EP4330552B1 - Drive system for a multistage screw compressor - Google Patents

Drive system for a multistage screw compressor

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EP4330552B1
EP4330552B1 EP22725469.5A EP22725469A EP4330552B1 EP 4330552 B1 EP4330552 B1 EP 4330552B1 EP 22725469 A EP22725469 A EP 22725469A EP 4330552 B1 EP4330552 B1 EP 4330552B1
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EP
European Patent Office
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drive
compressor
shaft
main rotor
stage
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EP22725469.5A
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German (de)
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EP4330552A1 (en
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Rainer OBERHAUSEN
Michael Federmann
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Compair Drucklufttechnik Zweigniederlassung der Gardner Denver Deutschland GmbH
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Compair Drucklufttechnik Zweigniederlassung der Gardner Denver Deutschland GmbH
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Definitions

  • the present invention relates to improvements in the drive of a multi-stage screw compressor and in particular a two-stage screw compressor in which the main rotors of the stages are driven via a common drive shaft.
  • a 3-wheel gearbox is conventionally used, in which a drive wheel arranged on the drive shaft engages with the two drive pinions arranged on the respective screw shaft of the first and second compressor stages to drive the two compressor stages.
  • an intermediate pressure develops between the first and second stages, dependent on the final pressure, which essentially corresponds to the final pressure of the first stage.
  • This intermediate pressure arises because the first stage delivers a higher volume flow than the second stage can dissipate. Consequently, the speed of the second stage must be set to a defined ratio relative to the speed of the first stage to achieve optimal intermediate pressure.
  • the respective pressure ratios of the individual compressor stages determine the distribution of the total output within the two-stage compressor.
  • a compressor generates pressure by enclosing a certain volume of air and continuously reducing the volume of that enclosed air until a defined pressure is reached.
  • the volume ratio that is, the initial volume of the enclosed gas (when the compressor's pressure chamber is closing) to the final volume at the point of defined pressure (when the pressure chamber opens again)—is determined during the compressor's design and remains constant. Maximum efficiency is achieved when the compressor's pressure chamber opens and the pressure in the adjacent pressure chamber is the same.
  • this pressure chamber is, in the first stage, the space between the two compressor stages with the intermediate pressure described above.
  • this pressure chamber is the one connected to the Compressor connected pressure vessels or the consumer network, which has the constant final pressure.
  • the intermediate pressure corresponds to the intake pressure of the second compressor stage, where the intake pressure is the pressure present when the pressure chamber of the respective compressor stage is closed. Consequently, if the intermediate pressure deviates from the optimal setting, the optimal intake pressure is not generated during the compression process in the second stage, resulting in over- or under-compression with respect to the final pressure and thus a significant loss of efficiency in the two-stage compressor.
  • the intermediate pressure must be adjusted to the respective final pressure by adjusting the speed of the two compressor stages in order to achieve maximum efficiency.
  • the rotors of the two compressor stages are installed in a common rotor housing, so the position of the driven main rotors is fixed and the gearbox consequently has a constant center distance.
  • the gear ratio between the first and second stages can only be changed to a very small extent by modifying the tooth geometry, for example by shifting the profile of the meshing gears.
  • JP 2020 037922 A This discloses a drive system for a multi-stage screw compressor with the features of the preamble of claim 1, as well as a corresponding screw compressor.
  • Helical toothed input and output pinions and their technical effects and advantages are also known, but not disclosed in the prior art in an obvious manner with the other features of claim 1.
  • the present invention aims to avoid the aforementioned problem and to enable changes in the overall power, final pressure, or volume flow rate of a multi-stage, and in particular two-stage, compressor, especially in the case of a fixed and unchangeable distance between the main rotor axes and the drive shaft, without significant efficiency losses. Furthermore, the present invention offers numerous other advantages, which will be discussed in detail below.
  • the drive system includes a drive shaft for driving the shafts of both main rotors of the first and second compressor stages.
  • the drive of the shaft of the first main rotor is independent of the drive of the shaft of the second main rotor.
  • the drive of the shaft of the first main rotor is independent of the drive of the shaft of the second.
  • the speeds of the main rotors can be adjusted independently of each other.
  • the ratio of the rotational speeds to each other is preferably freely selectable, whereas the speed ratio of the two rotors in a conventional 3-wheel gearbox is fixed by the design.
  • an independent drive of the two shafts of the main rotors is to be understood as meaning that the two shafts are driven by a common drive shaft, but, in contrast to the 3-wheel transmission of the prior art, not via the same drive wheel on the drive shaft.
  • the drive shaft has two drive wheels mounted on it that are fixed against rotation.
  • the first of these two drive wheels engages with a first output pinion that is fixed against rotation on the shaft of the first main rotor, while the second of the two drive wheels engages with a second output pinion that is fixed against rotation on the shaft of the second main rotor.
  • the 4-wheel gearbox according to the invention makes it very easy to adjust the intermediate pressure by freely selecting the gear ratios between the two compressor stages, and it also allows for coverage of ranges that are not achievable with a simple change in the tooth geometry of a 3-wheel gearbox. This leads to significant advantages in compressor operation when the total power output changes, the final pressure varies, and the volumetric flow rates are altered, as thermodynamically induced power losses due to over- or under-compression can be avoided.
  • the intermediate pressure is no longer essentially determined by the predetermined center distance as described above for the 3-wheel transmission, the arrangement of the individual compressor stages can be freely selected.
  • the 4-wheel drive according to the invention allows for the free arrangement of all compressor stages, it also offers the possibility, unlike 3-wheel drives, of freely designing the inlets and outlets, as well as the spaces within the compressor housing. This enables the implementation of a fluid-mechanically optimal arrangement by reducing deflections and adapting the arrangement of the internal flow channels and the inlets and outlets. Consequently, in addition to the increased compactness, this results in a further significant efficiency gain.
  • the invention allows for the simple adjustment of the best possible intermediate pressure by freely choosing the translation ratios between The two compressor stages also allow for the optimization of an oil-flooded compressor operated at constant speed, since in this case the injection temperature of the oil, which also has a strong influence on the intermediate pressure and efficiency, can be chosen thermodynamically favorably just above the point of condensation.
  • a preferred embodiment of the present invention relates to an oil-injected compressor in which the drive system according to the invention is used.
  • the 4-wheel gear arrangement according to the invention also has advantageous effects on the design and service life of the bearings used in the system for the rotor shafts, as will be shown below.
  • a screw compressor typically comprises one or more pairs of main and secondary rotors that mesh together in a helical shape.
  • the screws of the two rotors each have different pitches and numbers of teeth, so that during rotation, a chamber forms between each tooth gap of the rotors. This chamber continuously shrinks, thus generating the desired pressure. Consequently, different pressures arise at different axial points of the screw pair.
  • This pressure gradient generates axial and radial forces on the rotors, which are absorbed by the bearings of the two rotors.
  • the forces caused and generated by the rotor geometry depend on the intermediate and final pressure, but not on the compressor's power output.
  • the resulting radial force is absorbed by the radial bearings, and the axial force by the axial bearings. Due to the different geometries of the main and secondary rotors, the contributions of the resulting forces differ in the radial and axial directions. The greatest axial force typically occurs in the main rotor.
  • the intermediate pressure which represents the discharge pressure of the first stage as well as the intake pressure of the second stage, also influences the bearing forces of the individual compressor stages. If the intermediate pressure is too high, the bearings of the first stage are subjected to greater stress; if it is too low, the bearings of the second stage are subjected to greater stress.
  • the intermediate pressure in conventional three-wheel drives cannot be kept constant when the total power output changes, when different discharge pressures are used, when volume flows are altered, and also when different injection temperatures occur in the case of an oil-flooded compressor.
  • the two drive wheels on the drive shaft can be positioned in contact with each other, which can lead to increased stability of the drive wheels against axially acting forces.
  • the transmission between the second drive wheel and the second output pinion can have a different or the same gear ratio as the transmission between the first drive wheel and the first output pinion, in order to ensure the higher speed of the second compressor stage that is usually necessary in operation.
  • the toothing between at least one of the drive gears and the corresponding output pinion can be inclined relative to the axial extent of the drive shaft.
  • the toothing between both drive gears and their respective output pinions is inclined relative to the axial extent of the drive shaft, with the angles formed by the toothing of each drive gear with the output pinion relative to the axial extent of the drive shaft being different.
  • the angles formed by the toothing of each drive gear with the output pinion relative to the axial extent of the drive shaft have opposite signs.
  • Helical gearing of the drive wheels and the respective output pinions can be advantageously used to control axial forces acting on the rotors and their shafts during operation, as described in detail below.
  • helical gearing on the drive gear and the driven pinion results in additional forces within the system.
  • the helical gearing generates axial forces, dependent on the helix angle, which act on the drive shaft and the driven rotor.
  • the forces generated by the gears depend on the compressor's power output and the selected gear ratio.
  • the forces resulting from the helical gearing can either load or relieve the axial rotor bearing of the driven main rotor. This may allow for the use of smaller axial bearings on the rotors, or conversely, the application of a defined force to the axial rotor bearing.
  • the gear forces acting on the rotor bearings can also be controlled or reduced by appropriately selected and matched helical gearing of the individual drive gears. If a high axial force is generated at the driven rotor of a screw compressor due to the geometry of the rotors and the resulting pressure differential, the axial force generated by the pressure differential can be counteracted or increased individually at each compressor stage using the 4-gear transmission according to the invention and corresponding helical gearing between the respective drive gear and associated output pinion.
  • This adjustment of bearing forces has the advantage that smaller bearings can be used, resulting in cost savings, and a longer bearing lifespan can be achieved.
  • the drive system described in detail above is used in a two-stage compressor, wherein in a preferred embodiment it is an oil-injected compressor in which the advantages of the invention described in detail above can be used to a particularly beneficial effect.
  • Figure 1 shows a perspective view of a compressor 1 with a compressor housing 2 in which an embodiment of the drive system according to the invention is housed.
  • the compressor shown in the figures is an oil-injected compressor, but the drive system according to the invention, as described above, can also be used in compressors that do not have oil injection.
  • the compressor has an inlet 3 and an outlet 4 through which the medium to be compressed is supplied and discharged, as indicated by the arrows.
  • the drive shaft 5, which protrudes from the housing 2, is driven rotationally in the direction indicated by arrow R by means of a motor (not shown).
  • the in Figure 1 The compressor 1 shown is in Figure 2 shown again in a frontal view.
  • the compressor shown (1) is a two-stage compressor, and the two compressor stages 10 and 20 are located in the Figures 3-5 depicted.
  • the first compressor stage 10 comprises a main rotor 11 and a secondary rotor 14, which rotate to compress the medium led into the housing 2 via the inlet 3. interlock.
  • the two rotors 11 and 14 are mounted on their respective shafts 12 and 15 in a rotationally fixed manner.
  • the second compressor stage 20 also comprises a main rotor 21 and a secondary rotor 24, which rotate and interlock to further compress the medium delivered by the first compressor stage 10.
  • the two rotors 21 and 24 of the second compressor stage 20 are also mounted to their respective shafts 22 and 25 in a rotationally fixed manner.
  • the drive shaft 5 has a first drive wheel 51 and a second drive wheel 52 for independently driving the two compressor stages 10, 20, each of which is mounted on the drive shaft 5 in a rotationally fixed manner.
  • the first drive wheel 51 has teeth on its circumferential surface that engage with corresponding teeth on a first output pinion 13, which is mounted non-rotatably on the shaft 12 of the first main rotor 11.
  • rotation of the drive shaft 5 and the first drive wheel 51 results in a corresponding rotation of the shaft 12 of the first main rotor 11.
  • the first auxiliary rotor 14 is driven by the first main rotor 11 via the helical gearing with a transmission ratio determined by the respective number of teeth on the two rotors.
  • the rotational speed of the first main rotor 11 is determined by the transmission ratio between the first drive wheel 51 and the first output pinion 13.
  • the first main rotor and the first secondary rotor can also be rotaryally connected to each other via a further gearbox that is sufficiently known to those skilled in the art, so that the two rotors rotate synchronously in an interlocking manner during operation.
  • the toothing 16 between the first drive gear 51 and the first output pinion 13 is inclined with respect to the axis 5A of the shaft 5, as will be described later in connection with the Figures 6a and 6b will be described in more detail.
  • the second drive wheel 52 also has teeth on its circumferential surface, which, however, engage with corresponding teeth on a second output pinion 23 that is rotationally fixed on the shaft 22 of the second main rotor 21, so that a rotation of the drive shaft 5 and the second drive wheel 52 results in a corresponding rotation of the shaft 22 of the first main rotor 21.
  • the second auxiliary rotor 24 is driven by the second main rotor 21 via the helical teeth with a gear ratio that is
  • the rotational speed of the second main rotor 21 is determined by the gear ratio between the second drive gear 52 and the second output pinion 23 and can be adjusted independently of the rotational speed of the first main rotor 11 by appropriately adjusting the radial size of the two elements.
  • the second main rotor and the second auxiliary rotor can be rotaryally connected to each other via a further gearbox that is sufficiently known to those skilled in the art, so that the two rotors rotate synchronously and interlock during operation.
  • the toothing 26 between the second drive gear 52 and the second output pinion 23 is also inclined with respect to the axis 5A of the shaft 5, as will be described later in connection with the Figures 6a and 6b will be described in more detail.
  • the teeth arranged and engaged on the circumferential sides of the drive wheels 51 and 52 and the output pinions 13 and 23 are arranged at an angle with respect to the axis 5A of the drive shaft.
  • the teeth arranged on the first drive wheel 51 form an angle ⁇ with the axis 5A
  • the teeth arranged on the second drive wheel 52 form an angle ⁇ with the axis 5A, as shown in Figure 6a is shown schematically.
  • angles ⁇ and ⁇ with respect to axis 5A have the same sign, so that the resulting axial forces on the drive shaft 5 are in the same direction.
  • Figure 7f shows an example of a three-stage compressor which uses a drive system according to the invention, in which an additional third drive wheel 53 is mounted non-rotatably on the drive shaft 5 and engages in a third output pinion 33 which is mounted non-rotatably on the shaft 32 of a main rotor of the third compressor stage, in order to realize a drive of a third compressor stage which is conditioned via the common drive shaft 5 but is independent of the drive of the first two compressor stages.

