EP4103842A1 - Screw compressor having rotors mounted on one side - Google Patents

Screw compressor having rotors mounted on one side

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Publication number
EP4103842A1
EP4103842A1 EP21704532.7A EP21704532A EP4103842A1 EP 4103842 A1 EP4103842 A1 EP 4103842A1 EP 21704532 A EP21704532 A EP 21704532A EP 4103842 A1 EP4103842 A1 EP 4103842A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotors
drive
screw compressor
compressor
screw
Prior art date
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Pending
Application number
EP21704532.7A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Ulrich Thomes
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Gardner Denver Deutschland GmbH
Original Assignee
Gardner Denver Deutschland GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Gardner Denver Deutschland GmbH filed Critical Gardner Denver Deutschland GmbH
Publication of EP4103842A1 publication Critical patent/EP4103842A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C18/00—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
    • F04C18/08—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C18/12—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type
    • F04C18/14—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons
    • F04C18/16—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons with helical teeth, e.g. chevron-shaped, screw type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04C2/08—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
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    • F04C2/16—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons with helical teeth, e.g. chevron-shaped, screw type
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    • F04C23/00—Combinations of two or more pumps, each being of rotary-piston or oscillating-piston type, specially adapted for elastic fluids; Pumping installations specially adapted for elastic fluids; Multi-stage pumps specially adapted for elastic fluids
    • F04C23/001—Combinations of two or more pumps, each being of rotary-piston or oscillating-piston type, specially adapted for elastic fluids; Pumping installations specially adapted for elastic fluids; Multi-stage pumps specially adapted for elastic fluids of similar working principle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04C29/00—Component parts, details or accessories of pumps or pumping installations, not provided for in groups F04C18/00 - F04C28/00
    • F04C29/04—Heating; Cooling; Heat insulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2240/00—Components
    • F04C2240/50—Bearings
    • F04C2240/51—Bearings for cantilever assemblies

Definitions

  • the invention relates to a screw compressor which can be used for compressing media, in particular for providing compressed air.
  • the invention also relates to an arrangement comprising two such screw compressors.
  • Screw compressors also known as screw compressors or rotary compressors, have two rotors (compressor screws) arranged in parallel, which have a convex or concave screw profile, which engage with one another and convey and compress the medium located between the profiles during rotation.
  • the rotors are positively coupled, for example, by a pair of gears, but can also be operated without coupling, as is the case with compressors with fluid injection.
  • the passage for the medium to be compressed is mechanically closed at the rolling line between the two rotors.
  • the medium is conveyed in the axial direction of the rotors.
  • DE 10033 154 C2 describes a screw compressor system with a connecting flange between the pressure vessel and the compressor housing, via which the compressed air flows to the pressure vessel and pre-separated oil is fed back to the compressor housing.
  • DE 19716 549 C2 discloses a screw compressor for stationary or mobile compressors, which is attached to a drive motor via a transmission gear and a clutch.
  • the drive wheel of a drive shaft is on or mounted in a journal of one of the two screw rotors and in an intermediate wall of the compressor housing.
  • the drive shaft and the bearing journal of the other rotor are supported by a bearing in a bore in the clutch housing.
  • DE 60117 821 T2 shows a multi-stage screw compressor with two or more compressor stages, each compressor stage comprising a pair of rotors for compressing a gas. Furthermore, two or more variable speed drive means are provided, each drive means driving a respective compressor stage. A control unit controls the speeds of the drive means, the torque and the speed of each drive means being monitored.
  • An object of the present invention is based on the prior art to provide an improved screw compressor which is simplified and thus has a cheaper structure and can be easily adapted to different performance requirements. Furthermore, a multi-stage screw compressor arrangement is to be provided, which also has a simplified structure and easier adaptation options.
  • the screw compressor according to the invention is used to compress a medium, in particular gases, preferably to generate compressed air for technical applications.
  • the screw compressor has a drive unit which has a drive.
  • the drive is preferably a high-speed electrical direct drive, but can for example also consist of several drives or be formed by a drive with a transmission gear.
  • the screw compressor has a compressor unit which has two interlocking rotors with mutually complementary screw profiles and a compressor housing with an inlet (suction side) and an outlet (pressure side).
  • the rotors are each coupled to the drive unit via a shaft, wherein the rotors and the shafts associated with them can also be formed in one piece, but are usually designed in several pieces.
  • the shafts are rotatably mounted in bearings in the drive unit.
  • the shafts are only supported on the drive side of the rotors.
  • the rotors are therefore only supported on one side in relation to their axial direction. It is therefore a matter of a so-called floating mounting of the rotors or the shafts on the side of the rotors.
  • the rotors are on their axial from the drive remote side not stored. This drastically simplifies the structure, the number of shaft seals required can be reduced and the installation space is reduced in the axial direction due to the elimination of the bearings at the free end of the rotors.
  • bearings have hitherto been arranged on both sides of the rotors. This follows the requirement for small gaps between the rotors, the comparatively high speeds that are required in screw compressors, and the desire for low wear and high compression of the medium that can be achieved.
  • the invention leaves this development path and dispenses with the two-sided storage.
  • the screw compressor according to the invention allows the size of the screw compressor to be easily adapted by adjusting the length of the rotors, ie. H. Rotors of different lengths can be combined with the same drive unit, as it is not necessary to change the length of the shafts. With a preferred component separation between shafts and rotors, these components can be manufactured from different materials, which can contribute to cost savings and also opens up the use of the screw compressor for a wide variety of media.
  • the screw profiles are designed such that when the rotors rotate in the operating state, the medium to be compressed is conveyed from the side of the rotors facing the drive in the direction of the side facing away from the drive.
  • the pressure side of the compressor housing is on the side of the rotors facing away from the drive and has an outlet there.
