ES2429526T3 - Compresor de tornillo seco - Google Patents
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Abstract
Compresor de tornillo seco (1) que tiene un rotor macho (2) cuya velocidad periferica es inferior a 80 m/s; comprendiendo el compresor (1): - un cuerpo de carcasa (4) que tiene una entrada (10) para un fluido gaseoso a recibirse y al menos una salida(11) para el fluido comprimido; - al menos un rotor macho (2) y al menos un rotor hembra (3) engranados entres si, estando dichos rotores (2,3) dispuestos dentro de dicho cuerpo de carcasa (4); compresor (1) caracterizado por que la relacion entre la longitud (Lm) y el diametro externo del rotor macho (2) essuperior a o igual a dos, y en el que el angulo de arrollamiento (9) del rotor macho (2) es inferior a o igual a 300°.
Description
Compresor de tornillo seco
Campo t6cnico
La presente invenciOn se refiere a un compresor de tornillo seco para un gas, especialmente aire, para su uso en
aplicaciones de presi6n (por ejemplo, en el transporte de materiales granulados o en polvo, o en el tratanniento de
aguas, donde grandes cantidades de aire se deberan transportar para iniciar y ayudar a las reacciones aerObicas) y
en aplicaciones de vacio (por ejennplo, en sistemas de extraccion de gas, humo o vapor). En particular, el presente
compresor de tornillo seco se utiliza en aplicaciones con bajas presiones diferenciales comprendidas entre 1 bar y 3
bar y al vacio hasta un umbral de presiOn absoluta de 150 mbar.
Antecedentes de la t6cnica
El documento FR 953 057, que se considera representa la tecnica anterior nnas cercana, describe un compresor de
tornillo seco.
Como ya se sabe, las aplicaciones de baja presiOn diferencial (inferior a 1 bar) utilizan compresores de lobulos.
Estos son compresores en los que dos rotores de 16bulos (normalmente de dos o tres lobulos) con ejes paralelos
engranan y giran sincrOnicannente en direcciones opuestas.
Sin embargo, estos compresores de lObulos, a pesar de ser estructuralmente simples, economicos y capaces de
garantizar un buen flujo, tienen un pobre rendimiento termodinamico.
Por lo tanto, se ha proyectado un compresor de tornillo que podria trabajar a baja presi6n, con un flujo elevado y un
rendimiento termodinannico caracteristico de una maquina de connpresion interna, pero cuyas caracteristicas
estructurales son lo mas parecidas posible a un compresor de 16bulos.
Como se sabe, un connpresor normal de tornillo bajo altas presiones connprende al menos un rotor macho y al
menos un rotor hembra que engranan entre si durante el giro alrededor de respectivos ejes y alojados dentro de un
cuerpo de carcasa. Cada uno de los dos rotores tiene nervaduras en forma de tornillo que engranan con ranuras en
forma de tornillo correspondientes del otro rotor. Tanto el rotor macho como el hembra muestran, en secciOn
transversal, un numero predeterminado de dientes correspondientes a sus nervaduras y un namero predeterminado
de valles que corresponden a sus ranuras. El cuerpo de carcasa tiene una entrada para que el gas se reciba y una
salida (denominada tambien "salida de sunninistro") para el gas comprimido. El gas de entrada se comprime entre los
dos rotores en nnovimiento y Ilega a la salida bajo la presi6n requerida.
Por otra parte, se sabe que los compresores de tornillo secos, indicados generalmente como "sin aceite", en
contraposici6n a los compresores de inyecci6n de aceite, se utilizan en gran medida en aplicaciones en las que el
nivel de contaminantes debe mantenerse por debajo de un umbral porcentual deternninado (normalmente muy bajo).
En los ultimos afios, algunos fabricantes han propuesto compresores de tornillo seco para presiones diferenciales
comprendidas entre 3 y 10 bar, reajustando por tanto la tecnologia de los compresores de tornillo de inyeccion de
aceite para aplicaciones a altas presiones (superiores a 10 bar).
Sin embargo, la fabricaci6n de tales compresores de tornillo seco es bastante sofisticada y costosa, ya que debe
tener en cuenta las notables tensiones mecanicas y termicas a las que los rotores estan 'sonnetidos. En particular,
con el fin de evitar una flexion excesiva bajo carga, la relaciOn entre la longitud y el diametro extern° del rotor macho
esta generalmente comprendida entre 1,5 y 1,8; este requisito limita fuertemente la capacidad del compresor y
requiere la inserci6n en la estructura del compresor de un multiplicador de engranajes para poner en marcha los
rotores a velocidades perifericas muy elevadas, nornnalmente > 150 m/s.
