ES2221141T3 - Rotores de tornillos transportadores gemelos. - Google Patents

Abstract

Rotores de tornillos gemelos, para su montaje en máquinas de desplazamiento para materias comprimibles, cuyos rotores están realizados con un filete de rosca de paso variable y destinados a trabajar en engrane exterior, axialmente paralelo, en contra-rotación, con ángulos de contacto de al menos 720º, para formar en un alojamiento o carcasa una secuencia axial de cámaras sin conexiones de orificios de soplado, comprendiendo el perfil frontal un arco de círculo central (3), un flanco hueco cicloidal (4), un arco de círculo externo (5) y un flanco adicional (6), caracterizados porque el paso no discurre monótono y está definido como una variable dependiente del ángulo de contacto; porque en una primera sección (T1) el paso aumenta desde el extremo del tornillo correspondiente a la zona de aspiración, y alcanza un valor máximo después de aproximadamente una vuelta; porque en una segunda sección (T2), adyacente a la primera, el paso disminuye y alcanza un valor mínimo en aproximadamente una vuelta antes del extremo del tornillo correspondiente a la zona de expulsión; y porque en una tercera sección (T3), adyacente a la segunda, el paso es sustancialmente constante.

Description

Rotores de tornillos transportadores gemelos.

La invención se refiere a rotores de tornillos gemelos, para su montaje en máquinas de desplazamiento para materias comprimibles, particularmente en bombas, cuyos rotores están realizados con un filete de rosca de paso variable y destinados a trabajar en engrane exterior, axialmente paralelo, en contra-rotación, con ángulos de contacto de al menos 720º, para formar en un alojamiento o carcasa una secuencia axial de cámaras sin conexiones de orificios de soplado, comprendiendo el perfil frontal un arco de círculo central, un flanco hueco cicloidal, un arco de círculo externo y un flanco adicional (ver WO 97/21926).

La patente DE 87685 muestra una máquina, denominada mecanismo capsular de rueda aterrajada, en la cual los rotores tornillo están realizados con paso variable. La máquina puede ser utilizada como motor y como bomba. Cuando funciona como motor, para incrementar adicionalmente el volumen de las cámaras de trabajo en la dirección de expansión del material, los rotores están construidos alternativamente en conicidad.

En la patente DE 609405 se describe una máquina refrigeradora de aire con compresor y expansor, los cuales presentan parejas de tornillos con paso y profundidad de rosca variables. Las superficies envolventes de los rotores están realizadas en conicidad.

Ambas máquinas antes mencionadas presentan el inconveniente de que requieren cilindros en conicidad, con lo cual los rotores pueden ser montados y desmontados solamente en un lateral. Esto aumenta el gasto (en tiempo y esfuerzo) durante el montaje y desmontaje de las máquinas, lo que es muy desventajoso particularmente durante los trabajos de mantenimiento y reparación.

La solicitud de patente EP 0697523 se refiere a una máquina de desplazamiento del tipo tornillo, en la cual los rotores engranados presentan diferentes perfiles de rosca, designados como "macho" y "hembra", conocidos como perfiles S.R.M. con cambio continuo de paso. El perfil frontal va así variando, de forma que el ángulo de la punta del diente, o respectivamente la longitud del arco externo, es una función monótonamente creciente en dependencia del ángulo de contacto. Tales perfiles presentan el inconveniente de que no es posible una buena distribución de la secuencia axial de las celdas de trabajo a causa del orificio de soplado remanente. Las pérdidas de vacío causadas por el orificio de soplado resultan en pérdidas en el grado de eficiencia, de forma que con tal máquina no es posible una buena compresión interna, al menos para velocidades de rotación medias y bajas.

La solicitud de patente publicada DE 19530662 describe una bomba de succión por tornillo, con elementos de tornillo dentados externamente, en la cual el paso de los elementos de tornillo disminuye continuamente desde su extremo de entrada hacia el extremo de salida, para causar la compresión del gas a ser bombeado. La forma de los dientes del rotor-tornillo presenta una curva epitrocoidal y/o de Arquímedes. Esta máquina presenta la desventaja de que el índice de compresión interna alcanzable con las proporciones geométricas representadas es mediocre. Además, la ausencia de variación del perfil frontal condiciona la ya pobre relación de compresión, y conduce a un índice de fugas incrementado a causa de la reducción hacia el extremo del tornillo de la profundidad del intersticio entre el diámetro exterior del tornillo y la carcasa.

La solicitud de patente publicada DE 4445958 describe un tornillo compresor con elementos de tornillo giratorios, en contra-rotación, dentados externamente. Los filetes helicoidales de los elementos de tornillo van siendo continuamente menores desde un extremo axial hasta el segundo extremo axial en el que desaparecen. Como perfil, se propone uno rectangular o trapezoidal. Un inconveniente de estas geometrías para el perfil es que solamente trabajan suficientemente libres de pérdidas si la profundidad de rosca es mínima con respecto al diámetro, según se explica en dicha publicación. Por tanto, tal máquina presenta un gran volumen físico y un peso elevado. Un inconveniente adicional de esa geometría de perfil es que son necesarios cambios muy numerosos en el paso, si se quiere alcanzar un índice de compresión interna satisfactorio. Como en la mencionada DE 19530662, la ausencia de variación del perfil frontal aquí también determina este inconveniente, y esto conduce a un elevado índice de fugas a causa de la reducción hacia el extremo del tornillo de la profundidad del intersticio entre el diámetro exterior del tornillo y la carcasa.