  • the suction side of the compressor unit is thus located on the axial end of the rotors directed towards the drive unit or on the radial outside of the rotors, while the pressure side is located on the free, non-supported end of the rotors.
  • a preferred embodiment is characterized in that each of the shafts in the drive unit is mounted in at least two axially spaced bearings.
  • the shafts are preferably mounted in spindle bearings, so that an essentially play-free mounting and thus a high degree of precision in the running behavior of the rotors is achieved. This ensures both a high delivery rate of the compressor unit and low wear on the rotors.
  • the drive unit and the compressor unit each have coolant-carrying cooling channels, which are designed, for example, as a cooling jacket in the outer housing section. This reduces both the required size of the drive unit and the non-recoverable heat loss.
  • the cooling jacket on the compressor housing also extends to the surface of the housing cover around the outlet (pressure port), which is particularly advantageous in the case of dry rotors that lead to strong heating of the medium.
  • a further developed embodiment has a storage unit that is part of the drive unit or can be built independently in a modular manner.
  • the bearing unit is located between the drive and the compressor unit, the shafts running through the bearing unit and bearings positioned there and extending into the compressor unit. Thanks to this modular structure, the drive unit can be equipped with different storage units depending on the application.
  • the compressor unit preferably also represents an independent module, so that this too can be exchanged depending on the particular application.
  • the non-supported ends of the shafts which extend beyond the drive unit into the compressor unit, are fastened in a rotationally fixed manner in coaxially extending bores of the rotors, but are preferably detachable from the shafts. This is done, for example, by shrinking the rotors onto the ends of the shafts.
  • the shafts can therefore be equipped with different rotors without changing the drive unit.
  • the length: diameter ratio of the rotors is below 1.5, preferably in the range from 0.5 to 1.2 or smaller. This ratio is thus regularly smaller than in the case of screw compressors from the prior art, which have a length: diameter ratio of approximately 1.5.
  • the comparatively short rotors result in comparatively low forces in the radial direction.
  • the screw compressor arrangement according to the invention comprises at least two screw compressors fluidically connected in series, a first screw compressor operating as a low pressure stage and its pressure side being coupled to the suction side of a second screw compressor which operates as a high pressure stage.
  • the first and the second screw compressor are constructed in accordance with one of the embodiments described above.
  • Fig. 1 is a perspective overall view of a screw compressor according to the invention
  • FIG. 2 is a sectional view of the screw compressor according to FIG. 1.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a screw compressor according to the invention in a simplified, perspective view from the outside, while the details in FIG. 2 are shown in a sectional view.
  • the screw compressor has a drive unit 01, a functionally associated bearing unit 02 and a compressor unit 03.
  • the bearing unit 02 is located between the drive unit 01 and the compressor unit 03 when viewed in the axial direction Use case can be composed.
  • the drive unit 01 and the bearing unit 02 can also be designed as a structural unit.
  • the drive unit 01 has a drive housing 05 in which an electrical direct drive with an internal drive rotor 06 and an external drive stator 07 are arranged.
  • an outer drive cooling jacket 08 is provided with cooling channels through which a cooling medium flows.
  • the drive rotor 06 is connected to a first shaft 10 in order to set it in rotation.
  • the first shaft 10 is mounted in a first bearing, for example a spindle bearing 11, which is located axially close to the drive rotor 06, and in a second bearing, for example a spindle bearing 12, which is located in the bearing unit 02.
  • the drive unit 01 further comprises a second shaft 14, which runs axially parallel to the first shaft 10 and is mounted in a third bearing, for example a spindle bearing 15 in the drive unit 01 and a fourth bearing located in the bearing unit 02, for example a spindle bearing 16. Furthermore, the drive unit 01, preferably in the area of the bearing unit 02, has two gear wheels 17 which are mounted on the first and second shaft and are used to synchronously drive the second shaft.
  • the two shafts 10, 14 can preferably be made of hardened steel. The shafts are guided into the compressor unit 03 through seals 18.
  • the compressor unit 03 has a compressor housing 19 with a housing cover 20, which is preferably easy to open, on the axial end face which faces away from the bearing unit 02.
  • the rotors remain easily accessible for maintenance purposes via the housing cover that can be opened.
  • the two rotors 21, 22 can for example consist of ceramic, carbon or steel and do not have to be made of the same material as the shafts 10, 14, which extends the areas of application of the screw compressor.
  • the first shaft 10 engages with its free end in a coaxial bore in the main rotor 21, while the second shaft 14 engages with its free end in a coaxial bore in the secondary rotor 22.
  • the shafts 10, 14 thus drive the rotors 21, 22.
  • a pressure chamber is formed between the end faces of the rotors 21, 22 and the inside of the housing cover 20, in which the rotors 21, 22 convey the medium as they rotate.
  • the housing cover 20 has an outlet 23 at which the medium is discharged.
  • the pressure to be achieved on the pressure side of the screw compressor can be set. If the screw compressor is to be adapted, for example, to a changed application, the housing cover can be exchanged, with a changed outlet being provided in order to adapt the output pressure provided by the screw compressor.
  • the compressor unit 03 has a compressor cooling jacket 25, which in turn comprises cooling channels in which the coolant flows.
  • cooling channels 26 also run in the housing cover 20, which conduct cooling medium and are preferred Components of the compressor cooling jacket 25 are. In this way, the pressure space that forms on the pressure side of the rotors can be efficiently cooled.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

The invention relates to a screw compressor for compressing a medium, having a drive unit (01), which has a drive (06, 07), and having a compressor unit (03), which has two intermeshing rotors (21, 22) with mutually complementary screw profiles, and a compressor housing (19) with an inlet (24) and an outlet (23). The rotors (21, 22) are coupled to the drive unit via one shaft (10, 14) each. The shafts (10, 14) are mounted only on the drive side of the rotors (21, 22). The rotors (21, 22) are mounted only on one side with respect to their axial direction and are not mounted on their side which is axially remote from the drive (06, 07). The invention also relates to a screw compressor assembly having screw compressors flow-connected in series.