Al alterar las salidas de suministro, los compresores antes mencionados se pueden utilizar tambien bajo presiones
diferenciales comprendidos entre 1 bar y 3 bar. Sin embargo, el inconveniente de estos compresores de baja presi6n
se representa porque tienen la misma complejidad estructural que los compresores de alta presi6n.
Objeto de la invencion
Por lo tanto, el objeto del cometido tecnico de la presente invencion es proponer un compresor de tornillo seco, que
pueda trabajar a baja presi6n, con un flujo elevado y un rendimiento termodinamico tipico de este tipo de maquinas.
En particular, el objetivo principal de la presente invenciOn es proporcionar un compresor de tornillo seco bajo
. presiones diferenciales bajas (comprendidas entre 1 y 3 bar) y con un flujo elevado, que sea estructuralmente
simple, economico y facil de mantener.
Por otra parte, un objetivo adicional de la presente invencion es proponer un compresor de tornillo seco, que tambien
sea adecuado para aplicaciones al vacio, hasta un umbra! de 150 mbar de presion absoluta.
El cometido tecnico definido y los objetos especificados se logran sustancialmente por medio de un connpresor de
tornillo seco que comprende las caracteristicas tecnicas reivindicadas en la reivindicaciOn independiente 1 y en las
reivindicaciones adicionales dependientes de dicha reivindicaciOn 1.
Breve descripcion de los dibujos
Otras caracteristicas y ventajas de la presente invenciOn se haran mas evidentes a partir de la siguiente descripci6n
aproximada, y por tanto no limitativa, de un compresor de tornillo seco, corno se ilustra en los dibujos adjuntos, en
los que:
la Figura 1 ilustra una semi& transversal longitudinal de un compresor de tornillo seco de acuerdo con la
presente invencion;
la Figura 2 ilustra una vista tridimensional, en secciOn longitudinal, de algunos detalles pertenecientes al
compresor de tornillo seco que pertenece a su vez al compresor de tornillo seco de la Figura 1;
laFigura 3 ilustra una secciOn transversal (no a escala) de los rotores utilizados en el compresor de acuerdo
con las Figuras 1, 2; y
la Figura 4 ilustra una vista lateral esquematica tridimensional (no a escala) de un rotor macho utilizado en el
compresor de tornillo seco de acuerdo con la invenciOn.
Realizacion preferida de la invencion
Con referenda a las supuestas Figuras, 1 indica un compresor de tornillo seco para gas, en particular aire, de
acuerdo con la invenciOn.
El compresor 1 se puede utilizar tanto bajo presi6n como al vacio.
El compresor 1 comprende al menos un rotor macho 2 y al menos un rotor hembra 3, engranados entre si (Figuras
1, 2, 3).
La realizacion aqui descrita e ilustrada proporciona un solo rotor macho 2 y un solo rotor hembra 3 alojados dentro
de un solo cuerpo de carcasa 4.
En particular, este cuerpo de carcasa 4 se obtiene mediante el acoplamiento de dos cilindros de comunicaciOn (no
mostrados) de modo que definen una sola cavidad 5 que aloja los rotores 2, 3.
Una realizaciOn alternativa (no mostrada) se proporciona para una pluralidad de pares conjugados de rotores macho
2 y rotores hembra 3.
Como se muestra en la Figura 1, el rotor hembra 3 esta enchavetado en un arbol 17 (que tiene un eje de giro (01)),
mientras que el rotor macho 2 esta enchavetado en un arbol 18 (que tiene un eje de giro (02)). En particular, el
primer eje de giro (01) se dispone a una cierta distancia (I) (generalmente conocida corn° "distancia central") desde
el segundo eje de giro (02). El primer eje de giro (01) y el segundo eje de giro (02) son paralelos entre si.
Cada uno de dichos rotores 2, 3 tiene nervaduras en forma de tornillo que engranan con ranuras en forma de tornillo
formadas entre las nervaduras en forma de tornillo correspondientes del otro rotor 2, 3. De esta manera, en secciOn
transversal (Figura 3), el rotor macho 2 muestra lobulos 6 (o dientes) y valles 7 que engranan con los valles 8 y
lobulos 9 (o dientes) correspondientes del rotor hennbra 3.
