DE69205293T2

DE69205293T2 - Unrundes kreisendes Spiralelement zur Optimierung axialer Kräfte.

Info

Publication number: DE69205293T2
Application number: DE69205293T
Authority: DE
Inventors: David Karl Haller
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 1991-01-14
Filing date: 1992-01-09
Publication date: 1996-04-04
Anticipated expiration: 2012-01-10
Also published as: EP0495744B1; JPH0571479A; MX9200129A; KR960003021B1; ES2080471T3; DE69205293D1; KR920014524A; US5090878A; BR9200068A; EP0495744A1; JP2622050B2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Spiralelement und ein Verfahren zum Optimieren der Aussenform eines Spiralelementes für eine Spiralmaschine.
In einer Spiralvorrichtung umkreist ein Spiralelement ein zweites Spiralelement, das typischerweise fixiert ist. Jedes Spiralelement hat eine flache Platte oder ein Bodenteil und eine sich in axialer Richtung erstreckende spiralförmige Hülle. Idealerweise wirken die Spitzen der Hüllen von jeder Spirale mit dem Boden der anderen Spirale zusammen, und die Flanken der Hüllen der Spiralen wirken mit allen anderen zusammen, um eine Vielzahl von eingeschlossenen Volumina oder Kammern zu definieren, die Sichelform aufweisen. Die Sichelformen erstrecken sich je über ungefähr 360º und sind im allgemeinen symmetrisch, jedoch sind sie asymmetrisch bezüglich der Achse der fixierten Spirale. Die Enden der Sichelformen, die durch die Tangentenpunkte oder die Berührungspunkte zwischen den Flanken definiert sind, sind in dem Sinne transient, dass sie sich stetig gegen die Mitte der Hülle hin bewegen, während mit der Verkleinerung der eingeschlossenen Volumina oder Kammern fortgefahren wird bis sie an die Auslasspforten gelangen.
Während dem Komprimierungsvorgang treten eine Anzahl von Kräften in Erscheinung. Das zu komprimierende Gas wirkt gegen die Spiralelemente und neigt dazu, sie sowohl in radialer als auch in axialer Richtung zu trennen; weil jedoch ein Spiralelement fixiert ist, wird jegliche Bewegung auf die umlaufende Spirale begrenzt. Weil die Achse der umlaufenden Spirale bezüglich der Drehachse der Kurbelwelle exzentrisch angeordnet ist, sind die eingeschlossenen Volumina oder Kammern exzentrisch bezüglich der Achse der fixierten Spirale angeordnet, wie auch die dazu gehörenden Kräfte. Dazu gibt es auch systemeigene Inertial- und Reibungskräfte im Antrieb der umlaufenden Spirale. Um diese Kräfte zu kompensieren, wurde eine Vorbelastung durch einen Fluiddruck auf die hintere Seite der umlaufenden Spirale ausgeübt, um die axiale Komponente der Gaskräfte zu kompensieren, wobei die netto Kraft die festklemmende - oder Reaktionskraft ist, und das Lager, welches die Nabe der umlaufenden Spirale trägt, wurde derart angeordnet, dass das Drehmoment der tangentialen Komponente der Gaskräfte minimiert wird.
Weil die Undichtigkeit minimiert werden muss, um eine annehmbare Vorrichtung zu erhalten, muss die Vorbelastung durch den Fluiddruck, der auf die hintere Seite der umlaufenden Spirale ausgeübt wird, die entgegenstehenden Kräfte übersteigen, damit die Platte der umlaufenden Spirale durch eine positive, festklemmende kraft mit der gegenüberliegenden Struktur der fixierten Spirale in Kontakt gehalten wird. Die überhöhte festklemmende - oder Reaktionskraft, die benötigt wird, um die gewünschte Verbindung entlang der gesamten Betriebsumhüllenden aufrecht zu halten und die daraus resultierenden Reibungskräfte stellen eine zusätzliche Last für den Motor dar und beschleunigen die Abnutzung.
JP-A-1 003 201 repräsentiert Spiralelemente des zuvor erwähnten Typs gemäss dem Stande der Technik und offenbart ein Spiralelement gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1. Ein Verfahren zum Optimieren der Aussenform eines Spiralelementes gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 3 ist auch aus JP-A-1 003 201 bekannt. In JP-A-1 003 201 umfasst die bewegliche Spirale eine kreisförmige Aussparung, welche die radiale Ausdehnung der Spirale an einer Stelle verringert.
