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Bei
Zwillingsrotorschraubenkompressoren ist der Druckgradient während des
Betriebs normalerweise in eine Richtung, so dass Fluiddruck tendenziell
die Rotoren hin zu der Ansaugseite drängt. Die Rotoren sind herkömmlicherweise
in Lagern an jedem Ende angebracht, um so sowohl für radialen
als auch für
axialen Halt zu sorgen. Der Endspielraum der Rotoren an der Auslassseite
ist kritisch gegenüber
Abdichtung, und der Fluiddruck neigt dazu, den Spielraum zwangsweise
zu öffnen.
Außerdem
neigen die axialen Kräfte
dazu, das Ansaugende der Rotoren in das Gehäuse zu treiben, was die Rotoren
beschädigen
kann, wenn zugelassen wird, dass ein Kontakt zwischen dem/den Rotor(en)
und dem Gehäuse
auftritt. Die Notwendigkeit von Lagern, insbesondere Drucklagern
(Widerlagern), trägt
wesentlich zu den Kosten bei, verkompliziert die Herstellung/den Zusammenbau
und fügt
Wartungsanforderungen hinzu.
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US 1 218 602 beschreibt
einen Schraubenkompressor mit Druckkammern, die mit dem Kompressorauslass
verbunden sind. Anspruch 1 ist gegen diese Offenbarung abgegrenzt.
US 5 207 568 offenbart einen
Schraubenkompressor mit einer Schubkraftkompensierung.
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Die
vorliegende Erfindung sieht ein Schubabstützsystem vor, um Gegenkräfte zu erzeugen, um
die Schubkräfte
an Schraubenrotoren sowohl an der Ansaug- als auch der Auslassseite auszugleichen.
Das Schubabstützsystem
umfasst eine Ausgleichsscheibe (oder einen Kolben) mit einer einstufigen
oder mehrstufigen Labyrinthdichtung, die an ihrem (seinem) außenseitigen
Durchmesser eingearbeitet ist. Der Kolben ist an dem Rotoreinlasswellenende
angebracht und durch eine selbst sichernde Schraube fixiert. Das
Kompressoreinlassgehäuse
ist dazu ausgelegt und dazu bearbeitet, einen einstufigen oder mehrstufigen
Zylinder für
den Kolben vorzusehen. Der Zylinder ist durch eine Platte abgedeckt, die
angeschraubt und durch einen O-Ring oder dergleichen abgedichtet
ist, um eine eingeschlossene Kammer mit lediglich einem Strömungsleckageweg durch
die Labyrinthdichtungen zu bilden. Die Abdeckplatte hat ein Gewindeloch oder
eine angeflanschte Verbindung zu einem Rohr, das über Gewinde
oder einen Flansch mit der Gehäuseauslassseite
verbunden ist. Ein Loch ist durch die Gehäuseauslasswand gebohrt, um
das Rohr mit dem Rotorauslassbereich derart zu verbinden, dass Hochdruckgas
zu der Hochdruckseite des Kolbens strömt. Ein oder mehrere Löcher sind
in das Kompressoreinlassgehäuse
gebohrt, um den Rotoreinlassbereich mit der Niederdruckseite des
Kolbens zu verbinden. Auf eine solche Weise wird ein vollständiger Strömungszirkulationsweg
gebildet, und die Strömungsrate
wird durch die Auslegung (das Design) gesteuert, um Labyrinthdichtungsleckage
und Druckabfall anzupassen. Alternativ kann der Strömungsweg durch
eine Reihe von internen Ausnehmungen in dem Gehäuse, die sich kreuzen und die
geeignete Stopfen haben, um Leckage zu vermeiden, ausgeführt sein.
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Der
Schub auf die Rotorauslassseite wird durch die Kraft von der Hochdruckseite
des Kolbens durch korrektes größenmäßiges Anpassen
der Hochdruckfläche
des Kolbens ausgeglichen. Der Schub auf die Rotoreinlassseite wird
durch die Kraft von der Niederdruckseite des Kolbens durch korrektes
größenmäßiges Anpassen
der Niederdruckfläche
des Kolbens ausgeglichen. Der resultierende Schub des Kompressorrotors
kann für
jedes gegebene Einlass- und
Auslassdruckniveau vollständig
ausgeglichen oder kontrolliert werden.
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Das
Schubabstützsystem
kann auch dazu verwendet werden, den Rotorschub hin zu der Rotorauslassseite
mit einem erwünschten
Kraftbetrag umzukehren. Diese Kraft versetzt den Rotor axial gegen
die Gehäuseauslassendewand.
