EP0547491A1

EP0547491A1 - Fluid displacement apparatus with a spiral element

Info

Publication number: EP0547491A1
Application number: EP92120962A
Authority: EP
Inventors: Gregor Jetzer; Roland Kolb
Original assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; ABB AB
Priority date: 1991-12-16
Filing date: 1992-12-09
Publication date: 1993-06-23
Also published as: JPH05248377A

Abstract

The displacement element of a displacement machine for compressible media essentially comprises a disc (2) with helical strips (3a, 3b) arranged perpendicularly on both sides. An eccentric arrangement is provided for guiding the displacement element in relation to a housing. The guide eye (5) of this eccentric arrangement is connected to the disc (2) by way of a web (21) in such a way that it lies at least approximately in tangential extension of the inlet-side end of the associated helical strip (3a). The guide eye (5) is connected by way of a second reinforcing web (50) to the disc (2) in order to create a rigid formation suitable for machining of the eye. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft den Verdrängerkörper einer Verdrängermaschine für kompressible Medien, welche Maschine mehrere in einem feststehenden Gehäuse angeordnete spiralförmige Förderräume aufweist, wobei der den Förderräumen zugeordnete Verdrängerkörper im wesentlichen aus einer Scheibe mit an beiden Seiten senkrecht angeordneten spiralförmigen Leisten besteht, wobei zur Führung des Verdrängerkörpers gegenüber dem Gehäuse eine gegenüber einer ersten Exzenteranordnung mit Abstand angeordnete zweite Exzenteranordnung vorgesehen ist, und wobei das Führungsauge der zweiten Führungsexzenteranordnung mit der Scheibe über eine Rippe derart verbunden ist, dass das Führungsauge zumindest annähernd in der tangentialen Verlängerung des einlassseitigen Endes der zugehörigen spiralförmigen Leiste liegt.The invention relates to the displacer body of a displacer machine for compressible media, which machine has a plurality of spiral-shaped conveying spaces arranged in a fixed housing, the displacer body assigned to the conveying spaces essentially consisting of a disk with spiral strips arranged vertically on both sides, whereby to guide the displacer body opposite the housing is provided with a second eccentric arrangement spaced apart from a first eccentric arrangement, and wherein the guide eye of the second guide eccentric arrangement is connected to the disk via a rib such that the guide eye lies at least approximately in the tangential extension of the inlet-side end of the associated spiral bar.

Stand der TechnikState of the art

Verdrängermaschinen der Spiralbauart sind beispielsweise durch die DE-C-26 03 462 bekannt. Ein nach diesem Prinzip aufgebauter Verdichter zeichnet sich durch eine nahezu pulsationsfreie Förderung des beispielsweise aus Luft oder einem Luft-Kraftstoff-Gemisch bestehenden gasförmigen Arbeitsmittels aus und könnte daher unter anderem auch für Aufladezwecke von Brennkraftmaschinen mit Vorteil herangezogen werden. Während des Betriebes eines solchen Kompressors werden entlang der Verdrängerkammer zwischen dem spiralförmig ausgebildeten Verdrängerkörper und den beiden Umfangswänden der Verdrängerkammer mehrere, etwa sichelförmige Arbeitsräume eingeschlossen, die sich von dem Einlass durch die Verdrängerkammer hindurch zum Auslass hin bewegen, wobei ihr Volumen ständig verringert und der Druck des Arbeitsmittels dementsprechend erhöht wird.Displacement machines of the spiral type are known, for example, from DE-C-26 03 462. A compressor constructed according to this principle is characterized by an almost pulsation-free conveyance of the gaseous working medium, which consists, for example, of air or an air / fuel mixture, and could therefore also be used with advantage for charging purposes of internal combustion engines. During the operation of such a compressor, several, approximately crescent-shaped work spaces are enclosed between the spiral-shaped displacement body and the two peripheral walls of the displacement chamber, which move from the inlet through the displacement chamber to the outlet, their volume constantly decreasing and the pressure of the work equipment is increased accordingly.

