DE60117821T2

DE60117821T2 - Mehrstufiger schraubenverdichter

Info

Publication number: DE60117821T2
Application number: DE60117821T
Authority: DE
Inventors: Philip High Wycombe NICHOL; Paul Lyndon Haddenham FOUTAIN; Edward Terrence High Wycombe COKER
Original assignee: Compair UK Ltd
Current assignee: Compair UK Ltd
Priority date: 2000-09-25
Filing date: 2001-09-25
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2021-09-26
Also published as: EP1387961A1; ES2260285T3; US20040101411A1; GB0023456D0; WO2002025115A1; DE60117821D1; AU2001290100A1; EP1387961B1; ATE319932T1; GB2367332A; GB2367332B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen beim Antrieb eines Mehrstufen-Schraubenverdichters unter Verwendung unabhängiger Elektromotoren mit einer elektronischen Geschwindigkeitssteuerung/regelung.
Bei einem Mehrstufen-Schraubenverdichter wird derzeit eine einzige Antriebseinrichtung mit festgelegter Geschwindigkeit verwendet, um die einzelnen Stufen des Verdichters gleichzeitig durch einen Getriebekasten anzutreiben. Normalerweise erfordert dies einen geschwindigkeitserhöhenden Getriebezug, da die Geschwindigkeit der Antriebseinrichtung deutlich niedriger ist als der von den Verdichterstufen geforderte Antrieb. Die Geschwindigkeit einer jeden Stufe muss abgestimmt werden für den besten Wirkungsgrad sowie dazu, die durch jede Stufe geleistete Arbeit zu teilen. Da das Übersetzungsverhältnis geändert werden muss, um eine Änderung im Ausgabevolumen zu bewirken, um zu ermöglichen, dass ein Bereich von unterschiedlichen Ausgabevolumen von einem gemeinsamen Satz von Stufen bereitgestellt wird, wird für jede Nennausgabe ein einzigartiger Zahnradsatz benötigt. Wenn ein Bereich von unterschiedlichen Endlieferdrücken benötigt wird, erfordert dies ebenso in zahlreichen Fällen ein einzigartiges Übersetzungsverhältnis für jeden Betriebsdruck.
Es kann ein Satz von Verdichterstufen verwendet werden, welche bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten laufen, um einen Bereich von Ausgabe-Luftströmen zu ergeben. Um eine Erhöhung des Luftstroms zu erhalten, muss die Geschwindigkeit aller Stufen erhöht werden. Aufgrund des Unterschiedes in den Leistungseigenschaften einer jeden Stufe wird die Geschwindigkeitserhöhung jeder Stufe nicht gleich sein. Hinzu kommt, dass die Relativgeschwindigkeit der Stufen unter Umständen abhängig von dem gewünschten Endstufenlieferdruck oder einem Gesamtdruckverhältnis geändert werden muss. Der Basisparameter, welcher die Relativgeschwindigkeit der Stufen bestimmt, ist die in jeder Stufe geleistete Arbeit. Um den besten Wirkungsgrad zu erhalten, muss die Arbeit in jeder Stufe gleichmäßig ausgewogen sein.
Das Ergebnis hiervon ist, dass für eine gegebene Luftströmungsrate und einen gegebenen Lieferdruck ein spezifischer Satz von Geschwindigkeiten für die verschiedenen Verdichtungsstufen bestimmt werden muss. Nachdem die Geschwindigkeiten bestimmt wurden, müssen die geeigneten Zahnräder ausgewählt werden. Dies führt zu einer weiteren Einschränkung. Aufgrund der durch den Bedarf an einer ganzen Anzahl von Zahnradzähnen auferlegten Einschränkungen ist das ideale Verhältnis unter Umständen nicht möglich.
Eine weitere Überlegung ist, dass für in Serie erzeugte Maschinen die Leistung ähnlicher Verdichtungsstufen aufgrund von Herstellungstoleranzen, die Spielschwankungen entstehen lassen, nicht identisch sein wird. Mit festgelegten Übersetzungsverhältnissen liegt kein Mittel zum Kompensieren dieser Schwankung vor, was die Leistung des Verdichters nachteilig beeinflussen kann, da die Ausgewogenheit an Arbeit zwischen den Stufen suboptimal sein wird. Darüber hinaus wird dann, wenn ein Benutzer wünscht, einen Verdichter bei einem Betrieb entfernt von dem Auslegungspunkt zu benutzen, der Wirkungsgrad der Maschine verringert werden oder es kann in Extremfällen ein Überhitzen einzelner Stufen auftreten.
Eine weitere Überlegung ist, dass, um eine Kapazitätssteuerung/regelung eines mehrstufigen Verdichters bereitzustellen, eine Einlassdrosselung nur über einen sehr engen Geschwindigkeitsbereich angewendet werden kann, da sie das Druckverhältnis über die Maschine hinweg effektiv erhöht. Dies führt wiederum zu Überhitzung. Aus diesem Grunde werden mehrstufige Verdichter üblicherweise durch ein vollständiges Verschließen des Einlasses durch ein Steuer/Regelventil gesteuert/geregelt. Dies stellt eine sehr grobe Druck- oder Strömungssteuerung/regelung mit schlechtem Wirkungsgrad zur Verfügung. Ein Variieren der Geschwindigkeit des Antriebsmotors wurde verwendet, um einige Maschinen zu steuern/regeln, um einen Wirkungsgrad bei Teillast zu verbessern. Mit einem festgelegten Geschwindigkeitsverhältnis zwischen den Stufen führt dies zu einer Unausgewogenheit an Arbeit zwischen den Stufen, was den Steuer/Regelbereich begrenzen kann.
Ein weiteres Beispiel eines zweistufigen Schraubenverdichters, bei welchem der Elektromotor einer jeden Stufe durch einen Antrieb mit variabler Geschwindigkeit angetrieben wird, ist durch die Druckschrift JP 07-158576A gegeben.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile zu überwinden.
