerfläche immer parallel zur Außenfläche der An­ triebswelle 14 bleiben kann. Der Aufbau des Hauptradial­ lagers 15 ist am besten aus Fig. 3 ersichtlich, die das Lager 15 nach Montage im Hauptlagergehäuse 4 zeigt. Das Hauptradiallager umfaßt mehrere bogenförmige Segmente 150, die die Antriebswelle 14 im wesentlichen umgeben, wobei jedes Segment 150 im Querschnitt ein Kreisbogenabschnitt ist. Die Fig. 4 und 5 sind Perspektivansichten eines Seg­ ments 150 von außen bzw. von innen. Auf die Innenfläche jedes Segments 150 ist ein Belag 151 aus Lagermetall auf­ gebracht, in dem das Oberende der Antriebswelle 14 gelagert ist. Auf der Außenfläche jedes Segments 150 ist ein kugel­ förmiger Höcker 152 ausgebildet, der die Innenfläche der Öffnung in der Mitte des Hauptlagergehäuses 4 kontaktiert. Ferner sind auf der Außenfläche jedes Segments 150 zwei rotationshemmende Stifte 153 angebracht, die in Richtung zum Hauptlagergehäuse 4 nach radial außen verlaufen. In der Innenfläche des Hauptlagergehäuses 4 sind entsprechende Nuten 4 a ausgebildet, in denen die rotationshemmenden Stif­ te 153 mit Spiel sitzen. Die Nuten 4 a sind ausreichend weit, so daß sich die Segmente 150 mit zwei Freiheitsgraden um kleine Winkel verdrehen können. D. h., jedes Segment kann um eine Querachse schwenken, die durch den Berührungs­ punkt zwischen dem Höcker 152 und der Innenfläche des Hauptlagergehäuses 4 geht und zu dieser Innenfläche tan­ gential verläuft, und um eine Längsachse schwenken, die parallel zur Längsachse des Verdichters ist und durch den­ selben Kontaktpunkt geht. Die rotationshemmenden Stifte 153 hindern die Segmente 150 daran, um die Achse der Antriebs­ welle 14 zu rotieren, und auch daran, aus dem Hauptlager­ gehäuse 4 auszutreten. Die Höcker 152 und die rotations­ hemmenden Stifte 153 bilden Mittel zur verschwenkbaren Ab­ stützung des Hauptradiallagers 15 derart, daß die Lager­ flächen parallel zur Außenfläche der Antriebswelle 14 ge­ halten werden können.

Nachstehend wird die Funktionsweise dieser Ausführungsform erläutert. Wenn der Motor eingeschaltet ist, wird die An­ triebswelle 14 vom Läufer 12 des Motors angetrieben. Die Drehbewegung der Antriebswelle 14 wird auf die Welle 2 a des beweglichen Drehkolbens 2 durch die Exzenterbuchse 18 über­ tragen, und der bewegliche Drehkolben 2 läuft um die Mitte des ortsfesten Drehkolbens 1 um. Während dieser Umlaufbe­ wegung wird er von der Universalkupplung geführt und an einer Drehung um die eigene Achse gehindert.

Ein zu verdichtendes Fördermittel tritt in den Mantel 7 durch die Ansaugleitung 19 ein. Vor Eintritt in die Ansaug­ öffnung 1 a des ortsfesten Drehkolbens 1 strömt es am Motor vorbei unter Kühlung des Ständers 11 und des Läufers 12. Das Fördermittel wird in die zwischen den beiden Schrauben­ profilen gebildeten Verdichtungsräume gesaugt und durch die Rotation des beweglichen Drehkolbens 2 in bezug auf den ortsfesten Drehkolben 1 verdichtet. Während der Verdichtung strömt es auf einer schraubenförmigen Bahn zur Mitte des ortsfesten Drehkolbens 1, wo es einen Höchstdruck erreicht. Das Fördermittel verläßt die Drehkolben durch die in der Mitte des ortsfesten Drehkolbens 1 ausgebildete Austritts­ offnung 1 b und tritt aus dem Verdichter durch die Aus­ trittsleitung 20 aus. Im Normalbetrieb bleibt die Längs­ achse der Antriebswelle 14 im wesentlichen parallel zur Längsachse des Verdichters, und das Hauptradiallager 15 wirkt in gleicher Weise wie ein konventionelles Radial­ lager. Beim Anfahren und zu anderen Zeiten jedoch, in denen die Last, mit der die Antriebswelle 14 durch den bewegli­ chen Drehkolben 2 beaufschlagt wird, sich stark ändert, neigt der obere Teil der Antriebswelle 14 dazu, in bezug auf die Verdichterlängsachse zu kippen. Bei einem konven­ tionellen Drehkolbenverdichter mit ortsfestem Hauptradial­ lager würde dies zu einer Rand- bzw. Kantenbelastung des Hauptradiallagers führen; bei der vorliegenden Erfindung dagegen kann jedes Segment 150 des Hauptradiallagers 15 sich um den auf seiner Außenfläche ausgebildeten Höcker 152 verschwenken. Wenn also das obere Ende der Antriebswelle 14 eine Kippbewegung ausführt, kippen die Segmente 150 des Hauptradiallagers 15 mit, während die Innenflächen der Seg­ mente 150 parallel zur Außenfläche der Antriebswelle 14 bleiben und eine Kantenbelastung der Segmente 150 vermieden wird.

Ferner wird durch die Fähigkeit jedes Segments 150, um eine zur Längsachse des Verdichters parallele Achse zu schwen­ ken, die Tragfähigkeit des Hauptradiallagers 15 in Radial­ richtung erhöht.