Eine Maschine der eingangs genannten Art ist bekannt aus der EP-A-0 321 781. Dadurch, dass zwei mit Abstand voneinander angeordnete Exzenteranordnungen vorgesehen sind, von denen eine über eine Antriebswelle antreibbar ist, ergibt sich eine statisch bestimmte Lagerung, die zudem bis auf die oberen und unteren Totpunkte der Läuferstellung eine zwangsweise Führung des Läufers sicherstellt. Um nun auch in den Totpunktlagen des Läufers eine eindeutige Führung des Läufers zu erreichen, ist eine in dem Gehäuse gelagerte Führungswelle der zweiten Exzenteranordnung mit der Antriebswelle über ein Getriebe zwangsschlüssig verbunden, wobei das Getriebe beispielsweise durch einen Zahnriemenantrieb gebildet ist. Zur Aufnahme von allfälligen Längenänderungen zwischen den Angriffspunkten der zwei Exzenteranordnungen ist das Führungsauge der zweiten Führungsexzenteranordnung mit der Scheibe des Läufers über eine tangential steife und radial nachgiebige Rippe verbunden.A machine of the type mentioned at the outset is known from EP-A-0 321 781. The fact that two eccentric arrangements are arranged at a distance from one another, one of which can be driven via a drive shaft, results in a statically determined mounting, which also extends to the upper and lower dead centers of the runner position ensure that the runner is guided. In order to achieve clear guidance of the rotor even in the dead center positions of the rotor, a guide shaft of the second eccentric arrangement mounted in the housing is positively connected to the drive shaft via a gear, the gear being formed, for example, by a toothed belt drive. To accommodate any changes in length between the points of application of the two eccentric arrangements, the guide eye of the second guide eccentric arrangement is connected to the disk of the rotor via a tangentially rigid and radially flexible rib.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Da der Verdrängerkörper anlässlich seiner Fertigung durch eine zerspanende Bearbeitung in seine endgültige Form gebracht wird, und die Bearbeitung der Lager-Aufnahmebohrung im Führungsauge der zweiten Führungsexzenteranordnung infolge der radialen Flexibilität der Rippe problematisch ist, liegt der Erfindung demnach die Aufgabe zugrunde, eine Massnahme zu schaffen, welche die mechanische Bearbeitung des Führungsauges erleichtert.Since the displacer is brought into its final shape by machining, and the machining of the bearing receiving bore in the guide eye of the second guide eccentric arrangement is problematic due to the radial flexibility of the rib, the invention is therefore based on the object of providing a measure , which facilitates the mechanical processing of the guide eye.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Führungsauge über eine zweite Verstärkungsrippe mit der Scheibe verbunden ist.The object is achieved in that the guide eye is connected to the disk via a second reinforcing rib.

Kurze Beschreibung der ZeichnungBrief description of the drawing

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.
Es zeigen:

Fig. 1: eine Vorderansicht des Läufers;
Fig. 2: einen Längsschnitt durch die Verdrängermaschine;

In the drawing, an embodiment of the invention is shown schematically.
Show it:

Fig. 1: a front view of the runner;
Fig. 2: a longitudinal section through the displacement machine;

Weg zur Ausführung der ErfindungWay of carrying out the invention

Zwecks Erläuterung der Funktionsweise des Verdichters, welche nicht Gegenstand der Erfindung ist, wird auf die bereits genannte DE-C3-2 603 462 verwiesen. Nachstehend wird nur der für das Verständnis notwendige Maschinenaufbau und Prozessablauf kurz beschrieben.For an explanation of the operation of the compressor, which is not the subject of the invention, reference is made to the already mentioned DE-C3-2 603 462. In the following, only the machine structure and process flow necessary for understanding are briefly described.

Mit 1 ist der Läufer der Maschine insgesamt bezeichnet. An beiden Seiten der Scheibe 2 sind je zwei, um 180° zueinander versetzte, spiralförmig verlaufende Verdrängerköper angeordnet. Es handelt sich um Leisten 3a, 3b, die senkrecht auf der Scheibe 2 gehalten sind. Die Spiralen selbst sind im gezeigten Beispiel aus mehreren, aneinander anschliessenden Kreisbögen gebildet. Mit 4 ist die Nabe bezeichnet, über welche die Scheibe 2 auf einer Exzenterscheibe 23 (Fig. 2) der Hauptwelle 24 sitzt.The rotor of the machine is designated as a whole by 1. Arranged on both sides of the disk 2 are two, displaced, mutually offset by 180 °, spirally extending bodies. These are strips 3a, 3b which are held vertically on the pane 2. In the example shown, the spirals themselves are formed from a plurality of circular arcs adjoining one another. 4 with the hub is designated, via which the disk 2 is seated on an eccentric disk 23 (FIG. 2) of the main shaft 24.