Nach Maßgabe der Erfindung ist ein mehrstufiger Schraubenverdichter bereitgestellt, wie er in Anspruch 1 dargelegt ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun lediglich als Beispiel unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden. Es stellt dar:
1 ist eine schematische Darstellung des Betriebs eines typischen Schraubenverdichters des Standes der Technik; und
2 ist eine schematische Wiedergabe eines Schraubenverdichters nach Maßgabe der vorliegenden Erfindung.
Ein typischer zweistufiger Verdichter 5 des Standes der Technik ist in 1 gezeigt. Obwohl aus Gründen der Klarheit eine zweistufige, ölfreie Maschine gezeigt ist, sind die Grundlagen die gleichen, wenn mehr Stufen involviert sind oder wenn die Stufen eine Öl- oder Wassereinspritzung aufweisen.
Jede der zwei Verdichterstufen 10, 11 besteht aus einem Paar von entgegengesetzt drehenden wendelförmig geschnittenen gerippten Rotoren, welche an jedem Ende in Wälzlagern in einem starren Gehäuse gelagert sind. Jedes Gehäuse ist an einem einzelnen Getriebekasten 12 angebracht. Der Antriebsmotor 13 ist mit dem Eingangszahnrad in dem Getriebekasten 12 gekoppelt, welches den Antrieb zu den Stufen 10, 11 über ein Ritzel an den Wellen 12a, 12b einer jeden Stufe 10, 11 überträgt.
Durch einen Luftfilter 14 und ein Einlass-Steuer/Regelventil 15 wird Luft in die Einlassöffnung der ersten Stufe 10 eingesaugt, wo sie teilweise verdichtet wird. Die teilweise verdichtete Luft aus der ersten Stufe 10 gelangt an eine Zwischenkühlungseinrichtung 16, wo ihre Temperatur verringert wird, bevor die Luft zum Einlass der zweiten Stufe 11 zur weiteren Verdichtung gelangt. Beim Verlassen der zweiten (oder letzten) Stufe 11 gelangt die vollständig verdichtete Luft über ein Rückschlagventil 17 zu einer Nachkühlungseinrichtung 18 zur weiteren Kühlung, wonach sie über einen Luftlieferauslass 19 an den Benutzer geliefert wird.
Bei dieser Ausführungsform sind die Zwischenkühlungseinrichtung 16 und die Nachkühlungseinrichtung 18 jeweils gekühlt, indem Umgebungsluft über diesen durch ein motorbetriebenes Gebläse 20 gesaugt wird. Eine Alternative ist die Verwendung von wassergekühlten Wärmetauschern.
2 zeigt einen Verdichter 30 nach Maßgabe der vorliegenden Erfindung. Der wesentliche Betrieb ist so wie oben beschrieben, unterscheidet sich jedoch vom Verdichter 5 des Standes der Technik dahingehend, dass unabhängige Motoren 31, 32 mit variabler Geschwindigkeit jede Stufe 10, 11 des Verdichters 30 unabhängig antreiben, wobei keine mechanische Verbindung zwischen den einzelnen motorgetriebenen Stufen 10, 11 besteht. Die Charakteristika der Motoren 31, 32 sind mit den entsprechenden Verdichterstufen 10, 11 abgestimmt.
Die Geschwindigkeit der Motoren 31, 32 wird durch eine elektronische Steuer/Regeleinrichtung 33 gesteuert/geregelt. Der Basissteuer/regelparameter ist der geforderte Luft-Lieferenddruck oder die geforderte Lieferluftströmungs rate. Die Geschwindigkeit, mit welcher jede der Stufen 10, 11 angetrieben ist, wird erhöht, um einen größeren Luftstrom zu ergeben, oder wird verringert, um einen niedrigeren Luftstrom zu ergeben. Die maximalen Drehgeschwindigkeiten sind auf Grundlage von mechanischen Überlegungen auf vorbestimmte Niveaus beschränkt. Die minimalen Geschwindigkeiten sind entweder vorbestimmt oder sind durch Messen der Liefertemperaturen einer jeden Stufe 10, 11 bestimmt. Wenn die Geschwindigkeit der Rotoren in irgend einer Stufe abnimmt, wird die Stufe weniger effizient und bewirkt, dass die Temperatur ansteigt. Wenn diese einen voreingestellten Maximalwert erreicht, wird der Verdichter 30 gestoppt oder über ein Einlassventil 15 entlastet.
Um einen optimalen Wirkungsgrad unter allen Zuständen aufrechtzuerhalten, werden die Geschwindigkeiten der einzelnen Verdichterstufen 10, 11 variiert, um verschiedene Faktoren zu kompensieren. Diese Faktoren umfassen Höhe, barometrischen Druck, Umgebungstemperatur und Kühlmitteltemperatur, Filterblockage und Abrieb. Herstellungsschwankungen in den Verdichterstufen 10, 11 werden ebenso kompensiert.
Diese Steuerung/Regelung wird erreicht durch fortwährendes Messen von Luftlieferdrücken und -temperaturen von jeder Stufe 10, 11, ebenso wie des Eingangsdrehmoments und der Geschwindigkeit zu jeder Stufe 10, 11. Geeignete Messvorrichtungen werden verwendet, um diese Parameter zu messen und Signale zu der elektronischen Steuer/Regeleinrichtung 33 zu übertragen. Die Motoren 31, 32 können Regelungsschleifen direkt zu der Steuer/Regeleinrichtung 33 aufweisen. Die Steuer/Regeleinrichtung 33 verarbeitet die Signale und setzt die Geschwindigkeit der Stufen 10, 11, um die gewünschte Lieferluftströmung und -druck zu erhalten. Dann führt die Steuer/Regeleinrichtung 33 unter Verwendung der zuvor beschriebenen Messungen geringe Einstellungen an den Stufengeschwindigkeiten aus, um den Energieverbrauch zu minimieren, die Arbeit zwischen den verschiedenen Stufen gleichmäßig auszugleichen und sichere Betriebstemperaturen aufrechtzuerhalten.
Obwohl die obige Beschreibung lediglich sich auf Luftverdichter bezieht, sollte verstanden werden, dass diese Erfindung auch für Verdichter für andere Gase verwendet werden kann.