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Description

AnwendungsgebietApplication area

Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen beim Antrieb eines Mehrstufen-Schraubenverdichters und insbesondere einen zweistufigen Schraubenverdichter, bei dem die Hauptrotoren der Stufen über eine gemeinsame Antriebswelle angetrieben werden.The present invention relates to improvements in the drive of a multi-stage screw compressor and in particular a two-stage screw compressor in which the main rotors of the stages are driven via a common drive shaft.

Technischer HintergrundTechnical background

Bei einem Mehrstufen-Schraubenverdichter wird herkömmlicherweise ein 3-Rad Getriebe verwendet, bei dem ein auf der Antriebswelle angeordnetes Antriebsrad mit den beiden auf der jeweiligen Schraubenwelle der ersten und zweiten Verdichterstufe angeordneten Antriebsritzeln in Eingriff steht, um die beiden Verdichterstufen anzutreiben.In a multi-stage screw compressor, a 3-wheel gearbox is conventionally used, in which a drive wheel arranged on the drive shaft engages with the two drive pinions arranged on the respective screw shaft of the first and second compressor stages to drive the two compressor stages.

Dies bringt verschiedene Nachteile mit sich, die im Folgenden im Detail beschrieben werden.This entails several disadvantages, which are described in detail below.

Bei einem zweistufigen Schraubenverdichter entsteht zwischen der ersten und zweiten Stufe ein vom Enddruck abhängiger Zwischendruck, der im Prinzip dem Enddruck der ersten Stufe entspricht. Dieser Zwischendruck entsteht dadurch, dass die erste Stufe mehr Volumenstrom fördert als die zweite Stufe abtransportieren kann. Daraus folgt, dass die Drehzahl der zweiten Stufe in einem definierten Verhältnis auf die Drehzahl der ersten Stufe eingestellt werden muss, damit ein optimaler Zwischendruck entsteht. Die jeweiligen Druckverhältnisse der einzelnen Verdichterstufen bestimmen wiederum die Aufteilung der Gesamtleistung innerhalb des zweistufigen Verdichters.In a two-stage screw compressor, an intermediate pressure develops between the first and second stages, dependent on the final pressure, which essentially corresponds to the final pressure of the first stage. This intermediate pressure arises because the first stage delivers a higher volume flow than the second stage can dissipate. Consequently, the speed of the second stage must be set to a defined ratio relative to the speed of the first stage to achieve optimal intermediate pressure. The respective pressure ratios of the individual compressor stages, in turn, determine the distribution of the total output within the two-stage compressor.