Für eine Öl-geflutete
Anwendung würden
die Rotorauslassendeoberflächen
mit einer in das Ende jedes Rotors ausgebildeten Schrägflächen-Geometrie
(Taper-Land-Geometry) ausgebildet. Die Schrägflächen-Schubbereiche (taper land
thrust areas) erzeugen einen hydrodynamischen Ölfilm, um benachbarte Oberflächen während der
Rotorrotation zu trennen. Für
eine ölfreie
Anwendung wird eine abreibbare Beschichtung zu dem Zweck, zwei sich
entsprechende Oberflächen
zu bilden, auf die Rotorauslassendeoberfläche aufgebracht. In beiden
Fällen
hat die Maschine einen sehr kleinen Laufspielraum zwischen der Rotorauslassoberfläche und
der Gehäuseendwand.
Dieser enge Spielraum reduziert Leckage und verbessert die Effizienz.
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Das
Schubabstützsystem
kann entweder in dem männlichen
Rotor, dem weiblichen Rotor oder beiden Rotoren für einen
vorgegebenen Schraubenkompressor verwendet werden.
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Es
ist eine Aufgabe dieser Erfindung, Schubbelastungen in einem Schraubenkompressor
auszugleichen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, die Notwendigkeit von
Drucklagern in einem Schraubenkompressor zu eliminieren.
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Es
ist eine weitere Aufgabe, die mit Drucklagern verbundenen mechanischen
Verluste zu reduzieren und dadurch die Kompressoreffizienz zu verbessern.
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Es
ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein kompakteres Schraubenkompressordesign
bereitzustellen.
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Es
ist eine zusätzliche
Aufgabe dieser Erfindung, die Positionierung von Schraubenrotoren
gegen die Auslassendewand zu ermöglichen,
um für
einen Null-Lauf-Spielraum zwischen der Rotorendeoberfläche und
der Gehäuseendwandoberfläche zu sorgen.
Diese Aufgabe und andere, wie sie hierin im Anschluss ersichtlich
werden, werden durch die vorliegende Erfindung gelöst. In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung wird eine Schraubenmaschine, wie
sie in Anspruch 1 beansprucht ist, vorgesehen.
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Im
Wesentlichen wird der Wellenbereich eines Schraubenrotors axial
belastet, um die Schubbelastung des Schraubenrotors aufgrund von
Kräften, die
auf den Schraubenrotor durch Fluid ausgeübt werden, das komprimiert
wird, und die den Schraubenrotor tendenziell vom Auslass hin zur
Ansaugung bewegen, auszugleichen.
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1A–F zeigen
unverkleidete Schraubenrotoren und veranschaulichen sequenziell
die Bewegung eines eingeschlossenen Volumens zwischen Ansaugausschnitt
und Auslass;
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2 ist
eine teilweise geschnittene Ansicht einer Schraubenmaschine, die
die vorliegende Erfindung einsetzt;
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3 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines Teils des Ansaugendes der Schraubenmaschine aus 2;
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4 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines Bereichs des Auslassendes der Schraubenmaschine aus 2;
und
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5 ist
eine Auslassende-Ansicht der Rotoren aus 4.
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In 1A–F gibt
das Bezugszeichen 20 den unverkleideten männlichen
Rotor an, und das Bezugszeichen 21 gibt den unverkleideten
weiblichen Rotor der Schraubenmaschine 10 wieder. Ein axialer Ansauganschluss 14 befindet
sich in der Endwand 15, und ein axialer Auslassanschluss 16 befindet
sich in der Endwand 17. Die Punktierung in den 1A–F gibt
das eingeschlossene Volumen von Kühlmittel an, beginnend bei
dem Ausschnitt des Ansauganschlusses 14 in 1A und
fortschreitend zu einem Punkt knapp vor der Verbindung mit dem axialen
Auslassanschluss 16 in 1F. Mit
der Ausnahme von 1A, wo das eingeschlossene Volumen
im Wesentlichen bei Ansaugdruck ist, übt das eingeschlossene Volumen
eine axiale oder Schubbelastung nur auf die Endwand 17 aus.