Otras publicaciones, como por ejemplo, SE 85331, DE 2434782 y DE 2434784, se refieren a máquinas de tornillo axial interno con paso no uniforme de los tornillos o perfiles frontales variables. Todas estas máquinas presentan el inconveniente de que su coste de construcción es elevado, y de que en todos los casos se requiere también un cierre dinámico en el lado de la aspiración.

Además, existen algunas publicaciones, por ejemplo DE 2934065, DE 2944714, DE 3332707 y AU 261792, que describen compresores de doble árbol con rotores en forma de tornillo. En estos, los rotores, y en algunos casos también la carcasa, están compuestos de discos de perfil de diferente grosor y/o contorno, dispuestos axialmente uno tras otro, y alcanzan así la compresión interna. Todas las máquinas con rotores en forma de pseudo-tornillo presentan el inconveniente de que su grado de eficiencia es menor en comparación con el propio de máquinas con rotores en forma de tornillo, ya que por su construcción escalonada aparecen espacios perjudiciales y zonas de turbulencia. Además, con los rotores en forma de pseudo-tornillo son de esperar problemas de consistencia de forma, ya que se calientan durante el funcionamiento.

A partir de este estado de la técnica, la invención tiene por objeto proponer rotores de tornillo gemelo que no presentan los inconvenientes antes mencionados.

Este objetivo se logra, según la invención, porque el paso no es monótono y está definido como una variable dependiente del ángulo de contacto; porque en una primera sección el paso aumenta desde el extremo del tornillo correspondiente a la zona de aspiración, y alcanza un valor máximo después de aproximadamente una vuelta; porque en una segunda sección, adyacente a la primera, el paso disminuye y alcanza un valor mínimo en aproximadamente una vuelta antes del extremo del tornillo correspondiente a la zona de expulsión; y porque en una tercera sección, adyacente a la segunda, el paso permanece sustancialmente constante.

Realizaciones especiales de la invención se describen en las reivindicaciones dependientes.

En lo que sigue, la invención se describirá más detalladamente con referencia a las realizaciones ilustradas en los dibujos, en los cuales:

La Figura 1 representa una pareja de rotores tornillo en engrane mutuo.

La Figura 2 representa el rotor derecho.

La Figura 3 representa el rotor izquierdo.

La Figura 4 es una sección frontal de un rotor-tornillo con perfil variable.

La Figura 5 representa la evolución de la espiral de referencia de un rotor según la invención.

La Figura 6 representa la trayectoria del paso de la evolución según la Figura 5.

La Figura 7 representa la trayectoria de la sección transversal de la cámara de trabajo en una máquina sin y con variación de perfil.

Las Figuras 8a a 8c son vistas en sección transversal del alojamiento, rotores y cámara de trabajo de un compresor provisto de rotores según la invención.

Las Figuras 9a a 9p son secciones frontales de una pareja de rotores, que ilustran el desarrollo de la sección de la cámara de trabajo según la Figura 7.

La Figura 1 representa un ejemplo de realización de una pareja de rotores-tornillo 1 y 2 en engrane exterior, axialmente paralelo. Las Figuras 2 y 3 representan separadamente cada uno de los rotores 1 y 2 según la Figura 1. Se aprecia claramente en esas figuras que la periferia y el núcleo son cilíndricos, y así la profundidad de rosca es constante a lo largo del tornillo. En la Figura 3 las medidas \Deltaw_{1} y \Deltaw_{3} muestran que el paso de los tornillos varia a lo largo del eje, mientras que la altura "h" de la superficie externa cilíndrica del rotor en forma de tornillo, sin embargo, permanece constante, con lo cual se impiden las pérdidas por fugas entre el rotor y la pared interna del alojamiento o carcasa, desde el extremo del tornillo de la zona de aspiración hacia el extremo del tornillo de la zona de expulsión, como sucede indeseablemente con algunas de las máquinas del estado de la técnica inicialmente mencionado. En esta figura, con el número 7 se designa la espiral de referencia, la cual se describirá posteriormente con más detalle, y 8 es la segunda demarcación espiral de la superficie cilíndrica externa del rotor.