Description

Schraubenverdichter mit einseitig gelagerten Rotoren Screw compressor with rotors mounted on one side
Die Erfindung betrifft einen Schraubenverdichter, der zur Verdichtung von Medien, insbesondere zur Bereitstellung von Druckluft eingesetzt werden kann. Die Erfindung betrifft außerdem eine Anordnung aus zwei solcher Schraubenverdichtern. The invention relates to a screw compressor which can be used for compressing media, in particular for providing compressed air. The invention also relates to an arrangement comprising two such screw compressors.
Schraubenverdichter, auch Schraubenkompressoren oder Rotationsverdichter genannt, besitzen zwei parallel angeordnete Rotoren (Verdichterschrauben), welche ein konvexes bzw. konkaves Schraubenprofil aufweisen, die ineinander eingreifen und bei Rotation das zwischen den Profilen befindliche Medium fördern und verdichten. Die Rotoren sind beispielsweise durch ein Zahnradpaar zwangsgekoppelt, können aber auch ohne Kopplung betrieben werden, wie es bei Kompressoren mit Fluideinspritzung der Fall ist. An der Wälzlinie zwischen den beiden Rotoren ist der Durchgang für das zu verdichtende Medium mechanisch verschlossen. Das Medium wird in Achsrichtung der Rotoren gefördert. Weiterhin befinden sich im Gehäuse Öffnungen für den Einlass (Saugseite) und den Auslass (Druckseite) des Mediums. Screw compressors, also known as screw compressors or rotary compressors, have two rotors (compressor screws) arranged in parallel, which have a convex or concave screw profile, which engage with one another and convey and compress the medium located between the profiles during rotation. The rotors are positively coupled, for example, by a pair of gears, but can also be operated without coupling, as is the case with compressors with fluid injection. The passage for the medium to be compressed is mechanically closed at the rolling line between the two rotors. The medium is conveyed in the axial direction of the rotors. There are also openings in the housing for the inlet (suction side) and the outlet (pressure side) of the medium.
Die DE 10033 154 C2 beschreibt eine Schraubenverdichteranlage mit einem Verbindungsflansch zwischen dem Druckbehälter und dem Verdichtergehäuse, über welchen die Druckluft dem Druck behälter zuströmt und vorabgeschiedenes Öl dem Verdichter gehäuse wieder zugeführt wird. DE 10033 154 C2 describes a screw compressor system with a connecting flange between the pressure vessel and the compressor housing, via which the compressed air flows to the pressure vessel and pre-separated oil is fed back to the compressor housing.
Die DE 19716 549 C2 offenbart einen Schraubenverdichter für stationäre oder mobile Kompressoren, der über ein Über setzungsgetriebe und eine Kupplung an einem Antriebsmotor angebaut ist. Das Antriebsrad einer Antriebswelle ist auf oder in einem Lagerzapfen eines der beiden Schraubenrotoren und in einer Zwischenwand des Verdichtergehäuses gelagert. Die Antriebswelle und der Lagerzapfen des anderen Rotors sind durch ein Lager in einer Bohrung des Kupplungsgehäuses abgestützt . DE 19716 549 C2 discloses a screw compressor for stationary or mobile compressors, which is attached to a drive motor via a transmission gear and a clutch. The drive wheel of a drive shaft is on or mounted in a journal of one of the two screw rotors and in an intermediate wall of the compressor housing. The drive shaft and the bearing journal of the other rotor are supported by a bearing in a bore in the clutch housing.
Die DE 60117 821 T2 zeigt einen Mehrstufen-Schrauben- verdichter mit zwei oder mehr Verdichterstufen, wobei jede Verdichterstufe ein Paar von Rotoren zum Verdichten eines Gases umfasst. Weiterhin sind zwei oder mehr Antriebsmittel mit veränderbarer Geschwindigkeit vorgesehen, wobei jedes Antriebsmittel eine jeweilige Verdichterstufe antreibt. Eine Steuereinheit steuert die Geschwindigkeiten der Antriebs mittel, wobei das Drehmoment und die Geschwindigkeit jedes Antriebsmittels überwacht wird. DE 60117 821 T2 shows a multi-stage screw compressor with two or more compressor stages, each compressor stage comprising a pair of rotors for compressing a gas. Furthermore, two or more variable speed drive means are provided, each drive means driving a respective compressor stage. A control unit controls the speeds of the drive means, the torque and the speed of each drive means being monitored.
In der EP 3134 649 B9 sind verschiedene Bauformen von Rotorpaaren für Schraubenmaschinen sowie Methoden zu deren konstruktiver Auslegung beschrieben. In EP 3134 649 B9, various designs of rotor pairs for screw machines and methods for their structural design are described.
Bisher bekannte Schraubenverdichter haben den Nachteil, dass ein hoher konstruktiver Aufwand für die Lagerung der Rotoren betrieben werden muss, vergleichsweise hohe Drehzahlen benötigt werden und die Spaltmaße zwischen den Rotoren stabil gehalten werden müssen. Außerdem lassen sich die Schrauben verdichter nur mit hohem Aufwand an veränderte Betriebs anforderungen (Druck, Fördermenge) anpassen, da jeweils die Rotoren, das komplette Rotorgehäuse und die Antriebseinheit überarbeitet werden müssen. Previously known screw compressors have the disadvantage that a great deal of construction effort has to be made for the bearing of the rotors, comparatively high speeds are required and the gap dimensions between the rotors have to be kept stable. In addition, the screw compressors can only be adapted to changed operating requirements (pressure, flow rate) with great effort, since the rotors, the complete rotor housing and the drive unit have to be revised.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, einen verbesserten Schrauben verdichter bereitzustellen, der einen vereinfachten und damit preiswerteren Aufbau besitzt und der sich einfach an unter schiedliche Leistungsanforderungen anpassen lässt. Weiterhin soll eine mehrstufige Schraubenverdichteranordnung bereit gestellt werden, welche ebenfalls einen vereinfachten Aufbau und leichtere Anpassungsmöglichkeiten zeigt. An object of the present invention is based on the prior art to provide an improved screw compressor which is simplified and thus has a cheaper structure and can be easily adapted to different performance requirements. Furthermore, a multi-stage screw compressor arrangement is to be provided, which also has a simplified structure and easier adaptation options.
