DE4305289C2 - Schraubenverdichter - Google Patents
SchraubenverdichterInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Schraubenverdichter mit einer Lagerung,
bestehend aus einem
Zylinderrollenlager zur Aufnahme der radialen Kräfte und einem
Paar von Schrägkugellagern zur Aufnahme der axialen Kräfte,
wobei die Lager in einem Gehäuse oder dergleichen angeordnet
sind.
Es sind bereits Lagerungen für Kompressoren bekannt, die mit
extrem hohen Drehzahlen laufen. Diese bekannten Anordnungen
bestehen aus zwei einreihigen Schrägkugellagern, die in X- oder
O-Anordnung angeordnet sind, wobei jedes Lager den gleichen
Kontaktwinkel aufweist. Derartige Lagerungen werden
beispielsweise in den US-Patentschriften Nr. 4 227 755 und
5 009 583 beschrieben. Bei diesen bekannten Anordnungen liegen
die Berührungswinkel der gepaarten Schrägkugellager zwischen
30° bis 40°. Das eine Lager nimmt die axiale Belastung auf, die
bei ständigem Lauf des Kompressors nur in einer Richtung wirkt
und das andere Lager wird dazu verwendet, das Rotorspiel
einzuhalten. Beide Lager sind mit dem gleichen Berührungswinkel
ausgeführt, um die axiale Belastung des Rotors während des
Betriebs des Kompressors besser aufnehmen zu können. Man war
früher der Meinung, daß, wenn man beide Lager mit dem gleichen
großen Kontaktwinkel versieht, die Axialkraftaufnahmefähigkeit des
Lagersystems nicht beeinflußt würde. Jedoch die bekannten
Systeme zeigten eher schlechte Lebensdauerstatistiken, weil bei
extrem hohen Drehzahlen eine erhöhte, aus Fliehkräften
resultierende axiale Kraft auf die Kugeln wirkt. Dies bedeutet,
daß bei den bekannten Lagersystemen das die Belastung
aufnehmende Lager eine axiale Kraft aufnehmen muß, die größer
ist als der vom Rotor erzeugte Gasdruck. Es wurde festgestellt,
daß die Lebensdauer von Lagern, besonders bei Trockenluft-
Kompressoren, im Hinblick auf die hohe Belastung und extrem
hohen Drehzahlen, begrenzt ist. Verschiedene Versuche wurden
durchgeführt, um die Lebensdauer von Lagern bei diesen
Anwendungen zu erhöhen, z. B. durch das Vorsehen eines groben
axialen Spiels im Lager, wie z. B. in der Fig. 4 dargestellt
ist. Diese bekannten Ausführungen arbeiten jedoch nicht
zufriedenstellend, weil ein grobes axiales Spiel eine negative
Auswirkung auf den Wirkungsgrad des Kompressors hat.
Andererseits wirkt sich die Ausbildung eines groben axialen
Spiels nachteilig auf die Anordnung der Rotoren relativ
zueinander und im Kompressorgehäuse aus, was wiederum nachteilig
auf die Kompressorleistung wirkt. Durch diese größeren Spiele
gelangt ferner Gas aus der Hochdruckkammer oder dem
Kompressorraum in die Niedrigdruckkammer. Ein derartiger
Kompressor ist weniger leistungsfähig. Weiterhin erzeugen axiale
Spiele ein Gleiten zwischen den Kugeln und den Laufbahnen,
wodurch die Lebensdauer des Lagers begrenzt wird.
Weiterhin wird in der Broschüre "MRC Bearing Services M213-720
ein MRC "Pumpac" Lagersystem gezeigt. Dieses Lagersystem
schließt Schrägkugellager mit unterschiedlichen
Berührungswinkeln ein. Keines dieser Systeme zeigt die besondere
Lageranordnung, wie sie in der vorliegenden Anmeldung
beschrieben wird. Das MRC "Pumpac" Lagersystem weist ein
Drucklager mit einem Berührungswinkel von 40° und einem
Stützlager mit einem Berührungswinkel von 15° auf. Jedoch werden
die unterschiedlichen Berührungswinkel nicht dazu verwendet, die
Lagerbelastungen zu reduzieren, die durch Fliehkräfte induziert
sind. Bei der bekannten Ausführung nimmt das Drucklager mit dem
Berührungswinkel von 40° die axiale Belastung und das Stützlager
mit einem Berührungswinkel von 15° die radiale Belastung auf.