En la Figura 4 se representa un rotor en una sección en ángulo recto con el eje del rotor. El perfil frontal así formado presenta un arco de círculo central 3 con un radio Rb constante en toda la longitud del tornillo, el cual —en sentido horario— después de un ángulo de sector \gamma, varía en un flanco hueco cicloidal 4. La geometría del flanco hueco 4 no cambia en toda la longitud del tornillo. Luego, con un ángulo agudo, el flanco hueco 4 en el punto B_{0} es un arco externo 5 con un radio Ra constante en toda la longitud del tornillo, el cual, después de un ángulo de sector, en el punto C varía en un flanco adicional 6. Finalmente termina con una transición tangencial en el arco de círculo central 3. La variación del contorno del perfil frontal a lo largo del eje del tornillo está basada en una variación del ángulo de sector \gamma, así como en una variación de la geometría del flanco adicional 6. La variación del ángulo de sector \gamma a lo largo del eje del tornillo está, preferiblemente, determinada espacialmente por una trayectoria al menos próxima a la equidistancia de una espiral de referencia (7 en la Figura 3), formada por los puntos más exteriores B_{\alpha} del flanco hueco, y de la segunda espiral de demarcación (punto C) (8 en la Figura 3) de la superficie cilíndrica externa del rotor.

La Figura 5 representa en un diagrama la evolución "w" de la espiral de referencia mencionada en relación con la Figura 4, en dependencia del ángulo de contacto \alpha. Para comparar, se han trazado una línea recta "g" y correspondientes segmentos P_{0}, 2P_{0}, etc., de la evolución de una espiral con gradiente constante. La trayectoria del gradiente es claramente discernible si se considera la primera derivada, representada en la Figura 6,

W'

\hskip2mm

\{=\frac{\delta_{w}}{\delta_{\alpha}}\}

de la evolución "w". Este valor w' es el gradiente dinámico de la antes mencionada espiral de referencia. Se aprecia en esta figura que el gradiente comienza en \alpha=0 con el valor

\frac{L_{0}}{2\pi}

en el que L_{0} es una constante correspondiente a una de las alturas intermedias del gradiente. En una primera sección T_{1}, w' aumenta, y alcanza en \alpha=2\pi el valor máximo

\frac{(1+A)\cdot L_{0}}{2\pi}

en el que A es el moderador de amplitud. En una segunda sección T_{2}, la cual discurre desde 2\pi hasta 6\pi, el gradiente disminuye, y alcanza en \alpha=6\pi el valor mínimo

\frac{(1-A)\cdot L_{0}}{2\pi}

que conserva en una tercera sección T_{3} hasta el extremo del tornillo.

La Figura 7 representa la sección transversal F de la cámara como una función del ángulo de contacto \alpha, mostrando la curva F_{0} en línea continua la sección transversal de la cámara sin variación de perfil, y la curva F_{m} en línea discontinua la sección transversal de la cámara con variación de perfil.

La Figura 8a representa la sección transversal de un alojamiento destinado a recibir los rotores de tornillos gemelos, según la invención. La Figura 8b representa una sección a través de los rotores correspondiente a la ilustración de la Figura 4, y en la Figura 8c se representa sombreada la sección transversal de la cámara F_{0}.

En las Figuras 9a a 9p se representa, en sección frontal, el desarrollo de la sección transversal de la cámara de trabajo en dependencia del ángulo de contacto. Este último se indica en las figuras en grados angulares.

Claims (3)

1. Rotores de tornillos gemelos, para su montaje en máquinas de desplazamiento para materias comprimibles, cuyos rotores están realizados con un filete de rosca de paso variable y destinados a trabajar en engrane exterior, axialmente paralelo, en contra-rotación, con ángulos de contacto de al menos 720º, para formar en un alojamiento o carcasa una secuencia axial de cámaras sin conexiones de orificios de soplado, comprendiendo el perfil frontal un arco de círculo central (3), un flanco hueco cicloidal (4), un arco de círculo externo (5) y un flanco adicional (6), caracterizados porque el paso no discurre monótono y está definido como una variable dependiente del ángulo de contacto; porque en una primera sección (T_{1}) el paso aumenta desde el extremo del tornillo correspondiente a la zona de aspiración, y alcanza un valor máximo después de aproximadamente una vuelta; porque en una segunda sección (T_{2}), adyacente a la primera, el paso disminuye y alcanza un valor mínimo en aproximadamente una vuelta antes del extremo del tornillo correspondiente a la zona de expulsión; y porque en una tercera sección (T_{3}), adyacente a la segunda, el paso es sustancialmente constante.

2. Rotores de tornillos gemelos, según la reivindicación 1, caracterizados porque los contornos del perfil frontal varían a lo largo del eje del tornillo rotor, en razón de que varían los ángulos de sector (\gamma) del arco de círculo central (3) y del arco de círculo externo (5), y porque varía la geometría del flanco adicional (6), permaneciendo constantes el radio del círculo central (Rb), el radio del círculo externo (Ra) y la geometría del flanco hueco, y los puntos más exteriores del flanco hueco forman la espiral de referencia (7) para la definición de la trayectoria del paso.

3. Rotores de tornillos gemelos, según la reivindicación 2, caracterizados porque la variación a lo largo del eje del tornillo de los ángulos de sector (\gamma) del arco de círculo central (3) y del arco de círculo externo (5), está determinada por una trayectoria al menos casi equidistante espacialmente de la espiral de referencia (7) y de la segunda espiral de demarcación (8) de la superficie cilíndrica externa del rotor.