Wenn das eingeschlossene Volumen von der Position in 1A zu
der Position in 1F fortschreitet, nimmt das
eingeschlossene Volumen ab mit einem entsprechenden Anstieg bei der
axialen oder Schubbelastung auf die Endwand 17. Die Schubbelastung
separiert die Rotoren 20 und 21 tendenziell von
der Endwand 17, und die Separierung würde für einen Leckdurchgang zwischen
allen eingeschlossenen Volumina und Auslassanschluss 16 sorgen,
wie aus den 1A–F klar wird. Wie oben angemerkt,
wird diese Schubbelastung normalerweise durch Drucklager aufgenommen.
Das ebenfalls übertragene
US-Patent 5 722 163 behandelt einige der Schwierigkeiten bei der
Begrenzung von Leckage, wenn Drucklager verwendet werden.
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In 2 wurde
die Struktur gleich beschriftet wie die entsprechende Struktur in 1. Um eine Einzelansichtdarstellung der
Fluidwege zu ermöglichen,
war es jedoch notwendig, lediglich den männlichen Rotor 20 zu
veranschaulichen und einen Teil der Struktur zu verzerren, um die
Fluidverbindungen komplett zu machen.
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In 1 bis 5 bezeichnet
die Nummer 10 im Allgemeinen eine Schraubenmaschine, insbesondere
eine Zwillingsrotorschraubenmaschine mit einem männlichen Rotor 20 und
einem weiblichen Rotor 21. Die vorliegende Erfindung ist
jedoch anwendbar auf Schraubenmaschinen mit mehr als zwei Rotoren.
Der Rotor 20 hat einen Wellenbereich 20-1, einen
Zwischenbereich reduzierten Durchmessers 20-4 und einen
Außenbereich
reduzierten Durchmessers 20-6. Eine erste Schulter 20-2 ist
zwischen dem Wellenbereich 20-1 und dem Rotor 20 gebildet. Ein
zweiter Schulterbereich 20-3 ist zwischen Wellenbereichen 20-1 und 20-4 gebildet,
und eine dritte Schulter 20-5 ist zwischen Wellenbereichen 20-4 und 20-6 gebildet.
Der Wellenbereich 20-4 ist durch die Innenfläche 34-1 des
Rollenlagers 34 abgestützt.
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In ähnlicher
Weise hat der Rotor 21 einen Wellenbereich 21-1,
einen Zwischenbereich reduzierten Durchmessers 21-4 und
einen Außenbereich reduzierten
Durchmessers 21-6. Eine erste Schulter 21-2 ist
zwischen dem Wellenbereich 21-1 und dem Rotor 21 gebildet.
Eine zweite Schulter 21-3 ist zwischen den Schaftbereichen 21-1 und 21-4 gebildet, und
eine dritte Schulter 21-5 ist zwischen den Schaftbereichen 21-4 und 21-6 gebildet.
Der Schaftbereich 21-4 ist durch die Innenfläche 35-1 des
Rollenlagers 35 abgestützt.
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Wie
am besten in 4 gezeigt, sind die Rotoren 20 und 21 und
ihre auslassseitigen Wellenbereiche 20-8 und 21-8 abstützend in
der Rotoraufnahme 12 aufgenommen, wobei die Schaftbereiche 20-8 und 21-8 jeweils
durch Rollenlager 32 und 33 abgestützt sind.
Wie am besten in 3 gezeigt, sind die Wellenbereiche 20-1 und 21-1 abstützend in
dem Einlassgehäuse 13 aufgenommen
und jeweils durch Rollenlager 34 und 35 abgestützt. Einer
der Rotoren 20 und 21 ist der Antriebsrotor und
ist mit einem Motor oder dergleichen verbunden.
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Im
Betrieb, als ein Kühlmittelkompressor,
rotiert der Rotor 20 den mit diesem zusammenwirkenden Rotor 21 und
bewirkt dessen Rotation, vorausgesetzt, dass der männliche
Rotor 20 der angetriebene Rotor ist. Das Zusammenwirken
der rotierenden Rotoren 20 und 21 zieht Kühlmittelgas über den
Ansaugeinlass 14 in die Nuten der Rotoren 20 und 21,
die zusammenwirken, um die Gasvolumina einzuschließen und
zu komprimieren und das heiße
komprimierte Gas dem Auslassanschluss 16 zuzuführen.
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Die
bisher beschriebene Struktur und Arbeitsweise ist im Allgemeinen
herkömmliche.
