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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Rotormaschine, insbesondere
auf eine Schraubenrotormaschine der im Oberbegriff des beiliegenden
Anspruchs 1 definierten Art.
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Wenn
solche Maschinen so ausgelegt sind, daß sie als Verdichter arbeiten,
wird das Arbeitsmedium auf ein höheres
Druckniveau verdichtet, wohingegen das Medium von einem erhöhten Druckniveau entspannt
wird, wenn solche Maschinen so ausgelegt sind, daß sie das
Arbeitsmedium entspannen. Der Einfachheit halber wird nur der erste
Fall behandelt, d. h. der Fall, wenn die Maschine als Verdichter arbeitet,
obgleich die nachfolgende Beschreibung im selben Ausmaß auch für einen
Entspanner gilt.
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In
einem Schraubenrotorverdichter wird das Arbeitsmedium in den V-förmigen Arbeitskammern verdichtet.
Während
einer Füllphase
steht jede Arbeitskammer mit einer an dem Niederdruckende angeordneten
Einlaßöffnung in
Verbindung. Wenn die Verbindung mit der Einlaßöffnung unterbrochen worden
ist, verringert sich das Volumen der Arbeitskammer infolge der durch
Drehung der Rotoren in Richtung des Hochdruckendes bewegten Kammer,
wodurch das in der Arbeitskammer eingeschlossene Arbeitsmedium verdichtet
wird. Wenn die Arbeitskammer in Richtung des Hochdruckendes axial
in solchem Ausmaß bewegt
worden ist, daß sie
mit der Auslaßöffnung in
Verbindung steht, beginnt die Entleerungsphase, während der
die fortgesetzte Verringerung des Volumens der Arbeitskammer das
Arbeitsmedium mit erhöhtem
Druckniveau durch die Auslaßöffnung hinaus
drängt.
Folglich sind die Rotoren an ihrem Hochdruck ende einem höheren Druck ausgesetzt
als an ihrem Niederdruckende, was bedeutet, daß jeder Rotor einem Schub in
Richtung des Niederdruckendes unterworfen ist. Diese Schubkräfte werden
von Axiallagern aufgenommen, die in einem oder beiden Endbereichen
angebracht sind.
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Manches
Arbeitsmedium wird außerdem
an dem Hochdruckende um den Achszapfen herum auslaufen und in die
Lagerkammer in dem Hochdruckstirnbereich eintreten. Um einen Aufbau
von Hochdruck in der Lagerkammer auf dem Niveau des Auslaßdrucks
zu vermeiden, ist die Kammer normalerweise mit einem Entlastungskanal
versehen, der das Arbeitsmedium zurück zu einer geschlossenen Arbeitskammer
führt,
in welcher der Druck auf einem Niveau ein wenig höher als
der Einlaßdruck
ist. Dieser Kanal ist auch dafür
gedacht, daß Öl durch
die Rotorlager zirkulieren kann. Folglich wird der Druck in der
Lagerkammer auf dem Niveau des Drucks in der geschlossenen Arbeitskammer
sein. Dieser Druck übt
eine Kraft auf die Stirnbereiche der Achszapfen aus, die auch in
Richtung des Niederdruckendes des Verdichters ausgerichtet ist.
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Die
Axialkräfte,
die infolge der Druckdifferenz zwischen dem Niederdruckende und
dem Hochdruckende auf die Rotoren wirken, variieren während der Verdichtungsphase
in ihrer Größe und sind
als Folge des gegenseitigen Kontakts der Rotoren zwischen den Flankenflächen der
Vorsprünge
und der Nuten unterschiedlich auf die beiden Rotoren verteilt. Diese Verteilung
der axial wirkenden Kräfte
variiert auch während
der Verdichtungsphase. Die auf jeden Rotor axial wirkende Kraft
wird daher pulsierend sein. Wenn der Verdichter unter Vollast arbeitet,
sind die durch das Arbeitsmedium bedingten axial wirkenden Kräfte für die resultierende
Kraft auf jedem Rotor groß genug,
um immer in Richtung des Niederdruckendes ausgerichtet zu bleiben,
auch wenn die Größe der Kraft
variieren sollte.