Die genannten Aufgaben werden durch einen Schraubenverdichter gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Schraubenverdichteranordnung gemäß Anspruch 10 gelöst. The stated objects are achieved by a screw compressor according to claim 1 and by a screw compressor arrangement according to claim 10.
Der erfindungsgemäße Schraubenverdichter dient zur Verdichtung eines Mediums, insbesondere von Gasen, vorzugsweise zur Erzeugung von Druckluft für technische Anwendungen. Der Schraubenverdichter besitzt eine Antriebseinheit, die einen Antrieb aufweist. Der Antrieb ist bevorzugt ein schnell laufender elektrischer Direktantrieb, kann aber beispielsweise auch aus mehreren Antrieben bestehen oder durch einen Antrieb mit einem Übersetzungsgetriebe gebildet sein. Weiterhin besitzt der Schraubenverdichter eine Verdichtereinheit, die zwei ineinandergreifende Rotoren mit zueinander komplementären Schraubenprofilen sowie ein Verdichtergehäuse mit einem Einlass (Saugseite) und einem Auslass (Druckseite) aufweist. Die Rotoren sind über jeweils eine Welle an die Antriebseinheit gekoppelt, wobei die Rotoren und die ihnen zugehörigen Wellen auch einstückig gebildet sein können, regelmäßig aber mehrstückig ausgeführt sind. Die Wellen sind in der Antriebseinheit in Lagern drehbar gelagert. Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist es, dass die Wellen nur auf der Antriebsseite der Rotoren gelagert sind. Die Rotoren sind somit bezogen auf ihrer axiale Richtung lediglich einseitig gelagert. Es handelt sich daher um eine sogenannte fliegende Lagerung der Rotoren bzw. der Wellen auf der Seite der Rotoren. Die Rotoren sind auf ihrer axial vom Antrieb abgewandten Seite nicht gelagert. Dadurch vereinfacht sich der Aufbau drastisch, die Anzahl der benötigten Wellendichtungen kann reduziert werden und der Bauraum reduziert sich in axialer Richtung aufgrund des Wegfalls der Lager am freien Ende der Rotoren. The screw compressor according to the invention is used to compress a medium, in particular gases, preferably to generate compressed air for technical applications. The screw compressor has a drive unit which has a drive. The drive is preferably a high-speed electrical direct drive, but can for example also consist of several drives or be formed by a drive with a transmission gear. Furthermore, the screw compressor has a compressor unit which has two interlocking rotors with mutually complementary screw profiles and a compressor housing with an inlet (suction side) and an outlet (pressure side). The rotors are each coupled to the drive unit via a shaft, wherein the rotors and the shafts associated with them can also be formed in one piece, but are usually designed in several pieces. The shafts are rotatably mounted in bearings in the drive unit. It is essential for the present invention that the shafts are only supported on the drive side of the rotors. The rotors are therefore only supported on one side in relation to their axial direction. It is therefore a matter of a so-called floating mounting of the rotors or the shafts on the side of the rotors. The rotors are on their axial from the drive remote side not stored. This drastically simplifies the structure, the number of shaft seals required can be reduced and the installation space is reduced in the axial direction due to the elimination of the bearings at the free end of the rotors.
Im Stand der Technik werden bisher beidseitig der Rotoren Lager angeordnet. Dies folgt der Forderung nach geringen Spaltmaßen zwischen den Rotoren, den vergleichsweise hohen Drehzahlen, die in Schraubenverdichtern erforderlich sind, und dem Wunsch nach geringem Verschleiß sowie hoher erzielbarer Verdichtung des Mediums. Die Erfindung verlässt diesen Entwicklungsweg und verzichtet auf die zweiseitige Lagerung.In the prior art, bearings have hitherto been arranged on both sides of the rotors. This follows the requirement for small gaps between the rotors, the comparatively high speeds that are required in screw compressors, and the desire for low wear and high compression of the medium that can be achieved. The invention leaves this development path and dispenses with the two-sided storage.