Mit 5 ist ein radial ausserhalb der Leisten 3a, 3b angeordnetes Auge bezeichnet für die Aufnahme eines Führungslagers 25, welches auf einem Exzenterbolzen 26 aufgezogen ist. Dieser ist seinerseits Teil einer Führungswelle 27. Am Spiralende sind in der Scheibe vier Durchtrittsfenster 6, 6' vorgesehen, damit das Medium von einer Scheibenseite zur andern gelangen kann, um in einem nur einseitig angeordneten zentralen Auslass 13 (Fig. 2) abgezogen zu werden.5 with a radially outside of the strips 3a, 3b arranged eye is designated for receiving a guide bearing 25 which is mounted on an eccentric bolt 26. This is in turn part of a guide shaft 27. At the spiral end, four passage windows 6, 6 'are provided in the disk so that the medium can pass from one disk side to the other in order to be drawn off in a central outlet 13 (FIG. 2) which is only arranged on one side .

Das Führungsauge 5 der Führungsexzenteranordnung ist mit dem Läufer über eine bügelförmige Rippe 21 verbunden. Das Führungsauge liegt zumindest annähernd in der tangentialen Verlängerung des einlassseitigen Endes der spiralförmigen Leiste 3a. Mit dieser Anordnung wird eine hohe Steifigkeit in tangentialer Richtung und eine hohe Elastizität in radialer Richtung erreicht. Ausserdem dient dieses Konzept zur Aufnahme von allfälligen zwischen den zwei Angriffspunkten Führungsauge 5 und Nabe 4 auftretenden Längenänderungen und bewirkt einen selbsttätigen Ausgleich solcher Längenänderungen.The guide eye 5 of the guide eccentric arrangement is connected to the rotor via a bow-shaped rib 21. The guide eye lies at least approximately in the tangential extension of the inlet-side end of the spiral bar 3a. With this arrangement, high rigidity in the tangential direction and high elasticity in the radial direction are achieved. In addition, this concept serves to accommodate any changes in length that occur between the two points of attack, guide eye 5 and hub 4, and automatically compensates for such changes in length.

Eine eingangs erwähnte, aus der EP-A-0 321 781 bekannte Maschine weist beim Verdrängerkörper an den eintrittsseitigen Enden der Spiralen eine der Anzahl der ineinandergeschachtelten Spiralen entsprechende Anzahl Unstetigkeiten in der radialen Erstreckung der Mittelscheibe auf. Die Unstetigkeit wird in axialer Richtung durch die spiralförmigen Leisten noch verstärkt. Bei der Förderung des Arbeitsmittels von radial aussen nach radial innen tritt infolge der zunehmenden Verdichtung eine Temperaturerhöhung des Arbeitsmittels auf. Dies hat zur Folge, dass die Mittelscheibe in ihrer Nabenpartie eine höhere Temperatur aufweist als in ihrem Aussenbereich am einlasseitigen Ende der Spiralen. Sofern der Verdrängerkörper aus einem handelsüblichen Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten grösser als Null gefertigt ist, enstehen durch diese Temperaturverteilung in der Scheibe in deren Aussenbereich Zugspannungen und in deren Nabenbereich Druckspannungen. Durch die erwähnten geometrischen Unstetigkeiten und den Temperaturverlauf resultiert im Einlassbereich der Scheibe eine Spannungskonzentration und damit eine erhöhte Materialbeanspruchung.A machine mentioned at the outset, known from EP-A-0 321 781, has a number of discontinuities in the radial extent of the central disk in the displacer body at the ends of the spirals on the inlet side, corresponding to the number of nested spirals. The discontinuity is increased in the axial direction by the spiral strips. When the working fluid is conveyed from the radially outside to the radially inside, it occurs as a result of the increasing Compression on an increase in the temperature of the working fluid. The consequence of this is that the center disk has a higher temperature in its hub section than in its outer area at the inlet-side end of the spirals. If the displacement body is made of a commercially available material with a coefficient of thermal expansion greater than zero, this temperature distribution creates tensile stresses in the outer area of the disk and compressive stresses in the hub area. The geometric discontinuities mentioned and the temperature profile result in a stress concentration in the inlet area of the pane and thus an increased material stress.