Weil die eingeschlossenen Volumina oder Kammern exzentrisch bezüglich der Achse der Kurbelwelle und der fixierten Spirale angeordnet sind, ändern ihre Gaskräfte zyklisch mit dem Kurbelwinkel. Diese zyklische Veränderung bedeutet, dass die radiale Lage der Reaktionskräfte auch mit dem Kurbelwinkel ändert. Deshalb gibt es anstelle einer Anforderung nach einer uniformen radialen Ausdehnung, wie sie z.B. eine kreisförmige Spiralplatte darstellt, lokalisierte Anforderungen nach grösseren und kleineren radialen Ausdehnungen. Indem die radiale Ausdehnung der Spirale an einer Stellt verringert wird, gibt es ein Abtragen von Material, wegen der reduzierten Kontaktfläche eine Verringerung der Reibung und eine Vergrösserung des verfügbaren Raumes. Wo die radiale Ausdehnung vergrössert wird, gilt das Umgekehrte, aber es ergibt sich jedoch eine grössere Stabilität der umlaufende spirale. Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, eine umlaufende Spirale zu schaffen, die eine erhöhte Stabilität hat und durchschnittlich, über Alles betrachtet, verringerte festklemmende - oder Reaktionskräfte hat.
Eine andere Aufgabe dieser Erfindung ist es, die Kontaktabnutzung der Bestandteile und die Reibung in Spiralkompressoren zu verringern, indem die gesamte festklemmende - oder Reaktionskraft verringert wird.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, aus räumlichen Gründen den Spiralboden einer axial nachgiebigen, umlaufenden Spirale zu optimieren.
Um dies zu erreichen, ist das Spiralelement nach der Erfindung durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 gekennzeichnet, und die Erfindung liefert ein Verfahren gemäss dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 3.
Gemäss der Erfindung hat die Platte oder der Spiralteil des Spiralelementes einen variierenden Radius, r, der bezüglich der Achse der zweiten Spirale gemäss der Beziehung
r = (Ffgtl)/(Fp-Fga)
variiert, wo
Fgt die tangentiale Gaskraft ist, die in einer der Richtung der Umlaufbahn entgegengesetzten, parallelen Richtung wirkt,
l eines axiale Distanz zwischen der Mitte der Hüllenhöhe und dem axialen Mittelpunkt des Nabenlagers ist, der Ort, von dem angenommen wird, dass bei ihm die entsprechende tangentiale Gaskraft und die entsprechende entgegengesetzte Reaktionskraft des Lagers angeordnet sind,
Fp die axiale Federkraft ist, und
Fga die axiale Gaskraft ist.
Im Grunde genommen erzeugen die axialen Kräfte, die während dem Betireb auf die umlaufende Spirale eines Spiralkompressoren einwirken, eine resultierende oder festklemmende Kraft. Die resultierende Kraft erfordert einen bestimmten Radius, um ein dynamisches Gleichgewicht zu erreichen, und dieser Radius variiert mit dem Kurbelwinkel. Die flache Platte oder der Bodenteil der umlaufenden Spirale ist derart konfiguriert, dass darauf durch die resultierende Kraft eingewirkt werden kann, indem der Radius der Spiralplatte in der selben Art und Weise variiert wird wie der Radius des Ortes der resultierenden Kraft für die gesamte Betriebsumhüllenden, die betrachtet wird.
Die Figuren 1-4 sind schematische Ansichten, die nacheinander die relativen Lagen der Hüllen bei 90º Intervallen im Kurbelwinkel des Umlaufs darstellen;
Figur 5 ist eine Ansicht von oben auf eine umlaufende Spirale, die nach den Lehren der vorliegenden Erfindung gemacht wurde;
Figur 6 ist ein vertikaler Schnitt durch die Spiralen eines Spiralkompressors, der die vorliegende Erfindung verwendet;
Figur 7 ist eine horizontale Ansicht der Kräfte, die auf die umlaufende Spirale wirken;
Figur 8 ist ein vertikaler Schnitt der umlaufenden Spirale der vorliegenden Erfindung, welcher die darauf einwirkenden Kräfte zeigt;
Figur 9 ist ein Beispiel eines Ausdrucks des Moments gegen den Kurbelwinkel;