Der Zwischendruck hat hierbei wesentliche Auswirkungen auf die gesamte Effizienz des Verdichters. Grundsätzlich erzeugt ein Verdichter Druck indem er eine gewisse Luftmenge einschließt und das Volumen der eingeschlossenen Luftmenge kontinuierlich verkleinert, bis ein definierter Druck entsteht. Das Volumenverhältnis, also das Anfangsvolumen des eingeschlossenen Gases (wenn die Druckkammer des Verdichters sich gerade schließt) zu dem Endvolumen zum Zeitpunkt des definierten Druckes (wenn die Druckkammer sich wieder öffnet), wird bei der Konstruktion des Verdichters festgelegt und ist konstant. Die höchste Effizienz wird erreicht, wenn die Druckkammer des Verdichters sich öffnet und hierbei in dem sich daran anschließenden Druckraum der gleiche Druck herrscht.Intermediate pressure has a significant impact on the overall efficiency of the compressor. Essentially, a compressor generates pressure by enclosing a certain volume of air and continuously reducing the volume of that enclosed air until a defined pressure is reached. The volume ratio—that is, the initial volume of the enclosed gas (when the compressor's pressure chamber is closing) to the final volume at the point of defined pressure (when the pressure chamber opens again)—is determined during the compressor's design and remains constant. Maximum efficiency is achieved when the compressor's pressure chamber opens and the pressure in the adjacent pressure chamber is the same.

Bei einem zweistufigen Verdichter ist dieser Druckraum bei der ersten Stufe der Zwischenraum zwischen den beiden Verdichterstufen mit dem oben beschriebenen Zwischendruck. Bei der zweiten Stufe des Verdichters ist dieser Druckraum der an den Verdichter angeschlossene Druckbehälter bzw. das Verbrauchernetz, das den konstanten Enddruck aufweist.In a two-stage compressor, this pressure chamber is, in the first stage, the space between the two compressor stages with the intermediate pressure described above. In the second stage of the compressor, this pressure chamber is the one connected to the Compressor connected pressure vessels or the consumer network, which has the constant final pressure.

Herrscht in dem jeweiligen Druckraum ein höherer Druck als in der Druckkammer zum Zeitpunkt des Öffnens, spricht man von einer Unterverdichtung. Im gegenteiligen Fall, d.h. wenn in dem jeweiligen Druckraum ein niedrigerer Druck als in der Druckkammer zum Zeitpunkt des Öffnens herrscht, spricht man von einer Überverdichtung. In beiden Fällen, d.h. sowohl bei einer Überverdichtung, als auch bei einer Unterverdichtung entstehen signifikante Effizienzverluste.If the pressure in the pressure chamber is higher than in the pressure chamber at the time of opening, this is called undercompression. Conversely, if the pressure in the pressure chamber is lower than in the pressure chamber at the time of opening, this is called overcompression. In both cases, significant efficiency losses occur.

Bei einem zweistufigen Verdichter entspricht der Zwischendruck dem Ansaugdruck der zweiten Verdichterstufe, wobei der Ansaugsaugdruck derjenige Druck ist, der beim Schließen des Druckraumes der jeweiligen Verdichterstufe herrscht. Weicht folglich der Zwischendruck von der optimalen Einstellung ab, wird während des Verdichtungsprozesses in der zweiten Stufe nicht der optimale Ansaugdruck erzeugt und es kommt bzgl. des Enddrucks zu einer eine Über- bzw. Unterverdichtung und somit zu einem signifikanten Effizienzverlust des zweistufigen Verdichters.In a two-stage compressor, the intermediate pressure corresponds to the intake pressure of the second compressor stage, where the intake pressure is the pressure present when the pressure chamber of the respective compressor stage is closed. Consequently, if the intermediate pressure deviates from the optimal setting, the optimal intake pressure is not generated during the compression process in the second stage, resulting in over- or under-compression with respect to the final pressure and thus a significant loss of efficiency in the two-stage compressor.

Betreibt man folglich einen zweistufigen Verdichter mit einem durch die Konstruktion fest vorgegebenen Volumenverhältnis bei unterschiedlichen Enddrücken, so muss der Zwischendruck durch eine Drehzahlanpassung der beiden Verdichterstufen auf den jeweiligen Enddruck eingestellt werden, um die maximale Effizienz zu erreichen.Therefore, if a two-stage compressor is operated with a volume ratio fixed by its design at different final pressures, the intermediate pressure must be adjusted to the respective final pressure by adjusting the speed of the two compressor stages in order to achieve maximum efficiency.

Betreibt man hingegen einen zweistufigen Schraubenverdichter bei unterschiedlichen Leistungen, wird zur Beeinflussung der Leistung des Schraubenverdichters die Drehgeschwindigkeit der ersten Stufe verändert und die Drehgeschwindigkeit der zweiten Stufe muss darauf angepasst werden, um den optimale Zwischendruck zu erzielen, der die höchste Effizienz erzeugt.However, if a two-stage screw compressor is operated at different power levels, the rotational speed of the first stage is changed to influence the performance of the screw compressor, and the rotational speed of the second stage must be adjusted accordingly to achieve the optimal intermediate pressure that generates the highest efficiency.

Üblicherweise werden jedoch die Rotoren der beiden Stufen des Verdichters in einem gemeinsamen Läufergehäuse verbaut, so dass die Lage der angetriebenen Hauptrotoren festgelegt ist und das Getriebe folglich einen unveränderlichen Achsabstand aufweist. Bei dem herkömmlichen 3-Rad-Antrieb über ein gemeinsames Antriebsrad ist das Übersetzungsverhältnis zwischen der ersten Stufe und der zweiten Stufe jedoch nur in einem sehr geringen Maße durch eine Modifikation der Zahngeometrie veränderbar, beispielsweise durch eine Profilverschiebung der ineinandergreifenden Zahnräder.Typically, however, the rotors of the two compressor stages are installed in a common rotor housing, so the position of the driven main rotors is fixed and the gearbox consequently has a constant center distance. With the conventional 3-wheel drive via a common drive wheel, the gear ratio between the first and second stages can only be changed to a very small extent by modifying the tooth geometry, for example by shifting the profile of the meshing gears.

In anderen Worten ist bei den herkömmlichen 3-Rad-Getrieben bei einer Veränderung der Gesamtleistung des zweistufigen Verdichters durch eine Änderung der Übersetzung zwischen Antriebsgetriebe und erster Verdichterstufe das Übersetzungsverhältnis zur zweiten Verdichterstufe nicht mehr definiert, sondern ergibt sich zwingend durch den Achsabstand zwischen Antriebswelle und der zweiten Verdichterstufe. Dadurch kann die zweite Verdichterstufe nicht mehr die vorgesehene Menge an Volumenstrom aus dem Zwischenraum abtransportieren, so dass bei dieser Leistungsveränderung ein ungünstiger Zwischendruck entsteht, was wiederum einen signifikanten Effizienzverlust zur Folge hat. Zusammengefasst ergibt sich bei einer Änderung der Gesamtleistung, des Enddrucks oder des Volumenstroms eines zweistufigen Verdichters im Fall der Verwendung des herkömmlichen 3-Rad-Getriebes, insbesondere im Fall eines konstruktiv festgelegten und nicht änderbaren Abstands der Achsen der Hauptrotoren zur Antriebswelle, ein deutlicher und unerwünschter Effizienzverlust.In other words, with conventional 3-wheel transmissions, if the total power of the two-stage compressor is changed by changing the gear ratio between the drive transmission and the first compressor stage, the gear ratio to the The distance between the drive shaft and the second compressor stage is no longer defined but is necessarily determined by the center distance. As a result, the second compressor stage can no longer transport the intended volume flow from the intermediate space, leading to an unfavorable intermediate pressure during this change in performance, which in turn results in a significant loss of efficiency. In summary, any change in the total power, final pressure, or volume flow of a two-stage compressor using a conventional 3-wheel drive, especially with a fixed and unchangeable distance between the main rotor axes and the drive shaft, results in a significant and undesirable loss of efficiency.

Die Dokumente US 2017/292525 A1 , US 4 524 638 A , US 5 378 128 A , DE 100 47 940 A1 und JP 2020 037922 A offenbaren verschiedene für ein- und mehrstufige Schraubenverdichter geeignete Antriebssysteme. JP 2020 037922 A offenbart dabei ein Antriebssystem für einen mehrstufigen Schraubenverdichter mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 sowie einen entsprechenden Schraubenverdichter. Schräg verzahnte An- und Abtriebsritzel und deren technische Wirkungen und Vorteile sind zwar auch bekannt, jedoch im Stand der Technik nicht auf nahe liegende Weise mit den anderen Merkmalen des Anspruchs 1 offenbart.The documents US 2017/292525 A1 , US 4 524 638 A , US 5 378 128 A , DE 100 47 940 A1 and JP 2020 037922 A reveal various drive systems suitable for single- and multi-stage screw compressors. JP 2020 037922 A This discloses a drive system for a multi-stage screw compressor with the features of the preamble of claim 1, as well as a corresponding screw compressor. Helical toothed input and output pinions and their technical effects and advantages are also known, but not disclosed in the prior art in an obvious manner with the other features of claim 1.