Um das Bauvolumen der Maschine besser auszunutzen, geht die Entwicklungstendenz in Richtung höherer Druckverhältnisse und höherer Drehzahlen. Ersteres bedingt noch steilere Temperaturgradienten in der Scheibe, letzteres führt zu grösseren Massenkräften. Der Verdrängerkörper wird deshalb bevorzugt aus einer Leichtmetallegierung, beispielsweise Magnesium, ausgeführt. Solche Legierungen weisen recht gute Festigkeitswerte bei Raumtemperatur auf; diese guten Werte fallen jedoch bei höheren Temperaturen rasch ab, wenn es sich um handelsübliche Legierungen ohne kostspieligen Zusätze handelt.In order to better utilize the construction volume of the machine, the development trend is towards higher pressure ratios and higher speeds. The former causes even steeper temperature gradients in the disk, the latter leads to greater mass forces. The displacement body is therefore preferably made of a light metal alloy, for example magnesium. Such alloys have quite good strength values at room temperature; however, these good values drop rapidly at higher temperatures when it comes to commercially available alloys without costly additives.

Um die Spannungskonzentration im Einlassbereich der Verdrängerscheibe zu reduzieren, ist gemäss Fig. 1 die Scheibe 2 im Bereich des Einlasses der spiralförmigen Leisten über den Spiraleneinlass hinaus verlängert. Durch diese einfache bauliche Massnahme, welche die Funktionsfähigkeit der Maschine nicht beeinträchtigt, sind die Einsatzgrenzen eines an sich vorteilhaften Werkstoffes wie Magnesium erheblich erhöht.In order to reduce the stress concentration in the inlet area of the displacement disk, according to FIG. 1 the disk 2 in the area of the inlet of the spiral strips is extended beyond the spiral inlet. This simple structural measure, which does not impair the functionality of the machine, considerably increases the limits of use of a material which is advantageous in itself, such as magnesium.

Die Fig. 1 zeigt ferner, dass die Scheibe 2 - abgesehen von dem radial überstehenden Auge 5 - radial mit den Leisten 3a, 3b abschliesst. Dies bedeutet, dass die Scheibe in radialer Richtung im Bereich der Einlässe 12a, 12b mindestens eine Gehäusehälfte durchdringen muss. Um nun eine Undichtigkeit zwischen den ineinandergeschachtelten Förderkammern 11a und 11b zu vermeiden, ist die Scheibe 2 mit kreisbogenförmigen Aussparungen 48a, 48b versehen. Diese Aussparungen kooperieren anlässlich des Maschinenbetriebes zwecks Bildung einer Dichtlinie mit entsprechend ausgebildeten Absätzen an den feststehenden Stegen 45 und 46.1 also shows that the disc 2 - apart from the radially protruding eye 5 - closes radially with the strips 3a, 3b. This means that the disk has at least one in the radial direction in the area of the inlets 12a, 12b Half of the housing must penetrate. In order to avoid a leak between the nested conveying chambers 11a and 11b, the disk 2 is provided with circular-arc-shaped recesses 48a, 48b. These recesses cooperate on the occasion of the machine operation to form a sealing line with correspondingly formed shoulders on the fixed webs 45 and 46.