Figur 10 ist ein Beispiel eines Ausdrucks der Reaktionskraft gegen den Kurbelwinkel;
Figur 11 ist ein Beispiel eines Ausdrucks des Kammerdruckes gegen den Kurbelwinkel für drei unterschiedliche Punkte oder Bedingungen der Betriebsumhüllenden;
Figur 12 ist ein Beispiel eines Ausdrucks des Radius, r, gegen den Kurbelwinkel;
Figur 13 ist eine Überlagerung der Figur 7 über Figur 5; und
Figur 14 ist ähnlich wie Figur 5, ausser dass es nur einen Bereich mit vergrössertem Radius hat.
In den Figuren 1-4 bezeichnet die Zahl 20 im allgemeinen die fixierte Spirale, die eine Hülle 22 hat, und die Zahl 21 bezeichnet im allgemeinen die umlaufende Spirale, die eine Hülle 23 hat. Die mit A-M und 1-12 markierten Kammern zeigen je in Serie die Schritte des Ansaugens, Komprimierens und Entladens, wobei die Kammer M die gemeinsame Kammer ist, die beim Entladen oder Auslass 25 gebildet wird, wenn die Vorrichtung als Kompressor betrieben wird. Es ist festzustellen, dass die Kammern 4-11 und D-K alle die Form eines spiralförmigen Halbmondes oder einer Sichel mit einer Ausdehnung von ungefähr 360º haben, wobei die zwei Enden Punkte von Linienkontakt oder Punkte von minimalem Abstand zwischen den Hüllen der Spiralen sind. Wenn zum Beispiel der Punkt X in Figur 1 den Punkt eines Linienkontakts oder den Punkt von minimalem Abstand zwischen den Kammern 5 und 9 darstellt, ist es offensichtlich, dass bei diesem Punkt eine Neigung zu Undichtigkeit von der Kammer 9 mit hohem Druck zur Kammer 5 mit tieferem Druck besteht, und dass jegliche Undichtigkeit einen Verlust oder eine Unzulänglichkeit darstellt. Um die Verluste aus Undichtigkeiten zu minimieren, ist es üblicherweise nötig, minimale Toleranzen einzuhalter, einen starren mechanischen Abschluss an der Spitze zu verwenden, mit grosser Geschwindigkeit zu arbeiten und/oder eine Vorbelastung durch einen Fluiddruck zu schaffen. Wiederum kann in Bezug auf die Figuren 1-4 festgestellt werden, dass insofern eine Symmetrie besteht, als die Kammern 1-14 den Kammern A-L entsprechen mit dem Unterschied, dass sie auf gegenüberligenden Seiten der Hüllen 22 und 23 sind. Es ist jedoch festzustellen, dass die Kammern 1-12 und A-L nicht symmetrisch angeordnet sind in Bezug auf die Achse der fixierten Spirale, die durch den Schnittpunkt der vertikalen und horizontalen unterbrochenen Linien im Auslass 25 dargestellt ist. Weiter sollte bemerkt werden, dass die Kammern A-C und 1-3 den Saugdruck aufweisen, so dass sie kein unter Druck stehendes Gas enthalten, das gegen die Spiralen 20 und 21 wirkt und dazu neigt, sie zu trennen. Die kammern 4 und D befinden sich gerade am Anfang des Kompressionsvorgangs, so dass sie nominell Saugdruck aufweisen und kein unter Druck stehendes Gas enthalten, das dazu neigt, die Spiralen 20 und 21 zu trennen. Somit sind die Kammern E-M und 5-12 die einzigen, die unter bedeutendem Druck stehendes Gas enthalten, das dazu neigt, die Spiralen 20 und 21 zu trennen. Wiederum in Bezug auf die Figuren 1-4 und unter der Feststellung, dass die Kammern 1- 12 und A-L nicht symmetrisch angeordnet sind bezüglich der Achse, kann weiter festgestellt werden, dass die Schwerpunkte dieser Kammern exzentrisch zu der Achse liegen, zusammen mit den damit zusammenhängenden Gaskräften.
In Bezug nun auf Figur 5 kann festgestellt werden, dass die äussere Konfiguration der umlaufenden Spirale einen variierenden Abstand zur Achse aufweist, die durch den Schnittpunkt der horizontalen und vertikalen Achse dargestellt wird. Wo die Aussenlinie der Platte einer konventionellen kreisförmigen umlaufenden Spirale von der Platte 110 der Spirale der vorliegenden Erfindung abweicht, wird dies in unterbrochenen Linien in Figur 5 gezeigt, und die Differenz zwischen den unterbrochenen und ausgezogenen Linien repräsentiert das hinzugefügte oder entfernte Material. Um das Gravitationszentrum der umlaufenden Spriale 21 beizubehalten, kann ein Gegengewicht 90 und/oder Bohrlöcher (nicht dargestellt) vorgesehne werden um die Zunahme oder den Verlust an Material zu kompensieren, die oder der nötig ist, um den Boden oder die Platte 110 der umlaufenden Spirale zu konfigurieren.