Das MRC "Pumpac" Lagersystem wurde für Zentrifugalpumpen mit
einem Geschwindigkeitswert von n · dm bis 500 000 konstruiert.
Bei Lagerungen für Schraubenkompressoren gemäß der Erfindung
liegen die Werte n · dm bei 750 000 bis 1 000 000. Erst bei
diesen Geschwindigkeiten treten nennenswerte, aus Fliehkräften
resultierende axiale Kräfte auf die Wälzkörper auf, während bei
dem bekannten "Pumpac" Lagersystem der Effekt der Fliehkräfte
unwesentlich ist und somit niemals eine Konstruktionsüberlegung
war.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schraubenverdichter
dahingehend zu verbessern, daß er auch bei extrem hohen Drehzahlen eine
ausreichend hohe Lebensdauer aufweist.
Diese Aufgabe wird bei einem Schraubenverdichter der eingangs erwähnten
Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das eine
Schrägkugellager als Drucklager wirkt und mit einem
Berührungswinkel α im Bereich zwischen 30° und 40° ausgeführt
ist und das zweite Schrägkugellager als Stützlager dient und
einen Berührungswinkel β aufweist, der kleiner ist als der
Berührungswinkel α und im Bereich zwischen 15° und 25° liegt.
Hierdurch wird eine Reduktion der Kräfte im Lagersystem und eine
erhöhte Lebensdauer der Lagerung erzielt. Weiterhin erlaubt
diese erfindungsgemäße Anordnung eine Lageranordnung mit kleinem
Spiel oder Vorspannung, wodurch eine genaue Lage der Wellen bzw.
Rotoren und, z. B. bei Schraubenkompressoren, eine erhöhte
Kompressorleistung, verglichen mit den Leistungen bekannter
Ausführungen, erzielt wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen teilweise im Schnitt dargestellten Trockenluft-
Schraubenkompressor mit einer erfindungsgemäßen
Lageranordnung für die Rotoren,
Fig. 2 eine vergrößerte, teilweise im Schnitt dargestellte
Draufsicht auf eine Einzelheit, die in der Fig. 1
strichpunktiert umrahmt ist,
Fig. 3 eine ähnlich der in Fig. 2 angeordnete Ausführung,
die eine zum Stand der Technik gehörende
Lageranordnung für die Rotoren eines Kompressors im
Schnitt zeigt,
Fig. 4 eine teilweise geschnittene Ansicht einer Einzelheit,
die in der Fig. 3 von einer strichpunktierten Linie
umfaßt ist, ohne Gehäuse und Deckel,
Fig. 5 eine ähnlich der Fig. 4 dargestellte Ausführung, die
eine Lageranordnung gemäß der Erfindung ohne Gehäuse
und Deckel darstellt,
Fig. 6 ein Lager der erfindungsgemäßen Anordnung mit
eingezeichneter axialer Komponente Fac der induzierten
Fliehkraft Fc auf die Kugeln und einem groben
Berührungswinkel im Bereich von 40°,
Fig. 7 ein Lager der erfindungsgemäßen Anordnung mit
eingezeichneter axialer Komponente Fbc der Fliehkraft
Fc mit einem kleinen Berührungswinkel, z. B. von 15°
bis 25°,
Fig. 8 die Reaktionskräfte eines Doppellagereinbaus für den
Rotor eines Kompressors gemäß dem Stand der Technik,
wobei beide Lager den gleichen Berührungswinkel
aufweisen,
Fig. 9 eine Lageranordnung gemäß der Erfindung,
Fig. 10A und 10B zeigen die Lagerdurchfederung und die
Axialkräfte, wobei eine Anordnung gemäß dem Stand der
Technik mit einer Lageranordnung gemäß der
vorliegenden Erfindung verglichen wird,
Fig. 11 die Belastung des Drucklagers als eine Funktion der
Lagerdrehzahl für eine Lageranordnung gemäß dem Stand
der Technik und eine Lageranordnung gemäß der
vorliegenden Erfindung,
Fig. 12 die resultierende Lagerlebensdauer für die Belastungen
gemäß Fig. 11,
Fig. 13 die axiale Lagerbelastung als eine Funktion der
äußeren Last,
Fig. 14 die resultierende Lagerlebensdauer L₁₀ als eine
Funktion der axialen äußeren Last.