Im Bereich der kreisbogenförmigen Aussparung 48a ist nunmehr der vorverlegte Scheibenrand mit dem Führungsauge 5 über eine zweite Verstärkungsrippe 50 verbunden. Diese Rippe 50 ist so geformt, dass sie eine versteifende Brücke bildet, welche das Führungsauge in seiner Position fixiert und damit für dessen Barbeitung zusätzliche Einspannungen überflüssig macht. Anlässlich der Fertigung wird als letzte Operation der zerspanenden Bearbeitung die Verstärkungsrippe entlang der gestrichelten Linie 51 entfernt.In the area of the arcuate recess 48a, the forward edge of the pane is now connected to the guide eye 5 via a second reinforcing rib 50. This rib 50 is shaped in such a way that it forms a stiffening bridge, which fixes the guide eye in its position and thus makes additional clamps unnecessary for its processing. On the occasion of production, the reinforcement rib along the dashed line 51 is removed as the last machining operation.

Diese Art Abstützung über eine bogenförmige Rippe 50 ist desweiteren von Bedeutung weil im Falle einer Druckgussherstellung die Oberfläche der Rippe 21 nicht bearbeitet werden muss. Die porenfreie Gusshaut bleibt intakt. Zudem ist das Element 50 tangential elastischer als die Rippe 21 mit deren Verbindung zum Verdränger 1. Dadurch wird beim Abkühlprozess im Anschluss an das Giessen die Rippe 21 nicht überbeansprucht. Bei einer tangential steifen Hilfsabstützung 50 würde die Rippe 21 gestreckt, da der Verdränger langsamer abkühlt als die Rippen 21 und 50.This type of support via an arcuate rib 50 is also important because the surface of the rib 21 does not have to be machined in the case of die-cast production. The non-porous cast skin remains intact. In addition, the element 50 is tangentially more elastic than the rib 21 with its connection to the displacer 1. As a result, the rib 21 is not overstressed in the cooling process following the casting. In the case of a tangentially stiff auxiliary support 50, the rib 21 would be stretched because the displacer cools more slowly than the ribs 21 and 50.

Gemäss Fig. 2 ist das Gehäuse ist aus zwei Hälften 7a, 7b zusammengesetzt. 11a und 11b bezeichnen die zwei jeweils um 180° gegeneinander versetzten Förderräume, die nach Art eines spiralförmigen Schlitzes in die beiden Gehäusehälften eingearbeitet sind. Sie verlaufen von je einem am äusseren Umfang der Spirale im Gehäuse angeordneten Einlass 12a, 12b zu einem im Gehäuseinneren vorgesehenen, beiden Förderräumen gemeinsamen Auslass 13. Sie weisen im wesentlichen parallele, in gleichbleibendem Abstand zueinander angeordnete Zylinderwände auf, die wie die Verdrängerkörper der Scheibe 2 eine Spirale von 360° umfassen. Zwischen diesen Zylinderwänden greifen die Verdrängerkörper 3a, 3b ein, deren Krümmung so bemessen ist, dass die Leisten die inneren und die äusseren Zylinderwände des Gehäuses an mehreren, beispielsweise an jeweils zwei Stellen nahezu berühren. An den freien Stirnseiten der Leisten 3a, 3b und der Stege 45, 46 sind Dichtungen 9 in entsprechenden Nuten eingelegt. Mit ihnen werden die Arbeitsräume gegen die Seitenwände des Gehäuses resp. gegen die Verdrängerscheibe gedichtet.2, the housing is composed of two halves 7a, 7b. 11a and 11b denote the two delivery spaces, each offset by 180 °, which are worked into the two housing halves in the manner of a spiral slot. They each run from an inlet 12a, 12b arranged on the outer circumference of the spiral in the housing to an inlet which is provided in the housing interior and is common to both delivery spaces Outlet 13. They have essentially parallel cylinder walls arranged at a constant distance from one another, which, like the displacement bodies of disk 2, comprise a spiral of 360 °. Between these cylinder walls, the displacement bodies 3a, 3b engage, the curvature of which is dimensioned such that the strips almost touch the inner and outer cylinder walls of the housing at several, for example at two points each. On the free end faces of the strips 3a, 3b and the webs 45, 46, seals 9 are inserted in corresponding grooves. With them, the working rooms against the side walls of the housing respectively. sealed against the displacement disc.