In der Figur 6 bezeichnet die Zahl 100 imn allgemeinen einen luftdichten Spiralkompressor. Ein unter Druck stehendes Fluid, typischerweise eine Mischung aus Entlade- und Zwischendruck, wird über die Ausströmlöcher 28 und 29 zu der ringförmigen Kammer 40 geliefert, die durch die Hinterseite der umlaufenden Spirale 21, die ringförmigen Dichtungen 32 und 34 und das Kurbelgehäuse 36 definiert wird. Das unter Druck stehende Fluid in Kammer 40 wirkt so, dass es die umlaufende Spirale 21 in Berührung mit der fixierten Spirale 20 hält, wie dies dargestellt ist. Die Fläche der Kammer 40, welche die Hinterseite der umlaufenden Spiral 21 berührt, und der Druck in der Kammer 40 bestimmen die Federkraft, welche auf die umlaufende Spirale 21 ausgeübt wird. Insbesondere werden die Spitzen der Hüllen 22 und 23 die entsprechenden Böden der Spiralen 21 und 20 berühren, und der äussere Teil des Bodens oder der Plattenteil 110 der umlaufenden Spirale 21 berührt wegen der vorbelastenden Wirkung des Druckes in der Kammer 40 die äussere Oberfläche 27 der fixierten Spirale 20. Wie üblich wird die umlaufende Spirale 21 durch eine Oldhamkupplung in umlaufender Bewegung gehalten. Die umlaufende Spirale 21 hat eine Nabe 26, die im Lager 52 aufgenommen wird und durch die Kurbelwelle 60 angetrieben wird, was üblich ist. Die Kurbelwelle 60 dreht sich um ihre Achse Y-Y, welches auch die Achse der fixierten Spirale ist, und die umlaufende Spirale 21, welche die Achse Z-Z hat, läuft um die Achse Y-Y herum.
In der Figur 7 ist Y die Punktdarstellung der Achse Y-Y der Kurbelwelle 60 und der fixierten Spirale 20, und Z ist die Punktdarstellung der Achse Z-Z der umlaufenden Spirale 21. Die Distanz zwischen Y und Z ist sowohl der doppelte Kurbelradius der Kurbelwelle 60 als auch der Umlaufradius der umlaufenden Spirale 21. Der Windel θ ist der Kurbelwinkel, und wird willkürlich dargestellt als Mass von einer horizontalen Referenzlinie. Die tangentiale Gaskraft Fgt wirkt an einem Punkt in der Mitte zwischen Y und Z und in einer Richtung entgegen der Umlaufrichtung. Die axiale Gaskraft Fga wirkt auch an einem Punkt in der Mitte zwischen Y und Z, aber in einer Richtung parallel zu den Achsen Y-Y und Z-Z (in das Papier hinein). Die festklemmende oder Reaktionskraft, Fr, wirkt in einer Richtung parallel zu den Achsen Y-Y und Z-Z (in das Papier hinein) und unter einem vom Kirbelwinkel abhängigen Radius, r, vom Punkt Z und der Ebene, die durch Y-Y und Z-Z definiert wird, entfernt. Die Reaktionskraft, Fr, stammt vom äusseren Teil des Bodens oder des Plattenteils 110, welcher wegen der vorbelastenden Wirkung des Druckes in der Kammer 40 die äussere Oberfläche 27 der fixierten Spirale 20 berührt. Mit Bezug nun auf die Figur 8 bemerkt man, dass die Reaktionskraft, Fr, unter einem vom Kirbelwinkel abhängigen Radius, r, wirkt. Die Gaskraft hat eine tangentiale, Fgt, und eine axiale, Fga, Komponente. Die Tasche 40 ist kreisförmig, so dass die axiale Federkraft, Fp, im allgemeinen axial entlang der vertikalen Achse Z-Z der umlaufenden Spriale 21 ist. Von der tangentialen Gaskraft, Fgt, wird angenommen, dass sie in der Mitte der Höhe der Hülle angeordnet ist und einer Reaktionskraft, F'gt, des Lagers entgegengerichtet ist, welche durch das Lager 52 bei einer axialen Distanze, l, vom Ort der Kraft Fgt entfernt gelierfert wird. Der Radius der Platte oder des Bodens 110 der umlaufenden Spirale 21 ist R und variiert, wie in der Figur 5 dargestellt. Der Radius r variiert ebenfalls und ist immer kleiner oder gleich R in einer stabilen Vorrichtung.