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Ein
Verdichter dieser Art ist üblicherweise durch
signifikantes Drosseln des Einlaßdrucks auf ungefähr 0,1 bar
und gleichzeitiges Absenken des Drucks auf der Auslaßseite auf
ungefähr
die Hälfte des
Auslaßdrucks
bei Vollast entlastet.
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Wenn
der Verdichter ohne Last betrieben wird, werden wie oben beschrieben
die auf die Rotoren in Richtung des Niederdruckendes wirkenden axialen
Kräfte
zum Teil deswegen kleiner sein, weil die Druckdifferenz zwischen
dem Auslaßdruck
und dem Einlaßdruck
kleiner ist und zum Teil deswegen, weil der Druck in der Lagerkammer
des Hochdruckstirnbereichs kleiner ist. In dieser Hinsicht besteht wegen
der vorstehend beschriebenen Kraftschwankungen ein Risiko, daß diese
axialen Kräfte
nicht groß genug
sein werden, um zu gewährleisten,
daß die
resultierende Kraft auf jeden Rotor fortwährend auf das Niederdruckende
ausgerichtet ist. Die resultierende axiale Kraft auf einen Rotor
kann daher augenblicklich das Vorzeichen ändern und in Richtung des Hochdruckendes
wirken. Dies führt
zu einer Vibration einer der beiden Rotoren in der axialen Richtung.
Weil sich die Flanken der Rotoren gegenseitig treffen, tritt dann
ein Rattern auf. Diese Stöße beschädigen die
Rotoren und verringern die Lebensdauer des Lagers.
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Das
Problem des Ratterns kann durch Aufbringen einer axialen Kraft auf
einen oder beide Rotoren in Richtung des Niederdruckendes des Verdichters überwunden
werden, während
das Problem, das durch die hohe Last auf das Axiallager eines Rotors
bedingt ist, wenn der Rotor von der Hochdruckseite axial beeinflußt ist,
durch axiales Aufbringen einer Kraft auf einen oder beide Rotoren
in Richtung der Hochdruckseite der Maschine überwunden werden kann.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Axiallager
von Schraubenrotormaschinen von den großen axialen Kräften in
einer einfachen und zuverlässigen
Weise zu entlasten, oder dem Rattern mit partiellen Lasten durch
Aufbringen einer axial ausgerichteten Kraft auf die Rotoren, die in
der entgegengesetzten oder gleichen Richtung wie der durch die Verdichtung
wirkende Gasdruck tätig ist,
entgegenzuwirken.
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Dies
wird erfindungsgemäß bei Rotormaschinen
der eingangs beschriebenen Art durch Anordnen einer Umhüllung um
den einen Achszapfen mit engem Sitz erreicht, die eine im wesentlichen kreisförmige, zylindrische
Außenfläche besitzt
und die in der Kammer frei angeordnet ist und ein äußeres Ende
besitzt, das durch eine Bodenwandung verschlossen ist, die in ihrer
Mitte ein Loch besitzt, wobei die Umhüllung drehbar auf dem Achszapfen
montiert und entlang diesem axial um einen gegebenen Weg zwischen
einer ersten Axialstellung, in der die Bodenwandung von einer Stirnwand
der Kammer beabstandet liegt, und einer zweiten Axialstellung beweglich
ist, in der sich die Bodenwandung in Anlage an der Stirnwand befindet,
und ein mit einem Ventil versehener Versorgungskanal, der sich von
einer Druckmediumquelle aus erstreckt, mit einer Öffnung in
der Stirnwand gegenüber
dem Mittelloch der Bodenwandung verbunden ist, um kontrolliert Druckmedium über das
Loch in der Bodenwandung in das Innere der Umhüllung abzugeben, um die Umhüllung aus der
ersten Axialstellung in die zweite Axialstellung zu bewegen, während ein Überdruck
innerhalb der Kammer erzeugt wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist eine ringförmige
Dichtungsvorrichtung zwischen der Stirnwand und der Oberfläche der
in Richtung der Stirnwand weisenden Bodenwandung der Umhüllung angeordnet,
wobei die Dichtungsvorrichtung eine kreisförmige Dichtlinie bildet, deren
Durchmesser kleiner als der Durchmesser des Teils des Achszapfens
ist, der von der Umhüllung
umgeben ist.