Darstellung der ErfindungDescription of the invention

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, die vorstehend genannte Problematik zu vermeiden und bei einem mehrstufigen, insbesondere zweistufigen Verdichter eine Änderung der Gesamtleistung, des Enddrucks oder des Volumenstroms, insbesondere im Fall eines konstruktiv festgelegten und nicht änderbaren Abstands der Achsen der Hauptrotoren zur Antriebswelle, ohne signifikante Effizienzverluste zu ermöglichen. Weiterhin ergeben sich durch die vorliegende Erfindung noch zahlreiche weitere Vorteile, auf die in der folgenden Beschreibung noch detailliert eingegangen werden wird.The present invention aims to avoid the aforementioned problem and to enable changes in the overall power, final pressure, or volume flow rate of a multi-stage, and in particular two-stage, compressor, especially in the case of a fixed and unchangeable distance between the main rotor axes and the drive shaft, without significant efficiency losses. Furthermore, the present invention offers numerous other advantages, which will be discussed in detail below.

Lösung der AufgabeSolution to the task

Diese Aufgabe wird durch ein Antriebssystem für einen mehrstufigen Verdichter gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.This problem is solved by a drive system for a multi-stage compressor according to claim 1. Further advantageous embodiments of the invention are set forth in the dependent claims.

Ein erfindungsgemäßes Antriebssystem für einen mehrstufigen Schraubenverdichter umfasst eine erste Verdichterstufe mit einem auf einer ersten Welle drehfest gelagerten ersten Hauptrotor und eine zweite Verdichterstufe mit einem auf einer zweiten Welle drehfest gelagerten zweiten Hauptrotor. Das Antriebssystem weist hierbei eine Antriebswelle zum Antrieb der Wellen beider Hauptrotoren der ersten und der zweiten Verdichterstufe auf. Erfindungsgemäß erfolgt der Antrieb der Welle des ersten Hauptrotors unabhängig vom Antrieb der Welle des zweiten Hauptrotors.A drive system according to the invention for a multi-stage screw compressor comprises a first compressor stage with a first main rotor mounted non-rotatably on a first shaft and a second compressor stage with a second main rotor mounted non-rotatably on a second shaft. The drive system includes a drive shaft for driving the shafts of both main rotors of the first and second compressor stages. According to the invention, the drive of the shaft of the first main rotor is independent of the drive of the shaft of the second main rotor.

Vorteilhafterweise sind in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aufgrund des Antriebs der Welle des ersten Hauptrotors unabhängig vom Antrieb der Welle des zweiten Hauptrotors die Drehzahlen der Hauptrotoren unabhängig voneinander anpassbar.Advantageously, in a preferred embodiment of the invention, the drive of the shaft of the first main rotor is independent of the drive of the shaft of the second. The speeds of the main rotors can be adjusted independently of each other.

Insbesondere ist hierbei vorzugsweise das Verhältnis der Drehzahlen zueinander frei wählbar, während das Drehzahlverhältnis der beiden Rotoren bei einem üblichen 3-Rad-Getriebe durch die Konstruktion fest vorgegeben ist.In particular, the ratio of the rotational speeds to each other is preferably freely selectable, whereas the speed ratio of the two rotors in a conventional 3-wheel gearbox is fixed by the design.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein unabhängiger Antrieb der beiden Wellen der Hauptrotoren so zu verstehen, dass die beiden Wellen zwar durch eine gemeinsame Antriebswelle, jedoch im Gegensatz zum 3-Rad-Getriebe aus dem Stand der Technik nicht über dasselbe Antriebsrad auf der Antriebswelle angetrieben werden.In the context of the present invention, an independent drive of the two shafts of the main rotors is to be understood as meaning that the two shafts are driven by a common drive shaft, but, in contrast to the 3-wheel transmission of the prior art, not via the same drive wheel on the drive shaft.

Die Antriebswelle weist zwei drehfest auf der Antriebswelle angeordnete Antriebsräder auf. Das erste Antriebsrad dieser beiden Antriebsräder steht mit einem auf der Welle des ersten Hauptrotors drehfest angeordnetem erstem Abtriebsritzel in Eingriff, während das zweite Antriebsrad der beiden Antriebsräder mit einem auf der Welle des zweiten Hauptrotors drehfest angeordnetem zweitem Abtriebsritzel in Eingriff steht.The drive shaft has two drive wheels mounted on it that are fixed against rotation. The first of these two drive wheels engages with a first output pinion that is fixed against rotation on the shaft of the first main rotor, while the second of the two drive wheels engages with a second output pinion that is fixed against rotation on the shaft of the second main rotor.

Durch das erfindungsgemäße 4-Rad-Getriebe ist die Anpassung des Zwischendrucks durch die freie Wahl der Übersetzungsverhältnisse zwischen den beiden Verdichterstufen sehr einfach umzusetzen und es können auch Bereiche abgedeckt werden, die durch eine bloße Änderung der Zahngeometrie bei einem 3-Rad-Getriebe nicht zu realisieren sind. Dies führt zu erheblichen Vorteilen beim Betrieb des Verdichters bei Änderungen der Gesamtleistung, unterschiedlichen Enddrücken sowie veränderten Volumenströmen, da thermodynamisch bedingte Leistungsverluste durch Über- bzw. Unterverdichtung vermieden werden können.The 4-wheel gearbox according to the invention makes it very easy to adjust the intermediate pressure by freely selecting the gear ratios between the two compressor stages, and it also allows for coverage of ranges that are not achievable with a simple change in the tooth geometry of a 3-wheel gearbox. This leads to significant advantages in compressor operation when the total power output changes, the final pressure varies, and the volumetric flow rates are altered, as thermodynamically induced power losses due to over- or under-compression can be avoided.

Da weiterhin bei Verwendung des erfindungsgemäßen 4-Rad-Getriebes der Zwischendruck nicht mehr wie oben dargestellt für das 3-Rad-Getriebe im Wesentlichen durch den vorgegebenen Achsabstand festgelegt wird, kann die Anordnung der einzelnen Verdichterstufen frei gewählt werden. Durch die daraus resultierende kompakte und gewichtseinsparende Konstruktion, sowie die Möglichkeit einer höheren Integration von Funktionen in das Verdichtergehäuse, ergeben sich signifikante Kostenvorteile.Since, when using the 4-wheel transmission according to the invention, the intermediate pressure is no longer essentially determined by the predetermined center distance as described above for the 3-wheel transmission, the arrangement of the individual compressor stages can be freely selected. The resulting compact and weight-saving design, as well as the possibility of greater integration of functions into the compressor housing, result in significant cost advantages.

Da man mit dem erfindungsgemäßen 4-Rad-Getriebe in der Lage ist, alle Verdichterstufen frei anzuordnen, besteht im Gegensatz zu den 3-Rad-Getrieben auch die Möglichkeit, die Ein- und Auslässe, sowie die Zwischenräume innerhalb des Verdichtergehäuses frei zu gestalten. Dadurch kann durch Reduzierung von Umlenkungen und angepasster Anordnung der inneren Strömungskanäle sowie der Ein- und Auslässe eine strömungsmechanisch günstigste Anordnung umgesetzt werden. Daraus resultiert folglich neben der Kompaktheit ein weiterer nicht unerheblicher Effizienzgewinn.Since the 4-wheel drive according to the invention allows for the free arrangement of all compressor stages, it also offers the possibility, unlike 3-wheel drives, of freely designing the inlets and outlets, as well as the spaces within the compressor housing. This enables the implementation of a fluid-mechanically optimal arrangement by reducing deflections and adapting the arrangement of the internal flow channels and the inlets and outlets. Consequently, in addition to the increased compactness, this results in a further significant efficiency gain.

Weiterhin ermöglicht die erfindungsgemäß einfach realisierbare Einstellung des bestmöglichen Zwischendrucks durch die freie Wahl der Übersetzungsverhältnisse zwischen den beiden Verdichterstufen auch eine Optimierung eines bei konstanter Drehzahl betriebenen ölgefluteten Verdichters, da in diesem Fall die Einspritztemperatur des Öls, die ebenfalls einen starken Einfluss auf den Zwischendruck und die Effizienz hat, thermodynamisch günstig knapp über dem Ausfallpunkt von Kondenswasser gewählt werden kann.Furthermore, the invention allows for the simple adjustment of the best possible intermediate pressure by freely choosing the translation ratios between The two compressor stages also allow for the optimization of an oil-flooded compressor operated at constant speed, since in this case the injection temperature of the oil, which also has a strong influence on the intermediate pressure and efficiency, can be chosen thermodynamically favorably just above the point of condensation.

In diesem Sinne bezieht sich eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf einen öleingespritzten Verdichter, bei dem das erfindungsgemäße Antriebssystem zum Einsatz kommt.In this sense, a preferred embodiment of the present invention relates to an oil-injected compressor in which the drive system according to the invention is used.