Für eine Spirale, die bei irgend einem Punkt der Betriebsumhüllenden betrieben wird, existiert ein Moment auf der umlaufenden Spirale. Das Moment ist gleich Fgtl und variiert mit dem Kurbelwindel, wie in der Figur 9 dargestellt wird. Fgt ist ein instantaner Wert und l wird so weit als möglich minimiert. Somit dann die Kurve vertikal verschoben werden ohne ihre Form zu ändern. Von der Reaktionskraft, F'gt, des Lagers, wird angenommen, dass sie ungefähr gleich gross ist wie Fgt, aber zusätzliche Reibungskräfte machen sie grösser und erfordern zusätzliche Motorenleistung. Diesem Moment muss jedoch jederzeit entgegengewirkt werden, sonst wird die umlaufende Spirale vibrieren. Dem Moment wird entgegengewirkt, indem eine nach oben gerichtete axiale (federnde) Druckkraft, fp, geliefert wird, welche die Spiralen zusammenhält und eine netto Reaktionskraft, Fr, übrig läßt, die bei einem Radius r wirkt und jederzeit das entgegenwirkende Moment erzeugt. Mit Bezug nun auf die Figur 10, hängen Fp, und deshalb Fr, von der Fläche und dem Druck in der Kammer 40 ab. Der Druck ist abhängig von den Ausströmlöcher 28 und 29 in der umlaufenden Spirale 21, wie in Figur 5 dargestellt, die Druck in die Kammer 40 liefern. Die Auftragungen des Kammerdruckes gegen den Kurbelwinkel in der Figur 11 für drei Punkte der Betriebsumhüllenden zeigen den während dem gesamten Kompressionsvorgang, der ungefähr 950º Kurbeldrehung erfordert, verfügbaren Druck. Somit kann in Figur 10 die Kurve für Fr, (Fp-Fga), nach oben oder nach unten verschoben werden, abhängig davon, ob mehr oder weniger Kraft gewünscht wird. Ein erhöhtes Fr bedeutet auch mehr Reibungsleistung.
In Bezug nun auf Figur 12, nehmen wir zuerst einen uniformen Radius, R, der umlaufenden Spirale 21 mit einer Länge von 8.9 cm (3.5 inches) an, dem gewählten Konstruktionsradius der Platte 110 der umlaufenden Spirale 21. Wenn man r, den Radius, der benötigt wird, um die nötige Reaktionskraft, Fr, zu festzulegen, aufträgt, sieht man, dass zwischen einem Kirbelwinkel von 240º und 360º ein ungenügender Radius vorhanden ist, um nach Multiplikation mit Fr Werte zu erhalten, die dem Moment entgegenwirken können, weil r> 8.9 cm (3.5 inches) ist. Dies ist auch in Figur 13 dargestellt, wo bei einem Kurbelwinkel θ von ungefähr 260º, der Radius r, der benötigt wird, um Fr festzulegen, ausserhalb des uniformen Radius von 8.9 cm (3.5 inches) fällt, der durch die unterbrochenen Linien angegeben wird; dabei sind Y, Z, θ und Fr definiert wie in Figur 7. Somit wird im Intervall zwischen einem Kirbelwinkel von 240º und 300º ein Fehlbetrag an Moment vohanden sein, was durch die unterbrochene Linie der Figur 9 dargestellt ist. Die umlaufende Spirale 21 wird unter diesen Bedingungen vibrieren. Wiederum in Bezug auf Figur 12 kann festgestellt werden, dass zwischen 0º und 220º sowie zwischen 320º und 360º das erforderliche r durchgehend kleiner als die vorgesehenen 8.9 cm (3.5 inches) ist.
Wie oben festgestellt wurde, kann der Ort der Ausströmlöcher 28 und 29 sowie die Fläche der Kammer 40 verändert werden, um die Kurve der Figur 10 nach erhöhten Wereten von Fr hin zu verschieben, was kleinere r Werte erforderlich machen würde. Dies erhöht jedoch die Reibung und den Wattverbrauch des Motors. Als Alternative dazu können wir den radius der Platte oder des Bodens 110 der umlaufenden Spirale 21 vergrössern, wie in den Figuren 5 und 13 gezeigt, um die Anforderungen an einen vergrösserten Radius zwischen den Kurbelwinkeln von 240º bis 300º erfüllen. Ebenfalls kann, wie in den Figuren 5 und 13 dargestellt, der Radius an Orten verkleinert werden, wo der grössere Radius nicht erforderlich ist, wie zwischen 0º und 220º sowie zwischen 320º und 360º, oder zutreffender, um das Auswuchten zu erleichtern, an Orten ungefähr 180º gegenüber den Orten wo der Radius vergrössert wurde.