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Andere
vorteilhafte Ausführungsformen
sind aus den Unteransprüchen
ersichtlich.
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Da
erfindungsgemäß Druckfluid
in das Innere der Umhüllung
gebracht werden kann, welches das Ende des Achszapfens umgibt, wird
die Umhüllung
in erster Linie durch den dynamischen Druck des Fluids gegen die
Stirnwand gedrückt.
Im Fall einer ringförmigen
Dichtungsvorrichtung wird der Anlagedruck gegen die Stirnwand davon
abhängen,
um wieviel kleiner als der Durchmesser der Druckfläche des
Achszapfens der Durchmesser der Dichtlinie ist. Ein vorteilhafter
Umstand ist, daß die
Umhüllung
ihre radiale Position an die Position des Achszapfens anpaßt, und
daß der
Druck der Umhüllung
gegen die Stirnwand erlischt, wenn die Versorgung mit einem Druckmedium
gestoppt wird, so daß die
Umhüllung
in Abwesenheit von Reibungsverlusten zwischen der Umhüllung und
der Stirnwand oder dem Achszapfen beginnen kann, sich zusammen mit
dem Achszapfen zu drehen.
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Die
Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf verschiedene beispielhafte
Ausführungsformen erfinderischer
An ordnungen und auch mit Bezug auf die beiliegenden schematischen
Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
eines Schraubenverdichters;
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2 einen
Längsschnitt
einer Umhüllung, die
auf einem Achszapfen montiert ist und gegen eine Stirnwand anliegt,
von der ein Teil im Schnitt gezeigt ist;
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3 den
gleichen wie in 2 gezeigten Schnitt, jedoch
mit einer von der Stirnwand gelösten Umhüllung;
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4 den
gleichen Schnitt wie in 2, aber mit einem auf der Stirnwand
montierten Dichtungsring;
und
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5 einen
Längsschnitt
einer Umhüllung, die
für eine
Montage auf einem verlängerten
Achszapfen modifiziert ist.
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Der
in 1 gezeigte Verdichter ist zur Luftverdichtung
vorgesehen und weist einen männlichen Rotor 1 und
einen weiblichen Rotor 2 auf, die in üblicher Weise mit sich schraubenförmig erstreckenden Vorsprüngen und
Nuten (nicht gezeigt) versehen sind, mittels derer die Rotoren ineinander
eingreifen und Arbeitskammern in dem Arbeitsraum 3 des
Verdichters bilden. Der Arbeitsraum ist durch einen Niederdruckstirnbereich 4 und
einen Hochdruckstirnbereich 5 und einen sich dazwischen
erstreckenden Tonnenbereich 6 begrenzt, der die Form zweier
sich schneidender paralleler Zylinder hat. Jedes Ende der Rotoren
ist mit jeweils einem Achszapfen 7, 8, 9, 10 versehen,
die von Lagern 11, 12, 13, 14 in
den beiden Stirnwänden
gehalten sind.
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Der
Verdichter hat eine Einlaßöffnung 15 am Niederdruckende
und eine Auslaßöffnung am
Hockdruckende, die mit 16 angedeutet ist. Die Lager in dem
Niederdruckstirnbereich 4 sind in einer Lagerkammer 17 angeordnet,
in der ein vorgegebener Druck P2 vorherrscht. Der Verdichter ist
ein sogenannter nasser Typ, d. h. dem Verdichter wird eine Flüssigkeit,
normalerweise Öl,
mit dem Ziel zugeleitet, diesen zu kühlen, zu schmieren und abzudichten.