In der Fig. 1 ist ein sogenannter Trockenluftkompressor mit
einer Lageraufnahmeanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung
generell mit 10 bezeichnet. Die gesamte Gestaltung und die
Grundelemente des Kompressors sind an sich nicht neu und
schließen ein Gehäuse 12, einen Hauptrotor 14 und einen
ergänzenden Hilfsrotor 16 ein. Der Hauptrotor 14 wird von einem
gebräuchlichen Motor (nicht gezeichnet) über ein Getriebe
angetrieben, das die Drehbewegung auf den Hilfsrotor 16
überträgt. Die Rotoren sind in bekannter Weise mit ineinander
greifenden, schraubenförmigen Schnecken 14a und 16a versehen.
Getrieberäder 20 und 22 verbinden die Rotoren. Der Hauptrotor
14 und der Hilfsrotor 16 haben Stummelwellen 24 und 26 zur
Montage von Lagern, die der Lagerung des Rotors im
Gehäuse dienen. Wenn der Kompressor in Betrieb ist, sind die
Rotoren radialen und axialen Kräften von dem Medium ausgesetzt,
das komprimiert wird. Die axiale Reaktionskraft wirkt in der
angezeigten Richtung und ist in den verschiedenen Figuren mit K
bezeichnet. Sobald die Belastung auf die Rotoren durch das
Medium ansteigt, erhöhen sich auch die axialen Kräfte K.
Weiterhin arbeiten die Rotoren bei einer hohen konstanten
Drehzahl von über 30 000 U/min. Es wurde herausgefunden, daß es
bei einer Lageranordnung gemäß dem Stand der Technik, wie sie in
den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, zusätzliche innere axiale
Kraftkomponenten gibt, die mit Fbc bezeichnet sind und von
Fliehkräften Fc resultieren, die auf die Kugeln wirken. Die
Wirkung dieser Kraft nimmt mit der Drehzahl zu und es wurde
beobachtet, daß je größer der Berührungswinkel ist, desto größer
ist die axiale Komponente Fbc der inneren Axialkräfte. Die
praktische Konsequenz dieser in einem Lagersystem gemäß dem
Stand der Technik (Fig. 3 und 4) angeordneten Schrägkugellager,
bestehend aus einem Drucklager 30 und einem Stützlager 32, wobei
jedes Lager einen gleich groben Berührungswinkel hat, ist, daß
das die Belastung aufnehmende Drucklager eine Axialkraft tragen
muß, die größer ist als die Kraft, die durch den Kompressor
erzeugt wird. Die Lageranordnung gemäß der Erfindung schließt,
wie aus den Fig. 6 und 7 zu ersehen, ein Schrägkugellager 30′
mit einem großen Berührungswinkel α und ein Schrägkugellager 32′
ein, das einen kleinen Berührungswinkel β aufweist. Diese Lager
sind im allgemeinen von üblicher Ausführung mit einem
Innenring Ri einem Außenring Ro und mit Laufbahnen, die eine
Anzahl von Kugel B aufnehmen. Vorzugsweise liegt der Berührungswinkel
α des Drucklagers 30′ im Bereich zwischen 30° und 40° und
der Berührungswinkel β des Stützlagers 32′ ist vorzugsweise im
Bereich zwischen 15° und 25°. Gemäß einem weiteren Merkmal der
vorliegenden Erfindung ist eine Differenz von wenigstens 5° und
vorzugsweise 15° bis 20° zwischen dem Berührungswinkel des
Drucklagers und dem Berührungswinkel des Stützlagers
wünschenswert. Es wurde herausgefunden, daß diese Anordnung
gemäß der Erfindung die fliehkraftinduzierten axialen Kräfte verringert
(vergleiche Fig. 8 und 9 und siehe auch Fig. 10A und 10B).