Es ist nötig, alle Extrempunkte der beabsichtigten Betriebsumhüllenden des Kompressors zu betrachten, wie am Beispiel der Grafiken der Figur 11 erläutert wird, sowie zusätzlich mehrere Schätzwerte innerhalb der Umhüllenden. Danach kann eine "beste Anpassung" der Form der umlaufenden Spirale für einen bestimmten Entwurf erhalten werden. Die Vorteile sind: (1) eine tiefere Kurve von Fr (Figur 10) fUur alle Punkte der Konstruktion; (2) reduzierte Reibungsleistung; und (3) zusätzlichen Raum für andere Bestandteile dort, wo das Material entfernt wird.
Wiederum in Bezug auf Figur 8 Hängen alle Variablen ausser 1 von der Zeit (Kirbelwinkel) ab. Inertial- und Reibungskräfte werden vernachlässigt, und es werden die folgenden Annahmen gemacht: (1) Fgt und F'gt sind im wesentlichen gleich; Fp> Fga jederzeit, oder die Spiralen 20 und 21 werden sich trennen; und (3) Fp und Fga wirken grösstenteils in einer Ebene, die durch die Achsen Y-Y und Z-Z definiert wird, und im allgemeinen parallel zu der vertikalen Achse/Mittellinie der umlaufenden Spirale 21 (Achse Z-Z).
Weil Fgt F'gt, ΣFx = 0
Für ΣFz gleich 0, Fp = Fr + Fga oder Fr = Fp - Fga
Für ΣMomente gleich 0, Fgtl = Frr
r = (Fgtl)/Fr = (Fgtl)/(Fp - Fga)
Weil Fgt, Fp und Fga alle vom Kirbelwinkel (Zeit) abhängen, hängt auch der Wert von R, der nötig ist um die Reaktionskraft Fr bei einem Radius r festzulegen, vom Kurbelwinkel ab. Wie dargelegt, muss andrerseits R grösser sein als r, um die Reaktionskraft Fr korrekt festzulegen, aber jenseits eines Sicherheitsfaktors gilt für jegliches überschüssiges R über r hinaus: (1) es erzeugt unerwünschte Reibungskräfte und Abnutzung, wie oben beschrieben; (2) es verschwendet Raum; und (3), es bedeutet, dass Fp-Fga oder Fr zu gross ist und deshalb zusätzliche Reibung erzeugt. Die endgültige Verteilung von R hängt jedoch von der Analyse von allen Punkten der Umhüllung ab, an denen beabsichtigt ist, die vorrichtung zu betreiben.
Wenn man mit den entworfenen und/oder berechneten Werten von Fgt, Fga und Fp bei allen Kurbelwinkeln für alle beabsichtigten Betriebsbedingungen einer axial nachgiebigen Spiraleinrichtung beginnt, kann die Form des Bodens 110 der umlaufenden Spirale optimiert werden, indem zuerst in einem konstanten Referenzradius R, wie dem 8.9 cm (3.5 inches) Radius, der in Figur 12 angegeben ist, entworfen wird. Unter Berücksichtigung aller Kurbelwinkel für alle beabsichtigten Betriebsbedingungen wird Material zugefügt oder entfernt werden (d.h., R wird bergrössert oder verkleinert werden) gemäss der vorgeschriebenen Beziehung
r = (Fgtl)/(Fp - Fga)
Zusätzlich wird ein Sicherheitsfaktor oder eine Sicherheitsdistanz, δ, miteingeschlossen, so dass für alle Kirbelwinkel und für alle beabsichtigten Betriebsbedingungen R-r ≥ δ gilt. Die endgültige Konfiguration ist vorzugsweise eine geglättete Kurve. Im allgemeinen ist r jedoch konstant, wie in der Figur 12 bemerkt, ausser für Kurbelwinkel zwischen 220º und 340º, und nur im Bereich zwischen 240º und 300º ist r grösser als 8.9 cm (3.5 inches), womit die resultierende Form im wesentlichen für über 240º konstant sein wird und einen vergrösserten Radius über einen Bereich von 60º bis 120º aufweisen wird. Demzufolge kann die endgültige Form aus einem verzerrten Kreis bestehen, der einen kleinen Abschnitt mit vergrössertem Radius und den Rest mit einem im allgemeinen gleichförmigen Radius, wie in Figur 14 dargestellt und mit 121 markiert, aufweist. Weil der vergrösserte Radius Raum wegnimmt, der sonst zum Anordnen von Kabeln, Sensoren, etc. gebraucht werden könnte, wie am Besten in der Figur 5 dargestellt ist, ist die umlaufende spirale 21 mit einem nominellen Radius von 8.9 cm (3.5 inches) versehen und mit einem Bereich von nominell 90º mit vergrössertem Radius. Zusätzlich wird im diagonal gegenüberliegenden Abschnitt Material entfernt, um die Reibung zu verringern und mehr Raum zu schaffen, wie oben bemerkt wurde. Der diagonal gegenüberliegende Ort wird bevorzugt, um das Auswuchten zu erleichtern, aber wenn nötig kann der Teil mit verkleinertem Radius auch anderswo angeordnet werden.