Claims

Mehrstufen-Schraubenverdichter (30), umfassend: zwei oder mehr Verdichterstufen (10, 11), wobei jede Verdichterstufe ein Paar von Rotoren zum Verdichten eines Gases umfasst; zwei oder mehr Antriebsmittel (31, 32) mit veränderbarer Geschwindigkeit, wobei jedes Antriebsmittel (31, 32) mit veränderbarer Geschwindigkeit betreibbar ist, um eine jeweilige Verdichterstufe (10, 11) anzutreiben; und eine Steuer/Regeleinheit (33), welche Verarbeitungsmittel umfasst, die derart betreibbar sind, dass sie Signale verarbeiten, welche Betriebsparameter des Schraubenverdichters (30) anzeigen, sowie derart, dass sie die Geschwindigkeiten des Antriebsmittels (31, 32) mit veränderbarer Geschwindigkeit steuern/regeln, dadurch gekennzeichnet, dass: der Schraubenverdichter Überwachungsvorrichtungen umfasst, welche derart betreibbar sind, dass sie das Drehmoment und die Geschwindigkeit eines jeden der Antriebsmittel (31, 32) mit veränderbarer Geschwindigkeit überwachen, wobei die Steuer/Regeleinheit (33) derart betreibbar ist, dass sie die Geschwindigkeiten der Antriebsmittel (31, 32) mit veränderbarer Geschwindigkeit derart steuert/regelt, dass der Schraubenverdichter (30) Gas bei einer geforderten Strömungslieferrate und bei einem geforderten Druck bereitstellt, sowie dadurch, dass die Steuer/Regeleinheit (33) derart betreibbar ist, dass sie Signale verarbeitet, welche das Drehmoment und die Geschwindigkeit eines jeden der Antriebsmittel (31, 32) mit veränderbarer Geschwindigkeit anzeigen, sowie derart, dass sie die Geschwindigkeiten der Antriebsmittel (31, 32) mit veränderbarer Geschwindigkeit derart steuert/regelt, dass der Energieverbrauch des Schraubenverdichters (3) im Wesentlichen minimiert ist.
Schraubenverdichter (30) nach Anspruch 1, ferner umfassend Überwachungsvorrichtungen zum Überwachen der Liefertemperaturen des Gases bei jeder Verdichterstufe (10, 11).
Schraubenverdichter (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend wenigstens eine Überwachungsvorrichtung zum Überwachen der Umgebungstemperatur.
Schraubenverdichter (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Kühlmittel (16), welche zwischen benachbarten Verdichterstufen (10, 11) vorgesehen sind, sowie wenigstens eine Überwachungsvorrichtung zum Überwachen der Temperatur des Gases nach einem Durchgang durch das Kühlmittel (16).
Schraubenverdichter (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend wenigstens eine Überwachungsvorrichtung zum Überwachen des Lieferdrucks des Gases bei jeder Verdichtungsstufe (10, 11).