EP1305524B1 - Verdichter - Google Patents

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EP1305524B1
EP1305524B1 EP01956582A EP01956582A EP1305524B1 EP 1305524 B1 EP1305524 B1 EP 1305524B1 EP 01956582 A EP01956582 A EP 01956582A EP 01956582 A EP01956582 A EP 01956582A EP 1305524 B1 EP1305524 B1 EP 1305524B1
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compressor
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Gardner Denver Schopfheim GmbH
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Rietschle Thomas Schopfheim GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a compressor according to the preamble of claim 1.
  • Compressors generally require cooling in order to dissipate the heat generated during the compression process. On a direct cooling of the rotors and shafts is omitted mostly for cost reasons. The cooling of the rotors is then only indirectly via the flow of fluid and the directly cooled housing.
  • the standard material used for housing is cast iron with lamellar graphite and for the rotors cast iron with nodular graphite.
  • a compressor is known whose housing is formed of an aluminum alloy and whose rotors are made of resin.
  • the composition of the resin material is chosen so that it has substantially the same thermal expansion coefficient as the aluminum alloy.
  • the invention provides a compressor which despite the use of aluminum materials has small gap widths and a correspondingly high efficiency.
  • the rotor consists of a powder metallurgically produced, silicon-containing aluminum material and the housing consists essentially of aluminum.
  • Aluminum for the housing is understood to mean essentially pure aluminum or an aluminum alloy with the typical relatively high coefficient of thermal expansion of approximately 23.8 ⁇ 10 -6 / K.
  • the powder metallurgically produced, silicon-containing aluminum material however, has a thermal expansion coefficient of only about 16 x 10 -6 / K.
  • the gap reduction is barely larger than the corresponding value when using cast iron for housings and rotors.
  • an insulating layer is applied to the surfaces of the rotors. Through this insulating layer is the
  • Heat transfer from the compressed fluid to the rotors reduced.
  • the heat flow is increasingly dissipated via the shaft of the rotor.
  • the reduced heating of the rotors by the insulating layer leads to a lower thermal expansion and therefore allows smaller gap widths, whereby the efficiency is increased.
  • the compressor shown by way of example in Fig. 1 has a housing, generally designated 10, with an inner chamber 12 consisting of two intersecting sub-cylinders of the same size.
  • two rotors 14, 16 are accommodated in the form of double-wing Roots.
  • Each rotor 14, 16 is seated on a respective shaft 18, 20.
  • the parallel shafts 18, 20 are synchronized by a (not shown) gear.
  • the rotors 14, 16 run in the interior of the chamber 12 without mutual contact and without contact with the wall of the chamber 12. They roll into each other and thereby form work spaces of variable size, with an internal compression takes place.
  • the heat generated during operation of the compressor is dissipated essentially by cooling the housing 10.
  • the housing 10 has a plurality of cooling fins, which are flowed around by an air flow.
  • the heated exhaust air is symbolized by arrows in the drawing.
  • the rotors 14, 16 and the shafts 18, 20 are not directly cooled. Part of the heat flow is via the shafts 18, 20 and another part via the fluid flow dissipated.
  • their surface is provided with a thermally insulating coating.
  • the housing 10 is made of aluminum or an aluminum alloy whose thermal expansion coefficient is about 23.8 ⁇ 10 -6 / K.
  • the rotors 14, 16 are made of an aluminum material whose thermal expansion coefficient is about 16 x 10 -6 / K. This material combination results in a gap reduction, which - based on a rotor diameter of 100 mm - is about 0.113 mm.
  • the principle underlying the invention is applicable to most types of noncontact rotors compressors, but is particularly applicable to internally compacted two-shaft compressors, e.g. Claw compactor and screw compressor.
  • the invention generally extends to the use of a powder metallurgical Al-Si alloy in rotors of compressors, pumps and rotary engines in combination with an aluminum housing, particularly in machines with non-contacting rotors.
  • the housing is composed of an outer body 10a made of aluminum or an aluminum alloy and a ring 10b cast therein.
  • the ring 10b is made of a powder metallurgy, dispersion strengthened Al-Si alloy of the type described in more detail above.
  • the ring forms the boundary of the chamber in which the rotors of the compressor are accommodated.
  • the two materials are fused together so that an intimate bond between outer body 10a and ring 10b is made. Since the ring 10b is made of a material of substantially greater strength than the material of the outer body 10a, its thermal expansion properties substantially determine the thermal expansion of the housing as a whole.
  • the rotors in this embodiment also consist of an Al-Si alloy of the type described above.
  • the ring is provided with cast-on stiffening ribs 10c directed radially outward. In each corner region of the housing one of these stiffening ribs is arranged.