Die funktionellen Vorteile der vorliegenden Erfindung sind
ferner eine längere Lagerlebensdauer, wie durch Computer
simulierte Vergleiche in den Fig. 11 und 12 zeigen. Weiterhin
erlaubt diese Anordnung ein Lagermontagesystem mit kleinem Spiel
oder Vorspannung, wodurch eine genaue Lage der Rotoren und
dadurch eine erhöhte Kompressorleistung, verglichen mit den
Lagersystemen gemäß dem Stand der Technik, erzielt werden. Die
bekannten Anordnungen weisen große axiale Spiele und eine
negative Wirkung auf die Kompressorleistung auf.
Eine Prüfung und Analyse der graphischen Darstellung in den
Fig. 10A und 10B zeigt, daß die Kräfte in einem
erfindungsgemäßen Lagersystem kleiner sind als bei
bekannten Systemen. In beiden Fällen sind die
Lager vorgespannt. Die Kurven stellen die axiale Belastung und
die Durchfederung der Doppellager dar und zeigen die
Belastungsaufteilung im Lagersystem. Ohne eine äußere Belastung
K auf das System und ohne Rotation ist die Vorspannkraft Fo.
Wenn in einem typischen System eine äußere Last K auf das
Lagersystem aufgebracht wird, erhöht sich die Durchfederung des
Drucklagers und die Durchfederung des Stützlagers wird
verringert. Die äußere Last K ist dann die Differenz zwischen
der Belastung des Drucklagers und des Stützlagers. Wenn sich die
Lager drehen, stellen die unterbrochenen Kurvenlinien die Kraft-
Durchfederungsbeziehung dar. Bei hoher Durchfederung tendieren
die durchgezogenen und die unterbrochenen Linienkurven dazu
zusammenzugehen und bei niedriger Durchfederung ist der
Unterschied bedeutender. Es ist festzustellen, daß dieser
Unterschied bei einem Lager mit kleinem Berührungswinkel
geringer ist (siehe Fig. 10 B). Ferner ist zu bemerken, daß
eine andere Verschiedenheit die Neigung der Kurve ist, die bei
einem Lager mit kleinem Berührungswinkel geringer ist. Bei hohen
Drehzahlen ist die Belastung des Stützlagers für eine gegebene
äußere Kraft kleiner. Weil die Belastung Fak, F′ak des
Drucklagers die Summe der äußeren Belastung K und der Belastung
Fbk, F′bk des Stützlagers ist, folgt, daß die Belastung aus F′ak
eines Drucklagers in einem Lagersystem der vorliegenden
Erfindung, verglichen mit der Belastung Fak eines bekannten
Systems, in dem ein Paar von Schrägkugellagern
mit gleich großem Berührungswinkel α für die gleiche äußere
Belastung K (vergleiche Fig. 10A und 10B) verwendet wird,
niedriger ist. Die radiale Belastung der Lagerung wird durch ein
Radial-Zylinderrollenlager 30a aufgenommen.
Die Fig. 13 und 14 zeigen die Wirkung des Berührungswinkels
auf die Lagerbelastung für die Anwendung bei einem
Schraubenkompressor. Fig. 13 stellt die axiale Lagerbelastung
als eine Funktion der äußeren Belastung dar. Bei der äußeren
Belastung Null sind die Belastungen des Drucklagers und die des
Stützlagers gleich. Wenn beide Lager einen Berührungswinkel von
30° haben, sind die Lagerbelastungen 180 N. Wenn das Drucklager
einen Berührungswinkel von 30° und das Stützlager einen
Berührungswinkel von 15° hat, sinken die Lagerbelastungen auf
105 N. Der Grund, daß die Lager belastet sind, obwohl es keine
äußeren Kräfte gibt, rührt von der Wirkung der Fliehkräfte auf
die Kugeln her. Wenn die äußere Belastung zunimmt, erhöht sich
die Belastung auf das Drucklager, während die Belastung auf das
Stützlager abnimmt. Aus Gleichgewichtsgründen ist die Differenz
zwischen den Lagerbelastungen immer gleich der äußeren Belastung.
Die 75 N Belastungsdifferenz zwischen den zwei Lagersätzen ist
ungefähr konstant, wenn die äußere Belastung zunimmt.