Letztendlich hat die erfindungsgemäße 4-Rad-Getriebeanordnung auch vorteilhafte Auswirkungen auf die Ausgestaltung und Lebensdauer der im System verwendeten Lager für die Rotorwellen, wie im Folgenden dargestellt wird.Ultimately, the 4-wheel gear arrangement according to the invention also has advantageous effects on the design and service life of the bearings used in the system for the rotor shafts, as will be shown below.

Ein Schraubenverdichter umfasst üblicherweise ein oder mehrere Schraubenpaare aus Hauptrotor und Nebenrotor, die mit einer Helixform ineinander eingreifen. Die Schrauben der beiden Rotoren besitzen hierbei jeweils unterschiedliche Steigungen und Zähnezahlen, so dass sich bei der Drehbewegung zwischen jedem Zahnzwischenraum der Rotoren eine Kammer bildet, die sich ständig verkleinert und damit den gewünschten Druck erzeugt. Aus diesem Grund entstehen an unterschiedlichen axialen Stellen des Schraubenpaares unterschiedliche Drücke. Durch dieses Druckgefälle entstehen axiale und radiale Kräfte auf die Rotoren, die von der Lagerung der beiden Rotoren abgefangen wird. Die von der Rotorgeometrie bedingten und erzeugten Kräfte sind hierbei abhängig vom Zwischen- bzw. Enddruck, jedoch nicht von der Leistung des Verdichters. Die resultierende Radialkraft wird von den Radiallagern abgefangen, die Axialkraft von den Axiallagern. Durch die unterschiedliche Geometrie des Haupt- und Nebenrotors wirken sich die Anteile der resultierenden Kräfte unterschiedlich in Radial- und Axialrichtung aus. Im Fall des Hauptrotors entsteht hierbei üblicherweise die größte Axialkraft.A screw compressor typically comprises one or more pairs of main and secondary rotors that mesh together in a helical shape. The screws of the two rotors each have different pitches and numbers of teeth, so that during rotation, a chamber forms between each tooth gap of the rotors. This chamber continuously shrinks, thus generating the desired pressure. Consequently, different pressures arise at different axial points of the screw pair. This pressure gradient generates axial and radial forces on the rotors, which are absorbed by the bearings of the two rotors. The forces caused and generated by the rotor geometry depend on the intermediate and final pressure, but not on the compressor's power output. The resulting radial force is absorbed by the radial bearings, and the axial force by the axial bearings. Due to the different geometries of the main and secondary rotors, the contributions of the resulting forces differ in the radial and axial directions. The greatest axial force typically occurs in the main rotor.

Da, wie oben beschrieben die auf die Rotorlagerung einwirkenden Kräfte durch das in der Rotorhelix entstehende Druckgefälle bewirkt werden und dieses Druckgefälle vom jeweiligen Ansaug- bzw. Enddruck der einzelnen Stufen abhängt, hat der Zwischendruck, der ja den Enddruck der ersten Stufe sowie den Ansaugdruck der zweiten Stufe darstellt auch einen Einfluss auf die Lagerkräfte der einzelnen Verdichterstufen. Ist der Zwischendruck zu hoch, werden die Lager der ersten Stufe mehr belastet, ist er zu niedrig, werden die Lager der zweiten Stufe mehr belastet. Wie oben beschrieben kann der Zwischendruck bei den üblichen 3-Rad-Antrieben bei der Änderung der Gesamtleistung, bei unterschiedlichen Enddrücken, bei veränderten Volumenströmen sowie auch bei unterschiedlichen Einspritztemperaturen im Fall eines ölgefluteten Verdichters nicht konstant gehalten werden.Since, as described above, the forces acting on the rotor bearings are caused by the pressure gradient generated in the rotor helix, and this pressure gradient depends on the respective intake and discharge pressures of the individual stages, the intermediate pressure, which represents the discharge pressure of the first stage as well as the intake pressure of the second stage, also influences the bearing forces of the individual compressor stages. If the intermediate pressure is too high, the bearings of the first stage are subjected to greater stress; if it is too low, the bearings of the second stage are subjected to greater stress. As described above, the intermediate pressure in conventional three-wheel drives cannot be kept constant when the total power output changes, when different discharge pressures are used, when volume flows are altered, and also when different injection temperatures occur in the case of an oil-flooded compressor.

Somit müssen all diese Fälle bei der Lagerauslegung berücksichtigt werden, was zwangsläufig zu einer höheren Lagerbelastung und zu größeren teureren Lagern oder verminderter Lagerlebensdauer führt.Therefore, all these cases must be taken into account in the bearing design, which inevitably leads to a higher bearing load and larger, more expensive bearings or reduced bearing lifespan.

Da es mit dem erfindungsgemäßen 4-Rad-Getriebe möglich ist, den Zwischendruck bei allen genannten Fällen konstant zu halten, kann eine exakte, kostengünstige Lagerung mit langer Lebensdauer eingesetzt werden.Since it is possible to keep the intermediate pressure constant in all the cases mentioned with the 4-wheel gearbox according to the invention, an exact, cost-effective bearing with a long service life can be used.

Vorteilhafterweise können in einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems die beiden Antriebsräder auf der Antriebswelle in Anlage zueinander stehen, was zu einer erhöhten Stabilität der Antriebsräder gegen axial wirkende Kräfte führen kann.Advantageously, in a preferred embodiment of the drive system according to the invention, the two drive wheels on the drive shaft can be positioned in contact with each other, which can lead to increased stability of the drive wheels against axially acting forces.

Weiterhin kann in einer bevorzugten Ausführungsform das Getriebe zwischen dem zweiten Antriebsrad und dem zweiten Abtriebsritzel eine unterschiedliche oder gleiche Übersetzung aufweisen, als das Getriebe zwischen dem ersten Antriebsrad und dem ersten Abtriebsritzel, um die im Betrieb üblicherweise notwendige höhere Drehzahl der zweiten Verdichterstufe zu gewährleisten.Furthermore, in a preferred embodiment, the transmission between the second drive wheel and the second output pinion can have a different or the same gear ratio as the transmission between the first drive wheel and the first output pinion, in order to ensure the higher speed of the second compressor stage that is usually necessary in operation.

Vorteilhafterweise kann die Verzahnung zwischen wenigstens einem der Antriebsräder und dem entsprechenden Abtriebsritzel zur axialen Erstreckung der Antriebswelle schräg ausgebildet sein. Die Verzahnung ist zwischen beiden Antriebsrädern und den jeweiligen Abtriebsritzeln zur axialen Erstreckung der Antriebswelle schräg ausgebildet, wobei die von der Verzahnung des jeweiligen Antriebsrads mit dem Abtriebsritzel zu der axialen Erstreckung der Antriebswelle gebildeten Winkel unterschiedlich sind. Die von der Verzahnung des jeweiligen Antriebsrads mit dem Abtriebsritzel zu der axialen Erstreckung der Antriebswelle gebildeten Winkel weisen unterschiedliche Vorzeichen auf.Advantageously, the toothing between at least one of the drive gears and the corresponding output pinion can be inclined relative to the axial extent of the drive shaft. The toothing between both drive gears and their respective output pinions is inclined relative to the axial extent of the drive shaft, with the angles formed by the toothing of each drive gear with the output pinion relative to the axial extent of the drive shaft being different. The angles formed by the toothing of each drive gear with the output pinion relative to the axial extent of the drive shaft have opposite signs.

Eine Schrägverzahnung der Antriebsräder und den jeweiligen Abtriebsritzeln kann vorteilhaft zur Steuerung von im Betrieb auf die Rotoren und ihre Wellen wirkenden Axialkräften eingesetzt werden, wie im Folgenden im Detail beschrieben wird.Helical gearing of the drive wheels and the respective output pinions can be advantageously used to control axial forces acting on the rotors and their shafts during operation, as described in detail below.

Wie oben dargestellt, führt das Druckgefälle in den Schraubenpaaren der einzelnen Verdichterstufen zu radial und axial wirkenden Kräften auf die Rotoren und deren Wellen.As shown above, the pressure gradient in the screw pairs of the individual compressor stages leads to radially and axially acting forces on the rotors and their shafts.