  • a gap reduction of about 0.16 mm can be achieved, again based on a rotor diameter of 100 mm.
  • the housing has a bearing cap 22, with two bearings 24, 26 for the shafts 18, 20.
  • a stiffening rib 28, 30 cast from a dispersion-hardened aluminum alloy.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Verdichter gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Verdichter bedürfen im allgemeinen der Kühlung, um die beim Verdichtungsprozeß anfallende Wärme abzuführen. Auf eine direkte Kühlung der Rotoren und Wellen wird zumeist aus Kostengründen verzichtet. Die Kühlung der Rotoren erfolgt dann nur indirekt über den Fördermedienstrom und über das direkt gekühlte Gehäuse.
  • Wegen der direkten Kühlung des Gehäuses, beispielsweise durch eine Luftströmung oder einen Wassermantel, und die nur indirekte Kühlung der Rotoren tritt im Betrieb eine hohe Temperaturdifferenz zwischen Gehäuse und Rotoren auf. Diese Temperaturdifferenz muß bei der Auslegung der Spalte berücksichtigt werden. Der größeren Temperaturdehnung der Rotoren wird durch vergrößerte Spalte im kalten Zustand Rechnung getragen. Der Unterschied der Spaltgröße im kalten Zustand zur Spaltgröße im Betriebszustand, d.h. bei einer Temperaturdifferenz in der Größenordnung von 100° K, wird als Spaltreduzierung bezeichnet. Um ein Anlaufen der Rotoren unter allen Umständen zu verhindern, werden die Spaltweiten für die maximale thermische Belastung festgelegt, die sich durch die unterschiedlichen Druckverhältnisse und Drehzahlen ergibt. Die Berücksichtigung der Spaltreduzierung führt dann zu einer Bemessung der Spaltweiten im kalten Zustand. Man ist aber bestrebt, die Spalte möglichst klein zu halten, um Rückströmungen zu minimieren und den volumetrischen sowie den isentropen Wirkungsgrad zu maximieren.
  • Diese Überlegungen führen in der Praxis zur Verwendung von Werkstoffen mit geringer Wärmedehnung. Als Standardwerkstoff wird für Gehäuse Gußeisen mit Lamellengraphit und für die Rotoren Gußeisen mit Kugelgraphit verwendet. Der Wärmedehnungskoeffizient beträgt jeweils αk = 10,5-6/K. Bei Verwendung von Gußeisen für Gehäuse und Rotoren und einem Außendurchmesser der Rotoren von beispielsweise 100 mm ergibt sich für die Spaltreduzierung ein Wert von etwa 0,1 mm. Damit können befriedigende Wirkungsgrade erzielt werden. Die Verwendung eines Materials wie Aluminium kommt hingegen nicht in Betracht, da wegen der mehr als doppelt so großen Wärmedehnung die entsprechenden Werte der Spaltreduzierung bei etwa 0,24 mm liegen würden, so dass die Spaltweiten im kalten Zustand mehr als doppelt so groß sein müßten, wodurch die Spaltverluste enorm vergrößert würden.
  • Aus der JP-A-05010282 ist ein Verdichter bekannt, dessen Gehäuse aus einer Aluminiumlegierung und dessen Rotoren aus Harz gebildet sind. Um eine Spaltreduzierung im Betrieb des Verdichters möglichst zu vermeiden, wird die Zusammensetzung des Harzmaterials so gewählt, daß es im wesentlichen den gleichen Wärmedehnungskoeffizienten wie die Aluminiumlegierung aufweist.
  • Aus der US-A-4,702,885 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Aluminium-Silizium-Legierung mit verbesserten Materialeigenschaften hinsichtlich Hitzebeständigkeit und Verschleißfestigkeit bekannt.
  • Durch die Erfindung wird ein Verdichter geschaffen, der trotz Verwendung von Aluminium-Werkstoffen geringe Spaltweiten und einen entsprechend hohen Wirkungsgrad aufweist. Gemäß der Erfindung besteht der Rotor aus einem pulvermetallurgisch hergestellten, siliziumhaltigen Aluminium-Werkstoff und das Gehäuse besteht im wesentlichen aus Aluminium. Unter Aluminium für das Gehäuse wird im wesentlichen reines Aluminium oder eine Aluminium-Legierung mit dem typischen relativen großen Wärmedehnungskoeffizienten von etwa 23,8 x 10-6/K verstanden. Der pulvermetallurgisch hergestellte, siliziumhaltige Aluminium-Werkstoff hat hingegen einen Wärmedehnungskoeffizient von nur etwa 16 x 10-6/K. Geht man wiederum von einem Rotordurchmesser von 100 mm aus, so ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Werkstofflcombination bei einer Temperaturdifferenz von 100° K eine Spaltreduzierung, die wie folgt berechnet wird: S W A = ( α k 1 × Δ T 1 − α k 2 × Δ T 2 ) × L .