Claims

1. Spiralelement einer Spiralmaschine (100), die ein erstes (20) und zweites (21) Spiralelement hat sowie eine Kurbelwelleneinrichtung (60), die ausgebildet ist, sich um eine Achse (Y-Y) zu drehen und das zweite spiralelement (21) derart auf einer umlaufenden Bewegung bezüglich dem ersten Spiralelement (20) anzutreiben, dass die Achse (Z-Z) des zweiten Spiralelementes (21) um die Achse (Y-Y) der Kurbelwelleneinrichtung (60) läuft,

wobei das erste und zweite spiralelement (20, 21) in einem Kompressionsvorgang zusammenwirken um ein Gas zu komprimieren, wobei das Gas vom Kompressionsvorgang abhängige Gaskräfte erzeugt, welche eine axiale Gaskraft (Fga) umfassen, die auf das erste und zweite Spiralelement (20, 21) wirkt und dazu neigt, sie zu trennen, und eine tangentiale Gaskraft (Fgt), die Widerstand beim Antreiben des zweiten Spiralelements (21) erzeugt,

und wobei das zweite Spiralelement (21) eine Platte (110) aufweist, die eine erste und zweite Seite definiert, eine spiralförmige Hülle (23), welche von der ersten Seite ausgeht, eine Nabe (26), die von der zweiten Seite ausgeht und ausgebildet ist, um von einem Lager (52) getragen zu werden, und eine Einrichtung (40), um eine axiale Federkraft auf die zweite Seite auszuüben,

dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (110) einen variierenden Radius, r, hat, der bezüglich der Achse (Z-Z) des zweiten Spiralelementes (21) gemäss der Beziehung

r = (Fgtl)/(Fp - Fga)

variiert, wobei

Fgt die tangentiale Kraft ist, die in einer Richtung parallel und entgegengesetzt der Richtung der Umlaufbahn wirkt,

l die axiale Distanz zwischen der Mitte der Hüllenhöhe und dem axialen Mittelpunkt des Nabenlagers (52) ist, wobei angenommen wird, dass die tangentiale Gaskraft (Fgt) und die entgegengesetzte Reaktionskraft des Lagers (F'gt) entsprechend angeordnet sind,

Fp die axiale Federkraft ist, und

Fga die axiale Gaskraft ist.

2. Spiralelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der variierende Radius (r) in zwei Abschnitten, die insgesamt mindestens 180º ausmachen, uniform ist, wobei die zwei Abschnitte durch zwei im allgemeinen diametral gegenüberliegende Abschnitte getrennt sind, von denen der eine einen grösseren Radius aufweist als die uniformen Abschnitte und der andere einen kleineren Radius als die uniformen Abschnitte.

3. Verfahren zum Optimieren der Umfangsform eines Spiralelementes (21) einer spiralmaschine (100), die ein erstes (20) und zweites (21) Spiralelement hat sowie eine sich drehende Kurbelwelleneinrichtung (60), die ausgebildet ist, um dadurch, dass sie sich um eine Achse (Y-Y) dreht, das zweite Spiralelement (21) derart auf einer umlaufenden Bewegung bezüglich dem ersten Spiralelement (20) anzutreiben, dass die Achse (Z-Z) des zweiten Spiralelementes (21) um die Achse (Y-Y) der Kurbelwelleneinrichtung (60) läuft,

wobei das erste und zweite Spiralelement (20, 21) in einem Kompressionsvorgang zusammenwirken, der sich über eine Vielzahl von Umdrehungen der Kirbelwelleneinrichtung (60) erstreckt, um ein Gas zu komprimieren, wobei das Gas vom Kompressionsvorgang abhängige Gaskräfte erzeugt, welche eine axiale Gaskraft (Fga) umfassen, die auf das erste und zweite Spiralelement (20, 21) wirkt und dazu neigt, sie zu trennen, und eine tangentiale Gaskraft (Fgt), die Widerstand beim Antreiben des zweiten Spiralelementes (21) erzeugt, wobei der Kompressionsvorgang in einer Betriebsumhüllenden stattfindet, die einen gesamten Bereich von zulässigen Betriebsbedingungen der Konstruktion definiert,

und wobei das zweite Spiralelement (21) einen Bodenteil 110 definiert, der eine erste undweite Seite hat, eine spiralförmige Hülle (23), welche sich von der ersten Seite an erstreckt, eine Nabe (26), die sich von der zweiten Seite an erstreckt und bezüglich der Kurbelwelleneinrichtung (60) von einem Lager (52) getragen wird, und eine Einrichtung (40), um eine axiale Federkraft auf die zweite Seite auszuüben, und wobei der Bodenteil (110) einen konstanten Referenzradius R bezüglich der Achse (Z-Z) des zweiten Spiralelementes (21) der gegegenen gesamten Betriebsumhüllenden hat,

dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte umfasst:

die Grössen der tangentialen Gaskraft Fgt, die in einer Richtung parallel und entgegengesetzt zur Richtung der Umlaufbahn wirkt, der axialen Gaskraft Fga, und der axialen Federkraft, Fp, für jeden Punkt in der Betriebsumhüllenden zu bestimmen;

alle Kurbelwinkel bezüglich der Drehung der Kurbelwelleneinrichtung (60) zu berücksichtigen und einen vom Kurbelwinkel abhängigen Radius, r, bezüglich der Achse (Z-Z) des zweiten Spiralelementes (21) zu bestimmen, angenähert gemäss der Beziehung

r = (Fgtl)/(Fp - Fga)

wo l die axiale Distanz zwischen der Mitte der Hüllenhöhe und dem axialen Mittelpunkt des Nabenlagers (52) ist, wo angenommen wird, dass die tangentiale Gaskraft (Fgt) und die entgegengesetzte Reaktionskraft des Lagers (F'gt) entsprechend angeordnet seien,

eine Sicherheitsdistanz δ bestimmen; und

R in einer solchen Art und Weise zu verändern, dass für alle Kurbelwinkel und für alle vorgesehenen Betriebsbedingungen R-r ≥ δ gilt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter den Schritt des Glättens der Form des Bodenteils (110), die vom Verändern von R herrührt, umfasst.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass R nur verändert wird, wo es vergrössert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass R nur verändert wird, wo es vergrössert wird, und in einer im wesentlichen diametral gegenüberliegenden Region, wo es verkleinert wird.