Es hat sich gezeigt, dass die Betriebsparameter eines Schraubenverdichters mit nur einseitiger Lagerung der Rotoren dennoch viele praktische Anwendungsfälle eröffnen und zusätz liche Vorteile erreichbar sind. Insbesondere gestattet der erfindungsgemäße Schraubenverdichter eine einfache Anpassung der Baugröße des Schraubenverdichters durch Längenanpassung der Rotoren, d. h. unterschiedlich lange Rotoren können mit derselben Antriebseinheit kombiniert werden, da eine Änderung der Länge der Wellen nicht erforderlich ist. Durch eine bevor zugt bauteiltechnische Trennung zwischen Wellen und Rotoren können diese Bauteile aus unterschiedlichen Materialien gefertigt werden, was zu einer Kostenersparnis beitragen kann und den Einsatz des Schraubenverdichters auch für unterschied lichste Medien eröffnet. It has been shown that the operating parameters of a screw compressor with only one-sided support of the rotors still open up many practical applications and additional advantages can be achieved. In particular, the screw compressor according to the invention allows the size of the screw compressor to be easily adapted by adjusting the length of the rotors, ie. H. Rotors of different lengths can be combined with the same drive unit, as it is not necessary to change the length of the shafts. With a preferred component separation between shafts and rotors, these components can be manufactured from different materials, which can contribute to cost savings and also opens up the use of the screw compressor for a wide variety of media.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Schrauben profile derart gestaltet, dass bei einer Drehung der Rotoren im Betriebszustand das zu verdichtende Medium von der zum Antrieb hingewandten Seite der Rotoren in Richtung zu der dem Antrieb abgewandten Seite gefördert wird. Insbesondere befindet sich die Druckseite des Verdichtergehäuses auf der vom Antrieb abgewandten Seite der Rotoren und weist dort einen Auslass auf. Die Saugseite der Verdichtereinheit befindet sich somit am zur Antriebseinheit gerichteten axialen Ende der Rotoren bzw. an der radialen Außenseite der Rotoren, während die Druckseite am freien, nicht gelagerten Ende der Rotoren liegt. Dies hat u.a. den Vorteil, dass der erhöhte Druck auf der von den Lagern und Wellendurchführungen abgewandten Seite der Rotoren herrscht, was den Aufwand für erforderliche Dichtungen reduziert. According to a preferred embodiment, the screw profiles are designed such that when the rotors rotate in the operating state, the medium to be compressed is conveyed from the side of the rotors facing the drive in the direction of the side facing away from the drive. In particular the pressure side of the compressor housing is on the side of the rotors facing away from the drive and has an outlet there. The suction side of the compressor unit is thus located on the axial end of the rotors directed towards the drive unit or on the radial outside of the rotors, while the pressure side is located on the free, non-supported end of the rotors. This has the advantage, among other things, that the increased pressure prevails on the side of the rotors facing away from the bearings and shaft bushings, which reduces the cost of the required seals.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass jede der Wellen in der Antriebseinheit in mindestens zwei axial beabstandeten Lagern gelagert ist. Vorzugsweise sind die Wellen in Spindellagern gelagert, so dass eine im wesentlichen spielfreie Lagerung und damit eine hohe Präzision im Lauf verhalten der Rotoren erreicht wird. Damit sind sowohl eine hohe Förderleistung der Verdichtereinheit als auch ein geringer Verschleiß an den Rotoren gewährleistet. A preferred embodiment is characterized in that each of the shafts in the drive unit is mounted in at least two axially spaced bearings. The shafts are preferably mounted in spindle bearings, so that an essentially play-free mounting and thus a high degree of precision in the running behavior of the rotors is achieved. This ensures both a high delivery rate of the compressor unit and low wear on the rotors.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform besitzen die Antriebs einheit und die Verdichtereinheit jeweils Kühlmittel führende Kühlkanäle, die beispielsweise im äußeren Gehäuseabschnitt als Kühlmantel ausgebildet sind. Dies reduziert sowohl die erforderliche Baugröße der Antriebseinheit als auch die nicht rückgewinnbare Verlustwärme. Gemäße einer besonders bevor zugten Ausführungsform erstreckt sich der Kühlmantel am Verdichtergehäuse auch auf die Fläche des Gehäusedeckels um den Auslass (Druckstutzen) herum, was vor allem bei trocken laufenden Rotoren, die zu einer starken Erwärmung des Mediums führen, vorteilhaft ist. Insgesamt gestattet die Anwendung von Kühlkanälen eine effiziente Kühlung sowohl der Antriebseinheit als auch der Verdichtereinheit sowie eine Wärmerückgewinnung, was unter energetischen Gesichtspunkten Vorteile mit sich bringt. In an advantageous embodiment, the drive unit and the compressor unit each have coolant-carrying cooling channels, which are designed, for example, as a cooling jacket in the outer housing section. This reduces both the required size of the drive unit and the non-recoverable heat loss. According to a particularly preferred embodiment, the cooling jacket on the compressor housing also extends to the surface of the housing cover around the outlet (pressure port), which is particularly advantageous in the case of dry rotors that lead to strong heating of the medium. Overall, the use of cooling channels allows efficient cooling of both the drive unit and the compressor unit as well as heat recovery, which brings advantages from an energetic point of view.
Eine weitergebildete Ausführungsform besitzt eine Lager einheit, die Bestandteil der Antriebseinheit ist oder modular eigenständig aufgebaut sein kann. Die Lagereinheit befindet sich zwischen dem Antrieb und der Verdichtereinheit, wobei die Wellen durch die Lagereinheit und dort positionierte Lager verlaufen und sich bis in die Verdichtereinheit erstrecken. Durch diesen modularen Aufbau kann die Antriebseinheit je nach Anwendungsfall mit unterschiedlichen Lagereinheiten ausgerüstet werden. Die Verdichtereinheit stellt bevorzugt ebenfalls ein eigenständiges Modul dar, sodass auch dies abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall ausgetauscht werden kann. A further developed embodiment has a storage unit that is part of the drive unit or can be built independently in a modular manner. The bearing unit is located between the drive and the compressor unit, the shafts running through the bearing unit and bearings positioned there and extending into the compressor unit. Thanks to this modular structure, the drive unit can be equipped with different storage units depending on the application. The compressor unit preferably also represents an independent module, so that this too can be exchanged depending on the particular application.