Durch Verwendung einer Schrägverzahnung des Antriebsrads und des Abtriebsritzels ergeben sich weitere Kräfte im System. Insbesondere entstehen durch die Schrägverzahnung vom Schrägungswinkel abhängige Axialkräfte, die an der Antriebswelle und am angetriebenen Rotor wirken. Im Gegensatz zu den von den Gaskräften erzeugten Kräften hängen die von den Getrieberädern erzeugten Kräfte von der Leistung des Verdichters sowie der gewählten Übersetzung ab. Die durch die Schrägverzahnung erzeugten Axialkräfte können je nach Ausrichtung des Schrägungswinkels des Getriebes das axiale Rotorlager des angetriebenen Hauptrotors be- oder entlasten. Dadurch können je nachdem eventuell kleinere Axiallager an den Rotoren verwendet werden, oder im entgegengesetzten Fall eine definierte Kraft auf das axiale Rotorlager aufgebracht werden.The use of helical gearing on the drive gear and the driven pinion results in additional forces within the system. In particular, the helical gearing generates axial forces, dependent on the helix angle, which act on the drive shaft and the driven rotor. In contrast to the forces generated by the gas forces, the forces generated by the gears depend on the compressor's power output and the selected gear ratio. The forces resulting from the helical gearing Depending on the orientation of the gearbox's helix angle, the generated axial forces can either load or relieve the axial rotor bearing of the driven main rotor. This may allow for the use of smaller axial bearings on the rotors, or conversely, the application of a defined force to the axial rotor bearing.

Im erfindungsgemäßen Fall eines 4-Rad-Getriebes mit Anordnung zweier Antriebsräder ergibt sich die Möglichkeit, die axiale Kraft durch eine Veränderung des Schrägungswinkels der Getriebezähne an jedem der beiden Antriebsräder gezielt zu steuern. Werden hier Schrägungswinkel verwendet, die zur axialen Erstreckung der Antriebswelle gesehen unterschiedliche Vorzeichen aufweisen, so können sich die durch die Schrägverzahnung entstehenden Kräfte gegenseitig zumindest teilweise aufheben, so dass kleinere Lager an der Antriebswelle genutzt werden können. Des Weiteren können mittels unterschiedlicher Schrägungswinkel die Kraftrichtung und der Betrag der Kraft auf die vorhandene Lagerung in allen Leistungsbereichen und Übersetzungsverhältnissen abgestimmt werden. Diese Abstimmung der Lagerkräfte hat den Vorteil, dass kleinere Lager eingesetzt werden können was zu einem Kostenvorteil führt, sowie eine höhere Lagerlebensdauer realisiert werden kann.In the case of a 4-wheel transmission according to the invention, with an arrangement of two drive wheels, it is possible to control the axial force by changing the helix angle of the gear teeth on each of the two drive wheels. If helix angles are used that have opposite signs when viewed from the axial extent of the drive shaft, the forces generated by the helical gearing can at least partially cancel each other out, allowing the use of smaller bearings on the drive shaft. Furthermore, by using different helix angles, the direction and magnitude of the force can be matched to the existing bearings in all power ranges and gear ratios. This matching of the bearing forces has the advantage that smaller bearings can be used, resulting in cost savings and a longer bearing service life.

Neben einer Steuerung der auf die Antriebswelle wirkenden Axialkräfte kann durch eine entsprechend gewählte und aufeinander angepasste Schrägverzahnung der einzelnen Antriebsräder auch die auf die Rotorlagerung einwirkenden Getriebekräfte gesteuert beziehungsweise verringert werden. Wird bei einem Schraubenverdichter durch die Geometrie der Rotoren und das entstehende Druckgefälle eine hohe axiale Kraft an dem angetriebenen Rotor erzeugt, so kann mit dem erfindungsgemäßen 4-Rad-Getriebe und entsprechender Schrägverzahnung zwischen dem jeweiligen Antriebsrad und zugehörigem Abtriebsritzel der durch das Druckgefälle erzeugten axialen Kraft bei jeder Verdichterstufe individuell gezielt entgegengewirkt werden oder diese verstärkt werden.In addition to controlling the axial forces acting on the drive shaft, the gear forces acting on the rotor bearings can also be controlled or reduced by appropriately selected and matched helical gearing of the individual drive gears. If a high axial force is generated at the driven rotor of a screw compressor due to the geometry of the rotors and the resulting pressure differential, the axial force generated by the pressure differential can be counteracted or increased individually at each compressor stage using the 4-gear transmission according to the invention and corresponding helical gearing between the respective drive gear and associated output pinion.

Dies gilt natürlich auch bei mehr als den beschriebenen zweistufigen Verdichtern (z.B. dreistufige und mehrstufige Verdichter) und kann auf alle Leistungsbereiche und Übersetzungsverhältnisse abgestimmt werden. Diese Abstimmung der Lagerkräfte hat den Vorteil, dass kleinere Lager eingesetzt werden können, was zu einem Kostenvorteil führt, und es kann eine höhere Lagerlebensdauer realisiert werden.This also applies to more than the two-stage compressors described (e.g., three-stage and multi-stage compressors) and can be adapted to all performance ranges and gear ratios. This adjustment of bearing forces has the advantage that smaller bearings can be used, resulting in cost savings, and a longer bearing lifespan can be achieved.

Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird das vorstehend im Detail beschriebene erfindungsgemäße Antriebssystem in einem zweistufigen Verdichter verwendet, wobei es sich hierbei in einer bevorzugten Ausführungsform um einen öleingespritzten Verdichter handelt, bei dem die oben detailliert beschriebenen Vorteile der Erfindung besonders nutzbringend eingesetzt werden können.According to a further aspect of the present invention, the drive system described in detail above is used in a two-stage compressor, wherein in a preferred embodiment it is an oil-injected compressor in which the advantages of the invention described in detail above can be used to a particularly beneficial effect.

AusführungsbeispieleExamples of implementation

Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

  • Fig. 1: einen Verdichter mit einem erfindungsgemäßen Antriebssystem in perspektivischer Ansicht,
  • Fig. 2: eine Ansicht des Verdichters aus Figur 1 in Frontalansicht,
  • Fig. 3: eine perspektivische Ansicht der beiden Verdichterstufen des Verdichters aus Figur 1,
  • Fig. 4: eine Frontalansicht der in Fig. 3 gezeigten Verdichterstufen,
  • Fig. 5: eine Seitenansicht der in Fig. 3 gezeigten Verdichterstufen,
  • Fig. 6a/b: Seitenansicht des Getriebes des in den vorherigen Figuren gezeigten Verdichters,
  • Fig. 7a-f: Schematische Frontalansichten verschiedener erfindungsgemäßer Antriebssysteme
The present invention is explained in more detail below with reference to various exemplary embodiments and the drawings. The drawings show:
  • Fig. 1 : a compressor with a drive system according to the invention in perspective view,
  • Fig. 2 : a view of the compressor from Figure 1 in frontal view,
  • Fig. 3 : a perspective view of the two compressor stages of the compressor from Figure 1 ,
  • Fig. 4 : a frontal view of the in Fig. 3 shown compressor stages,
  • Fig. 5 : a side view of the in Fig. 3 shown compressor stages,
  • Fig. 6a /b: Side view of the gearbox of the compressor shown in the previous figures,
  • Fig. 7a-f Schematic frontal views of various drive systems according to the invention

Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Verdichters 1 mit einem Verdichtergehäuse 2, in dem eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems untergebracht ist. Bei dem in den Figuren dargestellten Verdichter handelt es sich um einen öleingespritzten Verdichter, wobei das erfindungsgemäße Antriebssystem, wie oben beschrieben, auch in Verdichtern zum Einsatz kommen kann, die keine Öleinspritzung aufweisen. Figure 1 Figure 1 shows a perspective view of a compressor 1 with a compressor housing 2 in which an embodiment of the drive system according to the invention is housed. The compressor shown in the figures is an oil-injected compressor, but the drive system according to the invention, as described above, can also be used in compressors that do not have oil injection.

Der Verdichter weist einen Einlass 3 sowie einen Auslass 4 auf, durch den das zu verdichtende Medium zu- bzw. abgeführt wird, wie aus den Pfeilen ersichtlich ist. Die aus dem Gehäuse 2 hervorragende Antriebswelle 5 wird mittels eines nicht dargestellten Motors in der durch den Pfeil R gekennzeichneten Richtung rotativ angetrieben.The compressor has an inlet 3 and an outlet 4 through which the medium to be compressed is supplied and discharged, as indicated by the arrows. The drive shaft 5, which protrudes from the housing 2, is driven rotationally in the direction indicated by arrow R by means of a motor (not shown).

Der in Figur 1 dargestellte Verdichter 1 ist in Figur 2 noch einmal in Frontalansicht dargestellt.The in Figure 1 The compressor 1 shown is in Figure 2 shown again in a frontal view.

Bei dem in Figur 1 und Figur 2 dargestellten Verdichter 1 handelt es sich um einen zweistufigen Verdichter und die beiden Verdichterstufen 10 und 20 sind in den Figuren 3 - 5 dargestellt.At the in Figure 1 and Figure 2 The compressor shown (1) is a two-stage compressor, and the two compressor stages 10 and 20 are located in the Figures 3-5 depicted.