Hauptsächlich
Bezug nehmend auf die 2 und 3 hat das
Einlassgehäuse 13 erste
Bohrungen 13-1 und 13-1a, die jeweils Rollenlager 34 und 35 aufnehmen,
Zwischenbohrungen 13-3 und 13-3a, die von den
ersten Bohrungen 13-1 und 13-1a jeweils durch Schultern 13-2 und 13-2a getrennt
sind, und äußere Bohrungen 13-5 und 13-5a,
die von den Zwischenbohrungen 13-3 und 13-3a jeweils
durch Schultern 13-4 und 13-4a getrennt sind.
Die vorliegende Erfindung fügt
Ausgleichsscheiben oder Kolben 50 und/oder 51 hinzu,
die jeweils an Wellenbereichen 20-6 und 21-6 angeordnet
sind und jeweils durch Sicherungsmuttern 60 und 61,
die jeweils auf Gewindebereiche 20-7 und 21-7 der
Wellenbereiche 20-6 und 21-6 geschraubt sind,
in abdichtendem zusammenwirkenden Zustand mit den Schultern 20-5 und 21-5 gehalten
sind. Die Ausgleichsscheibe oder der Kolben 50 hat einen
Bereich 50-1 ersten Durchmessers, der ein Labyrinth definiert,
das in der Bohrung 13-3 aufgenommen ist, und einen zweiten
Bereich 50-2 größeren Durchmessers,
der eine zweite Labyrinthdichtung definiert, die in der Bohrung 13-5 aufgenommen
ist. Die Ausgleichsscheibe oder der Kolben 50 wirkt mit
der Bohrung 13-3 und dem Wellenbereich 20-4 zusammen,
um eine ringförmige
Kammer 70 zu definieren, die über einen Niederdruckdurchgang 14-1 in
Fluidkommunikation mit dem Ansaugeinlass 14 steht.
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In ähnlicher
Weise hat die Ausgleichsscheibe oder der Kolben 51 einen
Bereich 51-1 ersten Durchmessers, der eine Labyrinthdichtung
definiert, die in der Bohrung 13-3a aufgenommen ist, und
einen zweiten Bereich 51-2 größeren Durchmessers, der eine
zweite Labyrinthdichtung definiert, die in der Bohrung 13-5a aufgenommen
ist. Die Ausgleichsscheibe oder der Kolben 51 wirkt mit
der Bohrung 13-3a und dem Wellenbereich 21-4 zusammen,
um eine ringförmige
Kammer 71 zu definieren, die, wie die Kammer 70, über den
Niederdruckdurchgang 14-1 entweder direkt oder über einen
Abzweigdurchgang (nicht veranschaulicht) in Fluidkommunikation mit
dem Ansaugeinlass 14 steht.
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Die
Abdeckplatte 72 ist abdichtend an dem Einlassgehäuse 13 befestigt
und wirkt mit Bohrungen 13-5 und 13-5a und Ausgleichsscheiben
oder Kolben 50 und 51 zusammen, um jeweils Kammern 80 und 81 zu
definieren, die in direkter Fluidkommunikation sein können. Kammern 70 und 80 sind
fluidmäßig durch
Labyrinthdichtungen 50-1 und 50-2 getrennt, so
dass die einzige Verbindung zwischen ihnen nur über eine Leckage vorbei an
den Labyrinthdichtungen 50-1 und 50-2 ist. In ähnlicher
Weise sind die Kammern 71 und 81 fluidmäßig durch
Labyrinthdichtungen 51-1 und 51-2 getrennt, so
dass die einzige Verbindung zwischen ihnen über Leckage vorbei an den Labyrinthdichtungen 51-1 und 51-2 ist.
Ein Hochdruckdurchgang 16-1 verbindet den Auslassanschluss 16 mit
dem Fluidweg 74 fluidmäßig. Der
Fluidweg 74 verbindet den Hochdruckdurchgang 16-1, und
damit den Auslassanschluss 16, mit der Kammer 80,
die dadurch bei, nominell, Auslassdruck gehalten wird. In ähnlicher
Weise verbinden Fluidpfad 74 und Zweigpfad 74-1 den
Hochdruckdurchgang 16-1, und dadurch den Auslassanschluss 16,
mit der Kammer 81 fluidmäßig, die dadurch, nominell,
bei Auslassdruck gehalten wird. Alternativ kann der Zweigpfad 74-1 weggelassen
werden, wenn es direkte Fluidverbindung zwischen den Kammern 80 und 81 gibt.