Bei der gezeigten Ausführungsform weist das Hauptradial­ lager 15 vier Segmente 150 auf, die gleichen Auswirkungen können aber auch mit einer anderen Anzahl Segmente 150 erzielt werden. Es sind wenigstens drei Segmente erforder­ lich, und es ist vorteilhaft, möglichst viele Segmente zu verwenden.

Ferner sind zwar bei der erläuterten Ausführungsform auf den Außenflächen der Segmente 150 Höcker 152 ausgebildet, es können stattdessen aber kugelförmige Höcker auf der Innenfläche des Hauptlagergehäuses 4 ausgebildet sein, wobei dann die Außenfläche jedes Segments einen entspre­ chenden Höcker kontaktiert. Wenn in der Außenfläche der Segmente 150 Nuten ausgebildet sind, ist es ferner möglich, die rotationshemmenden Stifte 153 an der Innenfläche des Hauptlagergehäuses 4 anstatt an der Außenfläche der Seg­ mente 150 anzubringen.

Claims (5)

1. Drehkolbenmaschine mit einem ortsfesten Drehkolben, einem damit in Eingriff bringbaren beweglichen Drehkolben, einem ortsfesten Hauptlagergehäuse mit einer mittigen Öff­ nung, in der eine Antriebswelle drehbar gelagert ist, einem Hauptradiallager, das in der Öffnung im Hauptlagergehäuse angeordnet ist und die Antriebswelle drehbar haltert, und Mitteln zum antriebsmäßigen Koppeln der Antriebswelle mit dem beweglichen Drehkolben derart, daß dieser bei rotie­ render Antriebswelle um die Mitte des ortsfesten Drehkol­ bens umläuft, ohne sich um die eigene Achse zu drehen, gekennzeichnet durch Mittel (152, 153) zur schwenkbaren Abstützung des Haupt­ radiallagers (15) derart, daß bei einer Kippbewegung der Antriebswelle (14) die Lagerfläche parallel zur Außenfläche der Antriebswelle bleibt.

2. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Innenfläche der Öffnung des Hauptlagergehäuses (4) mehrere Nuten (4 a) ausgebildet sind;
daß das Hauptradiallager (15) wenigstens drei bogenförmige Segmente (150) umfaßt, die die Antriebswelle (14) im we­ sentlichen umgeben, wobei die Innenfläche (151) jedes Seg­ ments (150) aus Lagermetall besteht; und
daß die Mittel zur schwenkbaren Abstützung des Hauptradial­ lagers (15) aus mehreren kugelförmigen Höckern (152) glei­ cher Anzahl wie die Segmente (150) und mehreren rotations­ hemmenden Stiften (153) gleicher Anzahl wie die Nuten (4 a) bestehen, wobei jedes Segment (150) einen Höcker (152) und mehrere rotationshemmende Stifte (153) an seiner Außenfläche trägt und die Segmente (150) in der Öffnung des Hauptlagergehäuses (4) so angeordnet sind, daß die Höcker (152) die Innenfläche der Öffnung kontaktieren und jeder rotationshemmende Stift (153) mit Spiel in einer der Nuten (4 a) sitzt.

3. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptradiallager (15) wenigstens drei bogenförmige Segmente (150) umfaßt, deren Innenflächen (151) aus Lager­ metall bestehen;
daß in der Außenfläche jedes Segments mehrere Nuten ausge­ bildet sind; und
daß die Mittel zur schwenkbaren Abstützung des Hauptradial­ lagers (15) aus mehreren kugelförmigen Höckern gleicher Anzahl wie die Segmente und mehreren rotationshemmenden Stiften gleicher Anzahl wie die Nuten bestehen, wobei die Segmente und die rotationshemmenden Stifte an der In­ nenfläche der Öffnung des Hauptlagergehäuses befestigt sind und jeder Höcker die Außenfläche eines Segments kontaktiert und jeder rotationshemmende Stift mit Spiel in einer der Nuten sitzt.

4. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptradiallager aus wenigstens drei bogenförmigen Segmenten (150) besteht, die die Antriebswelle (14) im we­ sentlichen umgehen, wobei die Innenfläche (151) jedes Seg­ ments aus Lagermetall besteht;
daß in der Außenfläche jedes Segments mehrere Nuten ausge­ bildet sind; und
daß die Mittel zur schwenkbaren Abstützung des Hauptradial­ lagers (15) aus mehreren kugelförmigen Höckern gleicher Anzahl wie die Segmente und mehreren rotationshemmenden Stiften gleicher Anzahl wie die Nuten bestehen, wobei je­ weils ein Höcker an der Außenseite eines Segments ange­ bracht ist und die rotationshemmenden Stifte an der Innenfläche der Öffnung des Hauptlagergehäuses (4) ange­ bracht und die Segmente in der Öffnung so angeordnet sind, daß die Höcker die Innenfläche der Öffnung kontaktieren und jeder rotationshemmende Stift mit Spiel in einer der Nuten sitzt.

5. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Innenfläche der Öffnung des Hauptlagergehäuses (4) mehrere Nuten (4 a) ausgebildet sind;
daß das Hauptradiallager (15) aus wenigstens drei bogen­ förmigen Segmenten (150) besteht, die die Antriebswelle (14) im wesentlichen umgeben, wobei die Innenfläche (151) jedes Segments aus Lagermetall besteht; und
daß die Mittel zur schwenkbaren Abstützung des Hauptradial­ lagers (15) aus mehreren kugelförmigen Höckern gleicher Anzahl wie die Segmente und mehreren rotationshemmenden Stiften gleicher Anzahl wie die Nuten bestehen, wobei die Höcker an der Innenfläche der Öffnung angebracht sind und jeder Höcker die Außenfläche eines Segments kontaktiert und jedes Segment an seiner Außenfläche mehrere rotationshem­ mende Stifte trägt, die jeweils mit Spiel in einer der Nuten sitzen.