    Figure imgb0001
  • Die Spaltreduzierung ist mit einem Wert von 0,113 mm somit kaum größer als der entsprechende Wert bei Verwendung von Gußeisen für Gehäuse und Rotoren.
  • Die Verwendung von Aluminium anstelle von Gußeisen erbringt erhebliche Vorteile, insbesondere ein geringeres Gewicht, kürzere Bearbeitungszeiten, Korrosionsbeständigkeit, geringere Herstellungskosten.
  • Bei der bevorzugten Ausführungsform ist auf den Oberflächen der Rotoren eine Isolierschicht aufgebracht. Durch diese Isolierschicht wird der
  • Wärmeübergang von dem komprimierten Fördermedium auf die Rotoren vermindert. Der Wärmestrom wird verstärkt über die Welle des Rotors abgeführt. Die verminderte Erwärmung der Rotoren durch die Isolierschicht führt zu einer geringeren Wärmedehnung und läßt daher kleinere Spaltweiten zu, wodurch der Wirkungsgrad gesteigert wird.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung zweier Ausführungsformen des Verdichters und aus den beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
    • Figur 1 schematisch einen geöffneten Klauenverdichter mit Blick auf die Rotoren;
    • Figur 2 eine entsprechende Ansicht einer Ausführungsvariante; und
    • Figur 3 eine weitere Ausführungsvariante.
  • Der in Fig. 1 beispielshalber gezeigte Verdichter hat einen allgemein mit 10 bezeichnetes Gehäuse mit einer inneren Kammer 12, die aus zwei einander überschneidenden Teilzylindern gleicher Größe besteht. In der Kammer 12 sind zwei Rotoren 14, 16 in Form von zweiflügeligen Wälzkolben aufgenommen. Jeder Rotor 14, 16 sitzt auf einer entsprechenden Welle 18, 20. Die zueinander parallelen Wellen 18, 20 sind durch ein (nicht gezeigtes) Getriebe synchronisiert. Die Rotoren 14, 16 laufen im inneren der Kammer 12 ohne gegenseitige Berührung und ohne Berührung mit der Wandung der Kammer 12. Sie wälzen sich ineinander ab und bilden dabei Arbeitsräume variabler Größe, wobei eine innere Verdichtung stattfindet.
  • Die im Betrieb des Verdichters anfallende Wärme wird im wesentlichen durch Kühlung des Gehäuses 10 abgeführt. Zu diesem Zweck weist das Gehäuse 10 eine Vielzahl von Kühlrippen auf, die von einem Luftstrom umströmt werden. Die erwärmte Abluft ist in der Zeichnung durch Pfeile symbolisiert. Die Rotoren 14, 16 und die Wellen 18, 20 werden nicht direkt gekühlt. Ein Teil des Wärmestroms wird über die Wellen 18, 20 und ein anderer Teil über den Fördermedienstrom abgeführt. Um die Erwärmung der Rotoren 14, 16 im Betrieb zu reduzieren, ist ihre Oberfläche mit einer thermisch isolierenden Beschichtung versehen.
  • Das Gehäuse 10 besteht aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung, deren Wärmedehnungskoeffizient etwa 23,8 x 10-6/K beträgt. Die Rotoren 14, 16 bestehen aus einem Aluminium-Werkstoff, dessen Wärmedehnungskoeffizient etwa 16 x 10-6/K beträgt. Durch diese Werkstoffpaarung ergibt sich eine Spaltreduzierung, die - bezogen auf einen Rotordurchmesser von 100 mm - etwa 0,113 mm beträgt.
  • Der Aluminium-Werkstoff, aus dem die Rotoren 14, 16 bestehen, ist pulvermetallurgisch hergestellt und dispersionsverfestigt. Die Zusammensetzung des Aluminium-Werkstoffs für die Rotoren ist vorzugsweise wie folgt:
    • 18,5 bis 21,5 Gew.% Silizium,
    • 4,6 bis 5,4 Gew% Eisen,
    • 1,8 bis 2,2 Gew.% Nickel
    • Rest: Aluminium
  • Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip ist bei den meisten Bauformen von Verdichtern mit berührungslosen Rotoren anwendbar, mit besonderem Vorteil jedoch bei zweiwelligen Verdichtern mit innerer Verdichtung, z.B. Klauenverdichter und Schraubenverdichter. Die Erfindung erstreckt sich allgemein auf die Verwendung einer pulvermetallurgischen Al-Si-Legierung bei Rotoren von Verdichtern, Pumpen und Drehkolbenmaschinen in Kombination mit einem Gehäuse aus Aluminium, insbesondere bei Maschinen mit berührungslos arbeitenden Rotoren.
  • Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsvariante ist das Gehäuse aus einem Außenkörper 10a, der aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, und einem darin eingegossenen Ring 10b aufgebaut. Der Ring 10b besteht aus einer pulvermetallurgischen, dispersionsverfestigten Al-Si-Legierung der oben näher beschriebenen Art. Der Ring bildet die Begrenzung der Kammer in der die Rotoren des Verdichters aufgenommen sind. An der Grenzfläche zwischen Außenkörper 10a und Ring 10b sind die beiden Werkstoffe miteinander verschmolzen, so daß ein inniger Verbund zwischen Außenkörper 10a und Ring 10b besteht. Da der Ring 10b aus einem Material von wesentlich größerer Festigkeit als das Material des Außenkörpers 10a besteht, bestimmen seine Wärmedehnungseigenschaften im wesentlichen die Wärmedehnung des Gehäuses als ganzes. Auch die Rotoren bestehen bei dieser Ausführungsform aus einer Al-Si-Legierung der oben beschriebenen Art. Der Ring ist mit angegossenen Versteifungsrippen 10c versehen, die radial auswärts gerichtet sind. In jedem Eckbereich des Gehäuses ist eine dieser Versteifungsrippen angeordnet.
  • Bei dieser Ausführungsform kann eine Spaltreduzierung von ca. 0,16 mm erreicht werden, wiederum bezogen auf einen Rotordurchmesser von 100 mm.
  • Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform hat das Gehäuse einen Lagerdeckel 22, mit zwei Lagern 24, 26 für die Wellen 18, 20. Beiderseits der Lager 24, 26 ist in dem Lagerdeckel 22 eine Versteifungsrippe 28, 30 aus einer dispersionsverfestigten Aluminiumlegierung eingegossen. Durch diese Versteifungsrippen 28, 30 wird einerseits die Lagerung der Wellen 18, 20 versteift, zum anderen wird die Wärmedehnung des Achsabstandes reduziert.

Claims (14)

  1. Verdichter mit einem Gehäuse und wenigstens einem in dem Gehäuse drehbar mittels einer Welle gelagerten Rotor, der ohne Berührung mit dem Gehäuse rotiert, wobei das Gehäuse im Wesentlichen aus Aluminium besteht, und wobei die Kühlung des wenigstens einen Rotors nur indirekt über einen Fördermedienstrom und über das direkt gekühlte Gehäuse erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor aus einer pulvermetallurgischen Al-Si-Legierung mit einem Wärmedehnungskoeffizienten von etwa 16 x 10-6/K besteht und dass das Aluminium, aus dem das Gehäuse besteht, einen Wärmedehnungskoeffizienten von etwa 23,8 x 10-6/K aufweist.
  2. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Al-Si-Legierung dispersionsverfestigt ist.
  3. Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Al-Si-Legierung folgende Zusammensetzung aufweist:
    18,5 bis 21,5 Gew.-% Silizium,
    4,6 bis 5,4 Gew.-% Eisen,
    1,8 bis 2,2 Gew.-% Nickel,
    Rest: Aluminium.
  4. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse durch einen Luftstrom gekühlt ist.
  5. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass er zwei berührungslos ineinander abwälzende Drehkolben aufweist.
  6. Verdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass er mit innerer Verdichtung arbeitet.
  7. Verdichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehkolben zwei- oder dreiflügelig ausgebildet sind.
  8. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass er als Schraubenverdichter ausgebildet ist.
  9. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche der Rotoren eine Isolierschicht aufgebracht ist.
  10. Verdichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse einen Außenkörper aus Aluminium und einen darin eingegossenen Ring aus einer dispersionsverfestigten pulvermetallurgischen Al-Si-Legierung aufweist.
  11. Verdichter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass an der Grenzfläche des Ringes und des Außenkörpers deren Werkstoffe miteinander verschmolzen sind.
  12. Verdichter nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring unmittelbar den Rotor umgibt.
  13. Verdichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse wenigstens einen Lagerdeckel aufweist, der mit eingegossenen Versteifungsrippen aus einer dispersonverfestigten pulvexmetallurgischen Al-Si-Legierung versehen ist.
  14. Verdichter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsrippen auf einander gegenüberliegenden Seiten der Lager angeordnet sind.
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EP1305524A1 EP1305524A1 (de) 2003-05-02
EP1305524B1 true EP1305524B1 (de) 2006-10-18

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EP (1) EP1305524B1 (de)
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AU (1) AU2001278520A1 (de)
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