Die erste Verdichterstufe 10 umfasst hierbei einen Hauptrotor 11 und einen Nebenrotor 14, die zum Verdichten des über den Einlass 3 in das Gehäuse 2 geführte Medium rotierend ineinandergreifen. Die beiden Rotoren 11 und 14 sind hierbei drehfest auf ihren jeweiligen Wellen 12 und 15 gelagert.The first compressor stage 10 comprises a main rotor 11 and a secondary rotor 14, which rotate to compress the medium led into the housing 2 via the inlet 3. interlock. The two rotors 11 and 14 are mounted on their respective shafts 12 and 15 in a rotationally fixed manner.

Die zweite Verdichterstufe 20 umfasst hierbei ebenfalls einen Hauptrotor 21 und einen Nebenrotor 24, die zum Weiterverdichten des von der ersten Verdichterstufe 10 abgegebenen Mediums rotierend ineinandergreifen. Auch die beiden Rotoren 21 und 24 der zweiten Verdichterstufe 20 sind drehfest auf ihren jeweiligen Wellen 22 und 25 gelagert.The second compressor stage 20 also comprises a main rotor 21 and a secondary rotor 24, which rotate and interlock to further compress the medium delivered by the first compressor stage 10. The two rotors 21 and 24 of the second compressor stage 20 are also mounted to their respective shafts 22 and 25 in a rotationally fixed manner.

Sämtliche Wellen sind hierbei innerhalb des Gehäuses auf herkömmliche Weise gelagert, wobei die Details der Lagerung aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt werden.All shafts are mounted within the housing in a conventional manner, although the details of the mounting are not shown for the sake of clarity.

Die Antriebswelle 5 weist zum unabhängigen Antreiben der beiden Verdichterstufen 10, 20 ein erstes Antriebsrad 51 und ein zweites Antriebsrad 52 aus, die jeweils drehfest auf der Antriebswelle 5 gelagert sind.The drive shaft 5 has a first drive wheel 51 and a second drive wheel 52 for independently driving the two compressor stages 10, 20, each of which is mounted on the drive shaft 5 in a rotationally fixed manner.

Das erste Antriebsrad 51 weist auf seiner Umfangsfläche eine Verzahnung auf, die in eine entsprechende Verzahnung eines auf der Welle 12 des ersten Hauptrotors 11 drehfest gelagerten ersten Abtriebsritzels 13 eingreift, so dass eine Rotation der Antriebswelle 5 und des ersten Antriebsrads 51 zu einer entsprechenden Rotation der Welle 12 des ersten Hauptrotor 11 führt. Im Falle des in den Figuren dargestellten öleingespritzten Verdichters wird der erste Nebenrotor 14 vom ersten Hauptrotor 11 über die Helixverzahnung mit einem Übersetzungsverhältnis, das sich aus den jeweiligen Zähnezahlen der beiden Rotoren ergibt, angetrieben. Die Drehzahl des ersten Hauptrotors 11 wird hierbei durch die Übersetzung zwischen dem ersten Antriebsrad 51 und dem ersten Abtriebsritzels 13 bestimmt.The first drive wheel 51 has teeth on its circumferential surface that engage with corresponding teeth on a first output pinion 13, which is mounted non-rotatably on the shaft 12 of the first main rotor 11. Thus, rotation of the drive shaft 5 and the first drive wheel 51 results in a corresponding rotation of the shaft 12 of the first main rotor 11. In the case of the oil-injected compressor shown in the figures, the first auxiliary rotor 14 is driven by the first main rotor 11 via the helical gearing with a transmission ratio determined by the respective number of teeth on the two rotors. The rotational speed of the first main rotor 11 is determined by the transmission ratio between the first drive wheel 51 and the first output pinion 13.

Im Fall eines nicht öleingespritzten Verdichters können der erste Hauptrotor und der erste Nebenrotor auch über ein dem Fachmann hinreichend bekanntes weiteres Getriebe rotativ miteinander verbunden sein, so dass die beiden Rotoren im Betrieb synchron ineinandergreifend rotieren.In the case of a non-oil-injected compressor, the first main rotor and the first secondary rotor can also be rotaryally connected to each other via a further gearbox that is sufficiently known to those skilled in the art, so that the two rotors rotate synchronously in an interlocking manner during operation.

In der dargestellten Ausführungsform ist die Verzahnung 16 zwischen dem ersten Antriebsrad 51 und dem ersten Abtriebsritzel 13 bezüglich der Achse 5A der Welle 5 schräg ausgeführt, wie später im Zusammenhang mit den Figuren 6a und 6b noch im Detail beschrieben wird.In the illustrated embodiment, the toothing 16 between the first drive gear 51 and the first output pinion 13 is inclined with respect to the axis 5A of the shaft 5, as will be described later in connection with the Figures 6a and 6b will be described in more detail.

Das zweite Antriebsrad 52 weist auf seiner Umfangsfläche ebenfalls eine Verzahnung auf, die jedoch in eine entsprechende Verzahnung eines auf der Welle 22 des zweiten Hauptrotors 21 drehfest gelagerten zweiten Abtriebsritzels 23 eingreift, so dass eine Rotation der Antriebswelle 5 und des zweiten Antriebsrads 52 zu einer entsprechenden Rotation der Welle 22 des ersten Hauptrotor 21 führt. Auch hier wird der zweite Nebenrotor 24 vom zweiten Hauptrotor 21 über die Helixverzahnung mit einem Übersetzungsverhältnis, das sich aus den jeweiligen Zähnezahlen der beiden Rotoren ergibt, angetrieben. Die Drehzahl des zweiten Hauptrotors 21 wird hierbei durch die Übersetzung zwischen dem zweiten Antriebsrad 52 und dem zweiten Abtriebsritzels 23 bestimmt und kann durch die entsprechende Anpassung der radialen Größe der beiden Elemente unabhängig von der Drehzahl des ersten Hauptrotors 11 angepasst werden.The second drive wheel 52 also has teeth on its circumferential surface, which, however, engage with corresponding teeth on a second output pinion 23 that is rotationally fixed on the shaft 22 of the second main rotor 21, so that a rotation of the drive shaft 5 and the second drive wheel 52 results in a corresponding rotation of the shaft 22 of the first main rotor 21. Here, too, the second auxiliary rotor 24 is driven by the second main rotor 21 via the helical teeth with a gear ratio that is The rotational speed of the second main rotor 21 is determined by the gear ratio between the second drive gear 52 and the second output pinion 23 and can be adjusted independently of the rotational speed of the first main rotor 11 by appropriately adjusting the radial size of the two elements.

Auch hier gilt wieder, dass im Fall eines nicht öleingespritzten Verdichters der zweite Hauptrotor und der zweite Nebenrotor über ein dem Fachmann hinreichend bekanntes weiteres Getriebe rotativ miteinander verbunden sein können, so dass die beiden Rotoren im Betrieb synchron ineinandergreifend rotieren.Here again, it applies that in the case of a non-oil-injected compressor, the second main rotor and the second auxiliary rotor can be rotaryally connected to each other via a further gearbox that is sufficiently known to those skilled in the art, so that the two rotors rotate synchronously and interlock during operation.

In der dargestellten Ausführungsform ist auch die Verzahnung 26 zwischen dem zweiten Antriebsrad 52 und dem zweiten Abtriebsritzel 23 bezüglich der Achse 5A der Welle 5 schräg ausgeführt, wie später im Zusammenhang mit den Figuren 6a und 6b noch im Detail beschrieben wird.In the illustrated embodiment, the toothing 26 between the second drive gear 52 and the second output pinion 23 is also inclined with respect to the axis 5A of the shaft 5, as will be described later in connection with the Figures 6a and 6b will be described in more detail.

In den Figuren 6a und 6b ist das Getriebe der in den vorhergehenden Figuren dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems in einer Seitenansicht dargestellt.In the Figures 6a and 6b The gearbox of the embodiment of the drive system according to the invention shown in the preceding figures is shown in a side view.

Wie bereits erwähnt sind in der dargestellten Ausführungsform die an den Umfangsseiten der Antriebsräder 51 und 52 sowie der Abtriebsritzel 13 und 23 angeordneten und in Eingriff befindlichen Zähne bezüglich der Achse 5A der Antriebswelle schräg angeordnet.As already mentioned, in the illustrated embodiment the teeth arranged and engaged on the circumferential sides of the drive wheels 51 and 52 and the output pinions 13 and 23 are arranged at an angle with respect to the axis 5A of the drive shaft.

Hierbei bilden die auf dem ersten Antriebsrad 51 angeordneten Zähne zur Achse 5A einen Winkel α, während die auf dem zweiten Antriebsrad 52 angeordneten Zähne zur Achse 5A einen Winkel β bilden, wie in Figur 6a schematisch dargestellt wird.Here, the teeth arranged on the first drive wheel 51 form an angle α with the axis 5A, while the teeth arranged on the second drive wheel 52 form an angle β with the axis 5A, as shown in Figure 6a is shown schematically.