Es ist vorteilhaft, wenn die nicht gelagerten Enden der Wellen, die sich über die Antriebseinheit hinaus in die Verdichtereinheit erstrecken, in koaxial verlaufenden Bohrungen der Rotoren drehfest befestigt sind, vorzugsweise aber von den Wellen lösbar sind. Beispielsweise geschieht dies durch Aufschrumpfen der Rotoren auf den Enden der Wellen. Die Wellen lassen sich somit ohne Änderungen an der Antriebs einheit mit unterschiedlichen Rotoren bestücken. It is advantageous if the non-supported ends of the shafts, which extend beyond the drive unit into the compressor unit, are fastened in a rotationally fixed manner in coaxially extending bores of the rotors, but are preferably detachable from the shafts. This is done, for example, by shrinking the rotors onto the ends of the shafts. The shafts can therefore be equipped with different rotors without changing the drive unit.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt das Verhältnis Länge : Durchmesser der Rotoren unter 1,5, vorzugsweise im Bereich 0,5 bis 1,2 oder kleiner. Damit ist dieses Verhältnis regelmäßig kleiner als bei Schraubenverdichtern aus dem Stand der Technik, die ein Verhältnis Länge : Durchmesser von etwa 1,5 aufweisen. Durch die vergleichsweise kurzen Rotoren, ent stehen vergleichsweise geringe Kräfte in radialer Richtung. Die erfindungsgemäße Schraubenverdichteranordnung umfasst mindestens zwei strömungstechnisch in Reihe geschaltete Schraubenverdichter, wobei ein erster Schraubenverdichter als Niederdruckstufe arbeitet und mit seiner Druckseite an die Saugseite eines zweiten Schraubenverdichters gekoppelt ist, welcher als Hochdruckstufe arbeitet. Der erste und der zweite Schraubenverdichter sind erfindungsgemäß gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen aufgebaut. According to a preferred embodiment, the length: diameter ratio of the rotors is below 1.5, preferably in the range from 0.5 to 1.2 or smaller. This ratio is thus regularly smaller than in the case of screw compressors from the prior art, which have a length: diameter ratio of approximately 1.5. The comparatively short rotors result in comparatively low forces in the radial direction. The screw compressor arrangement according to the invention comprises at least two screw compressors fluidically connected in series, a first screw compressor operating as a low pressure stage and its pressure side being coupled to the suction side of a second screw compressor which operates as a high pressure stage. According to the invention, the first and the second screw compressor are constructed in accordance with one of the embodiments described above.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform eines Schraubenverdichters, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen: Further advantages, details and developments of the invention emerge from the following description of a preferred embodiment of a screw compressor with reference to the drawing. Show it:
Fig. 1 eine perspektivische Gesamtansicht eines erfindungs gemäßen Schraubenverdichters; Fig. 1 is a perspective overall view of a screw compressor according to the invention;
Fig. 2 eine Schnittansicht des Schraubenverdichters gemäß Fig. 1. FIG. 2 is a sectional view of the screw compressor according to FIG. 1.
Die Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schraubenverdichters in einer vereinfachten, perspektivischen Ansicht von außen, während die Einzelheiten in Fig. 2 in einer geschnittenen Ansicht dargestellt sind. 1 shows an exemplary embodiment of a screw compressor according to the invention in a simplified, perspective view from the outside, while the details in FIG. 2 are shown in a sectional view.
Der Schraubenverdichter besitzt eine Antriebseinheit 01, eine dieser funktional zugehörige Lagereinheit 02 und eine Verdichtereinheit 03. Die Lagereinheit 02 befindet sich in axialer Richtung betrachtet zwischen der Antriebseinheit 01 und der Verdichtereinheit 03. Bevorzugt sind diese genannten Einheiten modular aufgebaut, sodass sie angepasst an den jeweiligen Anwendungsfall zusammengesetzt werden können. Insbesondere die Antriebseinheit 01 und die Lagereinheit 02 können aber auch als bauliche Einheit ausgebildet sein. The screw compressor has a drive unit 01, a functionally associated bearing unit 02 and a compressor unit 03. The bearing unit 02 is located between the drive unit 01 and the compressor unit 03 when viewed in the axial direction Use case can be composed. In particular, the drive unit 01 and the bearing unit 02 can also be designed as a structural unit.
Die Antriebseinheit 01 besitzt ein Antriebsgehäuse 05, in welchem ein elektrischer Direktantrieb mit einem innen liegenden Antriebsrotor 06 und einem außenliegenden Antriebs stator 07 angeordnet sind. Außerdem ist ein äußerer Antriebs kühlmantel 08 mit Kühlkanälen vorgesehen, die von einem Kühlmedium durchströmt werden. Der Antriebsrotor 06 ist mit einer ersten Welle 10 verbunden, um diese in Rotation zu versetzen. Die erste Welle 10 ist in einem ersten Lager, beispielsweise einem Spindellager 11, welches sich axial nah am Antriebsrotor 06 befindet, und in einem zweiten Lager, beispielsweise einem Spindellager 12, welches sich in der Lagereinheit 02 befindet, gelagert. The drive unit 01 has a drive housing 05 in which an electrical direct drive with an internal drive rotor 06 and an external drive stator 07 are arranged. In addition, an outer drive cooling jacket 08 is provided with cooling channels through which a cooling medium flows. The drive rotor 06 is connected to a first shaft 10 in order to set it in rotation. The first shaft 10 is mounted in a first bearing, for example a spindle bearing 11, which is located axially close to the drive rotor 06, and in a second bearing, for example a spindle bearing 12, which is located in the bearing unit 02.