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Wie
in 2 und 4 zu sehen, wirkt der Auslassdruck
auf das rechte Ende der Rotoren 20 und 21, die
Rotoren 20 und 21 tendenziell nach links bewegend
und die Rotoren 20 und 21 tendenziell von der
Endwand 17 trennend. Auslassdruck, der auf die linke Seite
der Ausgleichsscheiben oder Kolben 50 und 51,
die jeweils an der Welle der Rotoren 20 und 21 befestigt
sind, wirkt, lässt
die Rotoren 20 und 21 sich tendenziell nach rechts
bewegen, wie in 2 und 3 zu sehen.
Wenn die Flächen
der Ausgleichsscheiben und Kolben 50 und 51, die zu
den Kammern 80 und 81 hin exponiert sind, korrekt
bemessen sind, heben sich die durch den Auslassdruck erzeugten Schubkräfte auf
und eliminieren dadurch die Notwendigkeit von Drucklagern. Ansaugdruck wirkt
auf das linke Ende jeweils der Rotoren 20 und 21,
d.h. die Schultern 20-2 und 21-2, und lässt die Rotoren 20 und 21 sich
tendenziell nach rechts und weg von der Endwand 15 bewegen.
Der Ansaugdruck in den Kammern 70 und 71 neigt
dazu, aufgrund von Leckage von Auslassdruck vorbei an den Labyrinthdichtungen 50-1 und 50-2 in
Kammer 70 und vorbei an den Labyrinthdichtungen 51-1 und 51-2 in
die Kammer 71 erhöht
zu sein, aber der Druck in den Kammern 70 und 71 wirkt
auf die rechte Seite jeweils der Ausgleichsscheiben oder Kolben 50 und 51 und
lässt die
Rotoren 20 und 21 sich tendenziell nach links
entgegengesetzt dem jeweils auf die Schultern 20-2 und 21-2 wirkenden
Druck bewegen.
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Durch
geeignetes Bemessen der Flächen der
Ausgleichsscheiben oder Kolben 50 und 51, auf die
durch Fluiddruck in den Kammern 70 und 80 und 71 und 81 gewirkt
wird, und der Enden der Rotoren 20 und 21, auf
die durch Fluiddruck gewirkt wird, kann die Schubkraft zumindest
auf ein Niveau reduziert werden, bei dem Drucklager nicht benötigt werden.
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Aus
der vorangehenden Erklärung
sollte es klar sein, dass Fluiddruck benötigt wird, um auf bestimmte
Bereiche zu wirken und dass Leckage Probleme darstellen kann, wenn
sie nicht geeignet kontrolliert wird. Ein solcher Bereich ist das
Auslassende der Rotoren 20 und 21. Bezugnahme
auf die 1A–1F zeigt
klar, dass es Druckgradienten zwischen benachbarten eingeschlossenen
Volumina, die auf verschiedenen Stufen in dem Kompressionsprozess
sind, gibt. Um den auf die Auslassenden der Rotoren 20 und 21 wirkenden
Auslassfluiddruck zu erleichtern, sind die Nocken der Rotoren 20 und 21 an
ihren Auslassenden abgeschrägt
oder geneigt. Insbesondere Bezug nehmend auf 4 und 5 sind
die Nocken der Rotoren 20 und 21 bei einem Winkel α derart abgeschrägt, dass
die größte Tiefe der
Oberflächen 20-a und 21-a relativ
zu der Endwand 17 in der Richtung der Rotation des Rotors
ist. Zusätzlich
dazu, Auslassfluiddruck auf die Oberflächen 20-a und 21-a wirken
zu lassen, erzeugen die Abschrägungen,
die die Oberflächen 20-a und 21-a definieren,
einen hydrodynamischen Film, der dazu neigt, die Oberflächen 20-a und 21-a relativ
zu der gegenüber
liegenden Endwand 17 während
der Rotorrotation zu separieren und abzudichten. Der Winkel α ist weniger
als 1° und
ist vorzugsweise in der Größenordnung
von 20 bis 30 min.
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Obwohl
die bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht und beschrieben wurde,
werden Fachleuten andere Änderungen
ersichtlich. Zum Beispiel könnte
die vorliegende Erfindung auf eine Drei-Rotor-Schraubenmaschine
angewendet werden. Außerdem
kann der Schubausgleich nur an dem/den männlichen Rotor(en), nur an
dem/den weiblichen Rotor(en) und an allen der Rotoren verwendet
werden. Es ist daher beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung
nur durch den Umfang der beigefügten
Ansprüche
zu beschränken
ist.