Aufgrund dieser Schrägverzahnung 16, 26 ergeben sich bei einer Rotation der Antriebswelle 5 in der Rotationsrichtung R die in den Figuren 6a und 6b dargestellten Axialkräfte F, die auf die Antriebswelle 5 wirken.Due to this helical gearing 16, 26, when the drive shaft 5 is rotated in the direction of rotation R, the following results are obtained in the Figures 6a and 6b Axial forces F shown, acting on the drive shaft 5.

Durch eine entsprechende Wahl der Winkel α und β und der Übersetzungsverhältnisse zwischen den Antriebsrädern 51, 52 und den zugehörigen Abtriebsritzeln 13, 23 können die auf die Antriebswelle 5 durch die Rotation bedingten Axialkräfte gesteuert werden.By appropriately selecting the angles α and β and the transmission ratios between the drive wheels 51, 52 and the associated output pinions 13, 23, the axial forces on the drive shaft 5 caused by the rotation can be controlled.

In der in den Figuren 6a und 6b dargestellten beispielhaften Ausführungsform haben die Winkel α und β bezüglich der Achse 5A der Antriebswelle unterschiedliche Vorzeichen, so dass die jeweils resultierenden Kräfte einander entgegengesetzt sind.In the Figures 6a and 6b In the exemplary embodiment shown, the angles α and β with respect to the axis 5A of the drive shaft have opposite signs, so that the resulting forces are opposite to each other.

Es wäre allerdings auch denkbar, dass die Winkel α und β bezüglich der Achse 5A dasselbe Vorzeichen aufweisen, so dass die jeweils resultierenden Axialkräfte auf die Antriebswelle 5 gleichgerichtet sind.However, it would also be conceivable that the angles α and β with respect to axis 5A have the same sign, so that the resulting axial forces on the drive shaft 5 are in the same direction.

In den Figuren 7a - 7e sind Beispiele verschiedener Anordnungen von zwei Verdichterstufen mit einem erfindungsgemäßen Antriebssystem dargestellt. Aufgrund der in den Figuren durch entsprechende Pfeile schematisch angedeuteten freien Wahl der Achsabstände von der Antriebswelle 5 zur Welle 12 des ersten Hauptrotors 11 und zur Welle 22 des zweiten Hauptrotors 21 durch die erfindungsgemäße Verwendung eines zweiten Antriebsrads 52 ergibt sich eine große Flexibilität, wie die beiden Verdichterstufen zueinander im Gehäuse angeordnet sind.In the Figures 7a - 7e Examples of various arrangements of two compressor stages with a drive system according to the invention are shown. Due to the free choice of the center distances from the drive shaft 5 to the shaft 12 of the first main rotor 11 and to the shaft 22 of the second main rotor 21, indicated schematically by corresponding arrows in the figures by the use of a second drive wheel 52 according to the invention, there is a great deal of flexibility in how the two compressor stages are arranged relative to each other in the housing.

Figur 7f zeigt ein Beispiel eines dreistufigen Verdichters, der ein erfindungsgemäßes Antriebssystem verwendet, bei dem zusätzlich ein drittes Antriebsrad 53 auf der Antriebswells 5 drehfest gelagert ist und in ein drittes, auf der Welle 32 eines Hauptrotors der dritten Verdichterstufe drehfest gelagertes drittes Abtriebsritzel 33 eingreift, um einen über die gemeinsame Antriebswelle 5 bedingten, jedoch von dem Antrieb der ersten beiden Verdichterstufen unabhängigen Antrieb einer dritten Verdichterstufe zu realisieren. Figure 7f Figure 1 shows an example of a three-stage compressor which uses a drive system according to the invention, in which an additional third drive wheel 53 is mounted non-rotatably on the drive shaft 5 and engages in a third output pinion 33 which is mounted non-rotatably on the shaft 32 of a main rotor of the third compressor stage, in order to realize a drive of a third compressor stage which is conditioned via the common drive shaft 5 but is independent of the drive of the first two compressor stages.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11
Verdichtercompressor
22
VerdichtergehäuseCompressor housing
33
Einlassinlet
44
AuslassOutlet
55
Antriebswelledrive shaft
5A5A
axiale Achse der Antriebswellsaxial axis of the drive shaft
5151
erstes Antriebsradfirst drive wheel
5252
zweites Antriebsradsecond drive wheel
5353
drittes Antriebsradthird drive wheel
1010
erste Verdichterstufefirst compressor stage
1111
erster Hauptrotorfirst main rotor
1212
Welle des ersten Hauptrotorsshaft of the first main rotor
1313
erstes Abtriebsritzelfirst output pinion
1414
erster Nebenrotorfirst secondary rotor
1515
Welle des ersten NebenrotorsWave of the first auxiliary rotor
1616
Verzahnung zwischen erstem Antriebsrad und erstem AbtriebsritzelGearing between first drive gear and first output pinion
αα
Winkel zwischen erster Verzahnung und Achse der AntriebswelleAngle between first tooth and axis of the drive shaft
2020
zweite Verdichterstufesecond compressor stage
2121
zweiter Hauptrotorsecond main rotor
2222
Welle des zweiten Hauptrotorswave of the second main rotor
2323
zweites Abtriebsritzelsecond output pinion
2424
zweiter Nebenrotorsecond auxiliary rotor
2525
Welle des zweiten NebenrotorsWave of the second auxiliary rotor
2626
Verzahnung zwischen zweitem Antriebsrad und zweitem AbtriebsritzelGearing between second drive wheel and second output pinion
ββ
Winkel zwischen zweiter Verzahnung und Achse der AntriebswelleAngle between second tooth and axis of the drive shaft
3232
Welle eines dritten HauptrotorsWave of a third main rotor
3333
drittes Abtriebsritzelthird output pinion
FF
Wirkrichtung AxialkräfteDirection of action of axial forces
RR
Rotationsrichtung der AntriebwelleDirection of rotation of the drive shaft

Claims (6)

  1. A drive system for a multistage screw compressor (1) comprising
    a first compressor stage (10) with a first main rotor (11) mounted on a first shaft (12) in a torque-proof manner,
    a second compressor stage (20) with a second main rotor (21) mounted on a second shaft (22) in a torque-proof manner,
    wherein the drive system has a drive shaft (5) for driving the shafts (12, 22) of both main rotors (11, 21) of the first and second compressor stages (10, 20),
    wherein the driving of the shaft (12) of the first main rotor (11) takes place independently of the driving of the shaft (22) of the second main rotor (21);
    wherein an independent driving of both shafts of the main rotors should be understood such that the drive shaft (5) has two drive wheels (51, 52) which are arranged on the drive shaft in a torque-proof manner, a first drive wheel (51) of which is in engagement with a first output pinion (13), which is arranged on the shaft (12) of the first main rotor (11) in a torque-proof manner, and a second drive wheel (52) of which is in engagement with a second output pinion (23), which is arranged on the shaft (22) of the second main rotor (21) in a torque-proof manner;
    wherein the gearing mechanism has a different transmission between the second drive wheel (52) and the second output pinion (23) to the gearing mechanism between the first drive wheel (51) and the first output pinion (13);
    characterised in that
    the toothing (16, 26) between the two drive wheels (51, 52) and the respective output pinions (13, 23) is formed at an incline to the axial extent (5A) of the drive shaft (5) and wherein the angles (α, β) formed by the toothing (16, 26) of the respective drive wheel (51, 52) with the output pinion (13, 23) to the axial extent (5A) of the drive shaft (5) are different; and
    wherein the angles (α, β) formed by the toothing (16, 26) of the respective drive wheel (51, 52) with the output pinion (13, 23) to the axial extent (5A) of the drive shaft (5) have different signs.
  2. The drive system according to claim 1,
    wherein, due to the driving of the shaft (12) of the first main rotor (11) independently of the driving of the shaft (22) of the second main rotor (21), the rotational speeds of the two main rotors (11, 21) can be adapted independently of one another.
  3. The drive system according to claim 2,
    wherein, due to the driving of the shaft (12) of the first main rotor (11) independently of the driving of the shaft (22) of the second main rotor (21), the ratio of the two rotational speeds of the two main rotors (11, 21) relative to one another can be freely selected.
  4. A screw compressor (1) with a drive system according to any one of claims 1 to 3.
  5. The screw compressor (1) according to claim 4,
    wherein the screw compressor (1) has precisely two compressor stages (10, 20).
  6. The screw compressor (1) according to claim 4 or claim 5,
    wherein the screw compressor (1) is an oil-injected compressor.
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