Die Antriebseinheit 01 umfasst weiterhin eine zweite Welle 14, die achsparallel zur ersten Welle 10 verläuft und in einem dritten Lager, beispielsweise einem Spindellager 15 in der Antriebseinheit 01 sowie einem in der Lagereinheit 02 befindlichen vierten Lager, beispielsweise einem Spindellager 16 gelagert ist. Weiterhin besitzt die Antriebseinheit 01, vorzugsweise im Bereich der Lagereinheit 02 zwei Getrieberäder 17, die auf der ersten bzw. zweiten Welle angebracht sind und dem synchronen Antrieb der zweiten Welle dienen. Die beiden Wellen 10, 14 können bevorzugt aus gehärtetem Stahl gefertigt sein. Die Wellen sind durch Dichtungen 18 in die Verdichter einheit 03 hineingeführt. The drive unit 01 further comprises a second shaft 14, which runs axially parallel to the first shaft 10 and is mounted in a third bearing, for example a spindle bearing 15 in the drive unit 01 and a fourth bearing located in the bearing unit 02, for example a spindle bearing 16. Furthermore, the drive unit 01, preferably in the area of the bearing unit 02, has two gear wheels 17 which are mounted on the first and second shaft and are used to synchronously drive the second shaft. The two shafts 10, 14 can preferably be made of hardened steel. The shafts are guided into the compressor unit 03 through seals 18.
Die Verdichtereinheit 03 besitzt ein Verdichtergehäuse 19 mit einem vorzugsweise leicht zu öffnenden Gehäusedeckel 20 an der axialen Stirnseite, welche von der Lagereinheit 02 abgewandt ist. Innerhalb des Verdichtergehäuses 19 befinden sich ein Hauptrotor 21 und eine Nebenrotor 22, die achsparallel positioniert sind und zueinander komplementäre, ineinander- greifende Schraubenprofile tragen. Die Rotoren bleiben über den zu öffnenden Gehäusedeckel für Wartungszwecke leicht zugänglich. Die beiden Rotoren 21, 22 können beispielsweise aus Keramik, Carbon oder Stahl bestehen und müssen nicht aus demselben Material wie die Wellen 10, 14 hergestellt sein, was die Einsatzbereiche des Schraubenverdichters erweitert. The compressor unit 03 has a compressor housing 19 with a housing cover 20, which is preferably easy to open, on the axial end face which faces away from the bearing unit 02. Inside the compressor housing 19 are a Main rotor 21 and a secondary rotor 22, which are positioned axially parallel and have mutually complementary, interlocking screw profiles. The rotors remain easily accessible for maintenance purposes via the housing cover that can be opened. The two rotors 21, 22 can for example consist of ceramic, carbon or steel and do not have to be made of the same material as the shafts 10, 14, which extends the areas of application of the screw compressor.
Die erste Welle 10 greift mit ihrem freien Ende in eine koaxiale Bohrung des Hauptrotors 21 ein, während die zweite Welle 14 mit ihrem freien Ende in eine koaxiale Bohrung des Nebenrotors 22 eingreift. Die Wellen 10, 14 treiben somit die Rotoren 21, 22 an. Auf der zum Gehäusedeckel 20 gewandten Seite der Rotoren 21, 22 sind diese nicht gelagert. Zwischen den Stirnseiten der Rotoren 21, 22 und der Innenseite des Gehäusedeckels 20 bildet sich ein Druckraum aus, in welchen die Rotoren 21, 22 bei ihrer Drehung das Medium fördern. Der Gehäusedeckel 20 besitzt einen Auslass 23, an welchem das Medium ausgegeben wird. Am Verdichtergehäuse 19 ist außerdem ein Einlass 24 vorhanden, über welchen das Medium eingesaugt wird. Durch die Dimensionierung des Auslasses 23 kann der auf der Druckseite des Schraubenverdichters zu erreichende Druck eingestellt werden. Soll der Schraubenverdichter beispiels weise an einen veränderten Anwendungsfall angepasst werden, lässt sich der Gehäusedeckel austauschen, wobei ein veränderter Auslass vorgesehen wird, um den vom Schrauben verdichter bereitgestellten Ausgangsdruck anzupassen. The first shaft 10 engages with its free end in a coaxial bore in the main rotor 21, while the second shaft 14 engages with its free end in a coaxial bore in the secondary rotor 22. The shafts 10, 14 thus drive the rotors 21, 22. On the side of the rotors 21, 22 facing the housing cover 20, these are not supported. A pressure chamber is formed between the end faces of the rotors 21, 22 and the inside of the housing cover 20, in which the rotors 21, 22 convey the medium as they rotate. The housing cover 20 has an outlet 23 at which the medium is discharged. On the compressor housing 19 there is also an inlet 24 through which the medium is sucked in. By dimensioning the outlet 23, the pressure to be achieved on the pressure side of the screw compressor can be set. If the screw compressor is to be adapted, for example, to a changed application, the housing cover can be exchanged, with a changed outlet being provided in order to adapt the output pressure provided by the screw compressor.
Schließlich besitzt die Verdichtereinheit 03 einen Verdichter kühlmantel 25, der wiederum Kühlkanäle umfasst, in denen das Kühlmittel strömt. Vorzugsweise verlaufen auch im Gehäuse deckel 20 Kühlkanäle 26, die Kühlmedium führen und bevorzugte Bestandteile des Verdichterkühlmantels 25 sind. Auf diese Weise kann der Druckraum, der sich an der Druckseite der Rotoren ausbildet, effizient gekühlt werden. Finally, the compressor unit 03 has a compressor cooling jacket 25, which in turn comprises cooling channels in which the coolant flows. Preferably, cooling channels 26 also run in the housing cover 20, which conduct cooling medium and are preferred Components of the compressor cooling jacket 25 are. In this way, the pressure space that forms on the pressure side of the rotors can be efficiently cooled.