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Bei
Vollast arbeitet der Verdichter mit einem Einlaßdruck, der gleich dem atmosphärischen
Druck ist, und die verdichtete Luft verläßt den Verdichter mit einem
Druck von ungefähr
8 bar. Die Druckdifferenz zwischen dem Einlaß und dem Auslaßende des
Verdichters führt
zu einer Kraft, die axial auf jeden Rotor 1, 2 in
Richtung des Niederdruckendes wirkt. Diese Kräfte werden normalerweise durch
Axiallager 12, 14 aufgenommen, die im Hockdruckstirnbereich 5 vorgesehen
sind.
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Erfindungsgemäß ist eine
Umhüllung
um das Ende des Achszapfens 7 mit einem engen Sitz angeordnet,
um zu ermöglichen,
daß das
Lager 12 entlastet wird, wobei die Umhüllung einen zylindrischen Bereich 20 und
eine Bodenwandung 21 hat. Die Umhüllung 20, 21 ist
in der Kammer 17 angeordnet und das Umhüllungsinnere steht mit der
Kammer durch ein Loch 22 in der Mitte der Bodenwandung 21 in
Verbindung, die zu einer Stirnwand 23 parallel liegt, welche die
Kammer 17 abschließt und
welche eine Öffnung 24 zentral
gegenüber
dem Loch 22 in der Bodenwandung 21 besitzt. Die
Bodenwandung 21 ist mit einer ringförmigen Dichtungsvorrichtung 25 versehen,
und die Öffnung 24 in
der Stirnwand 23 hat einen daran angeschlossenen Kanal 26,
der einen mit einem Ventil 27 ausgestatteten Versorgungskanal
bildet und sich von einer Druckmediumquelle 28 her erstreckt.
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Das
Lager 12 ist durch Öffnen
des Ventils 27 und Durchlassen des Druckmediums von der
Quelle 28 durch den Kanal 26 in das Innere der
Umhüllung 20, 21 durch
die Öffnung 24 und
das Loch 22 entlastet.
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Das
einströmende
Druckmedium übt
einen dynamischen Druck auf das Umhüllungsinnere aus, um so die
Umhüllung
mit Hilfe der Dichtungsvorrichtung 25 in abdichtende Anlage
an die Stirnwand 23 zu bewegen.
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Die
Druckquelle 28 erzeugt im Inneren der Umhüllung einen
Druck P1, der größer als
der Druck P2 in der Kammer 17 ist.
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Das
Dichtungselement 25 ist kreisförmig und definiert eine geschlossene
Dichtlinie mit einer eingeschlossenen Fläche, die kleiner als die Stirnfläche 29 des
Achszapfens 7 ist, wie aus 2 ersichtlich,
wo der Durchmesser D1 der Dichtlinie geringfügig kleiner als der Durchmesser
des Achszapfens und damit auch kleiner als der innere Durchmesser
D2 der Umhüllung 20, 21 ist.
Folglich übt
das Druckmedium mit dem Druck P1 eine Kraft einerseits teilweise
auf die Innenwände
der Umhüllung
aus, um so die Umhüllung
gegen die Stirnwand 23 zu drücken, und andererseits teilweise
auf die Stirn seite 29 des Achszapfens 7, um so
den Rotor 1 in Richtung des Hochdruckstirnbereichs 5 zu
drängen,
während
das Lager 12 entlastet wird.
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In
dem dargestellten Fall dreht sich der Achszapfen 7 in der
nichtdrehenden Umhüllung 20, 21,
die durch den Achszapfen 7 radial in eine korrekte Position
geführt
ist. Wenn dann das Ventil 27 geschlossen wird, wird der
Druck P1 in dem Inneren der Umhüllung 20, 21 fallen,
womit die Berührung
der Umhüllung
mit der Stirnwand 23 aufhört und der Druck in der Umhüllung gleich
dem umgebenden Druck P2 wird. Die Umhüllung wird daraufhin anfangen,
sich zusammen mit der Drehung des Achszapfens 7 zu drehen,
wodurch jegliche Reibung und jeglicher Verschleiß der Umhüllung und des Achszapfens 7 endet, wie
aus 3 ersichtlich. Die sich drehende Umhüllung 20, 21 kann
von einem Anschlagen an die Stirnwand 23 durch Ausstatten
dieser Elemente mit sich gegenseitig abstoßenden, ringförmigen magnetischen
Vorrichtungen 40, 41 abgehalten werden, wie in 4 gezeigt.