Den Antrieb und die Führung des Läufers 1 besorgen die zwei beabstandeten Exzenteranordnungen 23, 24 resp. 26, 27. Die Hauptwelle 24 ist an ihrem aus der Gehäushälfte 7b herausragendem Ende mit einer Keilriemenscheibe 19 für den Antrieb versehen. Um in den Totpunktlagen eine eindeutige Führung des Läufers zu erzielen, sind die beiden Exzenteranordnungen winkelgenau synchronisiert. Dies geschieht über einen Zahnriemenantrieb 16. Anlässlich des Betriebes sorgt der Doppelexzenterantrieb dafür, dass alle Punkte der Läuferscheibe und damit auch alle Punkte der beiden Leisten 3a, 3b eine kreisförmige Verschiebebewegung ausführen. Infolge der mehrfachen abwechselnden Annäherungen der Leisten 3a, 3b an die inneren und äusseren Zylinderwände der zugeordneten Förderkammern ergeben sich auf beiden Seiten der Leisten sichelförmige, das Arbeitsmedium einschliessende Arbeitsräume, die während des Antriebs der Läuferscheibe durch die Förderkammern in Richtung auf den Auslass verschoben werden. Hierbei verringern sich die Volumina dieser Arbeitsräume und der Druck des Arbeitsmittels wird entsprechend erhöht.The drive and the guide of the rotor 1 are provided by the two spaced-apart eccentric arrangements 23, 24 and. 26, 27. The main shaft 24 is provided at its end protruding from the housing half 7b with a V-belt pulley 19 for the drive. In order to achieve clear guidance of the rotor in the dead center positions, the two eccentric arrangements are synchronized with precise angles. This is done via a toothed belt drive 16. On the occasion of operation, the double eccentric drive ensures that all points of the rotor disk and thus also all points of the two strips 3a, 3b perform a circular displacement movement. As a result of the multiple alternating approaches of the strips 3a, 3b to the inner and outer cylinder walls of the associated delivery chambers, crescent-shaped workrooms enclosing the working medium result on both sides of the strips, which are displaced by the delivery chambers during the drive of the rotor disk in the direction of the outlet. The volumes of these working spaces are reduced and the pressure of the working fluid is increased accordingly.

BEZEICHNUNGSLISTELIST OF DESIGNATIONS

11: Läuferrunner
22nd: Scheibedisc
3a, 3b3a, 3b: Leistestrip
44th: Nabehub
55: Augeeye
6, 6'6, 6 ': DurchtrittsfensterPassage window
7a, 7b7a, 7b: GehäusehälfteHalf of the housing
88th
99: Dichtungpoetry
11a, 11b11a, 11b: FörderraumFunding room
12a, 12b12a, 12b: Einlassinlet
1313: AuslassOutlet
1616: ZahnriemenantriebTiming belt drive
2121: bügelförmige Rippebow-shaped rib
2323: ExzenterscheibeEccentric disc
2424th: HauptwelleMain shaft
2525th: Führungslager für 26Guide bearing for 26
2626: ExzenterbolzenEccentric bolt
2727: FührungswelleGuide shaft
2828: Gleitlager für 27Slide bearing for 27
4545: Steg des FörderraumsFootbridge of the funding room
4646: Steg des FörderraumsFootbridge of the funding room
48a, 48b48a, 48b: Aussparung in 2Recess in 2nd
4949: KeilriemenscheibeV-belt pulley
5050: VerstärkungsrippeReinforcement rib
5151: BearbeitunglinieMachining line

Claims

Displacer body of a displacer for compressible media, which machine has a plurality of spiral conveying spaces (11a, 11b) arranged in a fixed housing (7a, 7b), the displacer body (1-4) assigned to the conveying spaces consisting essentially of a disc (2) There are spiral strips (3a, 3b) arranged vertically on both sides, a second eccentric arrangement (26, 27) being arranged at a distance from a first eccentric arrangement (23, 24) for guiding the displacer body relative to the housing, and the guide eye (5 ) the second guide eccentric arrangement is connected to the disc (2) via a rib (21) such that the guide eye lies at least approximately in the tangential extension of the inlet-side end of the associated spiral bar (3a),
characterized,
that the guide eye (5) is connected to the disc (2) via a second reinforcing rib (50).