Bezugs Zeichen Reference sign
01 - Antriebseinheit 02 - Lagereinheit 03 - Verdichtereinheit 04 -01 - Drive unit 02 - Bearing unit 03 - Compressor unit 04 -
05 - Antriebsgehäuse 06 - Antriebsrotor 07 - Antriebsstator 08 - Antriebskühlmantel 09 -05 - drive housing 06 - drive rotor 07 - drive stator 08 - drive cooling jacket 09 -
10 - erste Welle 10 - first wave
11 - erstes Spindellager 11 - first spindle bearing
12 - zweites Spindellager 12 - second spindle bearing
13 -13 -
14 - zweite Welle 14 - second wave
15 - drittes Spindellager 15 - third spindle bearing
16 - viertes Spindellager 16 - fourth spindle bearing
17 - Getrieberäder 17 - gears
18 - Dichtungen 18 - seals
19 - Verdichtergehäuse 19 - Compressor housing
20 - Gehäusedeckel 20 - housing cover
21 - Hauptrotor 21 - main rotor
22 - Nebenrotor 22 - secondary rotor
23 - Auslass 23 - outlet
24 - Einlass 24 - inlet
25 - Verdichterkühlmantel 25 - Compressor cooling jacket
26 - Kühlkanäle 26 - cooling channels

Claims

Patentansprüche Claims
1. Schraubenverdichter zur Verdichtung eines Mediums mit einer Antriebseinheit (01), die einen Antrieb (06, 07) aufweist, und mit einer Verdichtereinheit (03), die zwei ineinandergreifende Rotoren (21, 22) mit zueinander komplementären Schraubenprofilen sowie ein Verdichtergehäuse (19) mit einem Einlass (24) und einem Auslass (23) aufweist, wobei die Rotoren (21, 22) über jeweils eine Welle (10, 14) an die Antriebseinheit gekoppelt sind, und wobei die Wellen drehbar gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellen (10, 14) nur auf der Antriebsseite der Rotoren (21, 22) gelagert sind, wobei die Rotoren (21, 22) bezogen auf ihre axiale Richtung nur einseitig gelagert sind und auf ihrer axial vom Antrieb (06, 07) abgewandten Seite nicht gelagert sind. 1. Screw compressor for compressing a medium with a drive unit (01), which has a drive (06, 07), and with a compressor unit (03), the two intermeshing rotors (21, 22) with mutually complementary screw profiles and a compressor housing (19 ) having an inlet (24) and an outlet (23), wherein the rotors (21, 22) are each coupled to the drive unit via a shaft (10, 14), and wherein the shafts are rotatably mounted, characterized in that the shafts (10, 14) are only mounted on the drive side of the rotors (21, 22), the rotors (21, 22) being mounted on only one side with respect to their axial direction and facing away from the drive (06, 07) axially on theirs Side are not stored.
2. Schraubenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubenprofile gestaltet sind, um bei einer Drehung der Rotoren (21, 22) das zu verdichtende Medium von der zum Antrieb hingewandten Seite der Rotoren in Richtung zu der dem Antrieb abgewandten2. Screw compressor according to claim 1, characterized in that the screw profiles are designed to move the medium to be compressed from the side of the rotors facing the drive in the direction of that facing away from the drive when the rotors (21, 22) rotate
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3. Schraubenverdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Druckseite des Verdichtergehäuses (19) auf der vom Antrieb abgewandten Seite der Rotoren befindet und den Auslass (23) aufweist. 3. Screw compressor according to claim 2, characterized in that the pressure side of the compressor housing (19) is on the side of the rotors facing away from the drive and has the outlet (23).
4. Schraubenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Wellen (10, 14) in der Antriebseinheit (01) in mindestens zwei axial beabstandeten Lagern gelagert ist. 4. Screw compressor according to one of claims 1 to 3, characterized in that each of the shafts (10, 14) is mounted in the drive unit (01) in at least two axially spaced bearings.
5. Schraubenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellen (10, 14) in Spindellagern gelagert sind. 5. Screw compressor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the shafts (10, 14) are mounted in spindle bearings.
Schraubenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (01) und die Verdichtereinheit (03) jeweils Kühlmittel führende Kühlkanäle aufweisen. Screw compressor according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the drive unit (01) and the compressor unit (03) each have cooling channels carrying coolant.
7. Schraubenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (01) eine Lagereinheit (02) besitzt, welche sich zwischen dem Antrieb und der Verdichtereinheit (03) befindet, wobei die Wellen (10, 14) durch die Lagereinheit (02) und dort positionierte Lager (11, 12; 15, 14) verlaufen und sich bis in die Verdichtereinheit (03) erstrecken. 7. Screw compressor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the drive unit (01) has a bearing unit (02) which is located between the drive and the compressor unit (03), the shafts (10, 14) through the The bearing unit (02) and the bearings (11, 12; 15, 14) positioned there run and extend into the compressor unit (03).
8. Schraubenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die aus der Antriebseinheit (01) heraustretenden Enden der Wellen (10, 14) in koaxial verlaufenden Bohrungen der Rotoren (21, 22) drehfest befestigt sind. 8. Screw compressor according to one of claims 1 to 7, characterized in that the ends of the shafts (10, 14) protruding from the drive unit (01) are fastened in a rotationally fixed manner in coaxial bores of the rotors (21, 22).
9. Schraubenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis 9. Screw compressor according to one of claims 1 to 8, characterized in that the ratio
Länge : Durchmesser der Rotoren (21, 22) im Bereich 0,2 bis 1,2 liegt. Length: diameter of the rotors (21, 22) is in the range 0.2 to 1.2.
10. Schraubenverdichteranordnung mit strömungstechnisch in10. Screw compressor arrangement with fluidic in
Reihe geschalteten Schraubenverdichtern, wobei ein erster Schraubenverdichter als Niederdruckstufe arbeitet und mit seiner Druckseite an die Saugseite eines zweiten Schraubenverdichters gekoppelt ist, welcher alsSeries connected screw compressors, wherein a first screw compressor works as a low pressure stage and is coupled with its pressure side to the suction side of a second screw compressor, which as
Hochdruckstufe arbeite, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Schraubenverdichter jeweils gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 aufgebaut sind. High-pressure stage work, characterized in that the first and the second screw compressor are each constructed according to one of claims 1 to 9.
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