Fig. 14 zeigt die resultierende Lager L₁₀ Lebensdauer als eine
Funktion der axialen äußeren Belastung. Bei äußerer Belastung 0,
wenn die Lagerbelastung nur das Ergebnis der Fliehkräfte ist,
ist die Lebensdauer des Druck- und Stützlagers gleich. 305 000
Stunden für den Satz mit den gleichen Berührungswinkeln. Dies
ist so, weil die Lagerbelastung in beiden Fällen gleich 180 N
ist. Ebenfalls ist die Lastaufnahmefähigkeit in beiden Fällen
gleich, weil die Berührungswinkel gleich sind. Wenn die äußere
Belastung erhöht wird, steigt die Lebensdauer des Stützlagers,
während sich die Lebensdauer des Drucklagers verringert. Für den
Lagersatz mit ungleichen Berührungswinkeln ist die Lebensdauer
des Drucklagers außerhalb der Skala, weil die Belastung viel
geringer ist (105 N), aber die Belastungsfähigkeit ist die
gleiche, wie bei dem Lagersatz mit gleichen Berührungswinkeln.
Das Stützlager jedoch hat eine geringere Belastungsfähigkeit,
weil durch den kleineren Berührungswinkel die Lebensdauer
geringer ist, 355 000 Stunden, obgleich die Belastung geringer
ist, 105 N. Wenn die äußere Belastung zunimmt, erhöht sich die
Lebensdauer des Stützlagers und die Lebensdauer des Drucklagers
nimmt ab. Aber verglichen mit dem Lagersatz mit gleichen
Berührungswinkeln ist die Lebensdauer der erfindungsgemäßen
Lagerung viel höher.
Zum Vergleich ist jeweils auch die Lebensdauer der bekannten und
die der erfindungsgemäßen Lagerungsanordnung berechnet und
dargestellt. Das System Lebensdauer stellt die
Wahrscheinlichkeit des Ausfalls eines der beiden Lager in dem
Satz in Rechnung. Die Lebensdauer des Lagersatzes mit
ungleichen Berührungswinkeln ist immer höher, weil die
individuelle Lebensdauer der Lager in dem Lagersatz immer höher
ist.
Somit sieht die vorliegende Erfindung eine neue
Lagereinbauanordnung für Schraubenkompressoren vor, wobei die
inneren Kräfte, hervorgerufen durch die Fliehkräfte auf die
Kugeln, klein sind und daher die induzierte axiale
Kraft minimiert ist. Diese Reduktion der Reaktionskraft im
Kompressor ist in den Fig. 10A und 10B graphisch
dargestellt.
Der Berührungswinkel eines Schrägkugellagers ist der Winkel, der
bei einer leichten Meßbelastung auf das Lager bei stillstehenden
Lagern gemessen wird. X-Anordnung der gepaarten Schrägkugellager
bedeutet, daß die Wirkungslinien der Kugeln beider Reihen zur
Lagermittenachse konvergieren, O-Anordnung bedeutet, daß die
Wirkungslinien der Kugeln beider Reihen zur Lagermittenachse
divergieren.
Claims (5)
1. Schraubenverdichter mit einer Lagerung, bestehend aus einem
Zylinderrollenlager zur Aufnahme der radialen Kräfte und
einem Paar von Schrägkugellagern zur Aufnahme der axialen
Kräfte, wobei die Lager in einem Gehäuse angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, daß das erste Schrägkugellager (30′)
als Drucklager wirkt und mit einem Berührungswinkel α im
Bereich zwischen 30° und 40° ausgeführt ist und das zweite
Schrägkugellager (32′) als Stützlager dient und einen
Berührungswinkel β aufweist, der kleiner ist als der
Berührungswinkel α und im Bereich zwischen 15° und 25°
liegt, wobei das erste Schrägkugellager (30′) die durch den
Gasdruck im Verdichter erzeugte Axialkraft aufnimmt.
2. Schraubenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Unterschied zwischen dem Berührungswinkel α des
Drucklagers (30′) und dem Berührungswinkel β des Stützlagers
(32′) wenigstens 5° beträgt.
3. Schraubenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Unterschied zwischen dem Berührungswinkel α und
dem Berührungswinkel β über 15° beträgt.
4. Schraubenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Drucklager (30′) und das Stützlager
(32′) in O-Anordnung eingebaut sind.
5. Schraubenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß das Drucklager (30′) und das
Stützlager (32′) in X-Anordnung eingebaut sind.
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