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Wie
in 4 gezeigt, kann das kreisförmige Dichtungselement 25 zweckdienlich
an der Stirnwand 23 befestigt werden, statt an der Bodenwandung 21 der
Umhüllung.
Im Fall dieser letzteren Alternative kann das Dichtungselement praktischerweise an
einer Buchse 42 befestigt werden, die von außen in die
Stirnwand eingeschraubt werden kann, womit der Austausch eines abgenutzten
Dichtungselements 25 vereinfacht wird.
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Die
Erfindung kann auch eingesetzt werden, wenn ein Achszapfen 30 durch
ein Loch 31 mit einer Wellendichtung 32 in der
Stirnwand 23 verlängert
ist, wie in 5 gezeigt.
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Wenn
es gewünscht
ist, bei der in 5 gezeigten Ausführungsform
eine Druckfläche
der gleichen Größe wie die
Stirnfläche 29 des
Achszapfens 7 in 2 zu erhalten,
ist es erforderlich, den Durchmesser des Achszapfens 30 mit
Hilfe eines Druckkragens 35 zu vergrößern, um so eine axial hervorstehende,
ringförmige
Stirnfläche 29' zu erhalten,
deren Fläche
die gleiche ist, wie die der Stirnfläche 29 in 2.
An dem Kragen 35 ist eine Umhüllung 33 mit einem
festen Sitz in der vorher beschriebenen Weise befestigt. Die Stirnwand 23 hat
um die Achszapfendichtung 32 angeordnete Öffnungen 34,
die Rohre 36 aufnehmen, die zu einer nicht gezeigten Druckmediumquelle
führen.
Die Umhüllung 33 besitzt
einen zylindrischen Bereich 37 und eine Bodenwandung 38, die
ein mittiges Loch 39 mit ausreichend großem Durchmesser
hat, damit sich die Öffnung
oder die Öffnungen 34 innerhalb
des Umfangkreises des mittigen Lochs 39 entleeren können.
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Wenn
die Erfindung dazu vorgesehen ist, das Rattern zu beseitigen, wird
eine Umhüllung 20, 21 an
dem Ende des Achszapfens 10 in einer oben beschriebenen
Weise befestigt, und die Öffnung 34 wird
in einer naheliegenden Stirnwand angeordnet, wie in 1 mit
gestrichelten Linien gezeigt.
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Es
versteht sich, daß die
Erfindung nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt
ist und daß verschiedene
Modifikationen innerhalb des in den beiliegenden Ansprüchen definierten
Schutzbereichs der Erfindung vorgenommen werden können. Z.
B. kann die Umhüllung 20, 21 aus
einem Material auf der Außenseite
der Bodenwandung 21 hergestellt sein, das elastisch und
flach ist, so daß die
Dichtungsfunktion ohne die Verwendung eines zusätzlichen Dichtungselements
erzielt werden kann. Das gleiche gilt für die Innenseite der Stirnwand 23 gegenüber der
Umhüllung 20, 21.
Natürlich
kann auch der Achszapfen 9 mit erfindungsgemäßen entlastenden
Mitteln versehen sein.
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Um
die Umhüllung 20, 21 oder 33,
die mit dem Achszapfen mitdrehend ist, vor einem Anschlagen an die
Stirnwand 23 zu bewahren, wenn der Druck innerhalb der
Umhüllung
gleich dem Druck außerhalb
davon ist, können
die Stirnwand 23 und die jeweiligen Bodenwandungen 21, 38 der
Umhüllung mit
je einem ringförmigen
Magneten 40, 41 versehen sein, die so angeordnet
und magnetisiert sind, daß sie
sich gegenseitig abstoßen
und somit vorübergehend
dazu beitragen, den beabsichtigten Zwischenraum zwischen der Stirnwand
und der Bodenwandung der Umhüllung
einzuhalten, ähnlich
wie es in 4 mit Bezug auf die Umhüllung 20, 21 gezeigt
ist.