Por otra parte, la Figura 3 muestra algunos de los principales parametros dimensionales que caracterizan los perfiles
de los rotores 2, 3. En particular, se puede observar una circunferencia externa (Cef) del rotor hembra 3 y una
circunferencia externa (Cem) del rotor macho 2.
Por otra parte, como se muestra en la Figura 1, la longitud (Lm) del rotor macho 2 corresponde a la longitud (Lf) del
rotor hembra 3.
Los perfiles conjugados identicos a los mostrados en la presente Figura 3 se han descrito y reivindicado en la
solicitud de patente internacional WO 2010/133981 Al bajo el nombre del mismo solicitante. En combinaciOn con los
elementos geornetricos descritos a continuaci6n, permite maximizar la capacidad del compresor y reducir al minimo
las fugas de gas que se producen nornnalmente en las areas de acoplamiento entre los rotores, y entre los rotores y
sus carcasas.
De hecho, en el presente alcance y con una referencia particular a la Figura 4, el "angulo de arrollamiento" (9) se
forma por el angulo de una helice generica 40 (descrita por el cabezal de un diente generico) comprendida entre un
segmento OA, que conecta el eje (02) del rotor macho 2 de la helice 40 en un primer piano de extern° (n1) del rotor
2, y un segmento de O'B', que conecta tambien el eje (02) a la [lace 40 en un segundo piano de extremo (n2) del
rotor 2 opuesto al primer piano de extremo (n1).
Como se muestra tambien en la Figura 4, el rotor 2 comprende tres helices 30, 40, 50, paralelas entre si, descritas
por los cabezales de los dientes relativos.
Por otra parte, el termino "Iongitud (Lm)" del rotor macho 2 define la distancia entre los dos pianos de extrenno (n1)
(n2), el termino "pas° (Pz)" entre dos helices 30, 40 define la distancia entre el punto B y el punto B1, y la expresion
"angulo de la helice" (y) define el angulo comprendido entre la tangente (r) a la helice 40 en cualquier punto (P) y el
eje (02) del rotor macho 2.
En una forma inventiva, se ha encontrado que la relaciOn entre la longitud (Lm) y el diametro extern° (Dm) del rotor
macho 2 (vease tambien Figura 4) debe ser superior a o igual a 2, para maximizar la capacidad del compresor y, por
lo tanto, junto con los perfiles conjugados de los lobulos de los rotores, para garantizar flujos de gas elevados.
Preferentemente, dicha relaciOn (Lm)/(Dm) este comprendida entre 2 y 3. En este context°, el diametro extern° (Dm)
significa el diametro de la circunferencia externa (Cem) del rotor macho 2 (Figura 3).
Por otra parte, se ha encontrado que, para maximizar la capacidad del compresor, si las otras dimensiones
geornetricas son iguales, el valor maxim° del angulo de arrollamiento ((p) debe ser 300°, de hecho, al aumentar el
valor del angulo de arrollanniento (cp), y con una longitud igual (Lm), un diametro igual (Dm) y un perfil igual del diente
del rotor macho 2, la superposiciOn entre los dientes de los dos rotores 2, 3 aumenta por consiguiente, con una
siguiente reducciOn de la capacidad total del compresor 1.
Por otra parte, los valores (Lm), (PZ) y los angulos (T), (tp) ester' geometricamente relacionados entre si.
Por lo tanto, es posible determinar de forma proyectante los valores 6ptimos de los parametros (Lm), (Dm), (PZ), (y)
para definir un valor Oft° del "angulo de arrollamiento" ((p) dado el maxim° flujo de gas a velocidad periferica
reducida del rotor macho 2 y bajo presi6n reducida.
Preferentemente, el niknero de 16bulos 6 del rotor macho 2 es diferente del nCimero de lObulos 9 del rotor hembra 3.
En particular, el numero de lObulos 6 del rotor macho 2 es inferior a el niimero de 16bulos 9 del rotor hennbra 3 por al
menos una unidad. Por ejemplo, en la realizaciOn aqui descrita e ilustrada, el niimero de lobulos 6 del rotor macho 2
corresponde a tres, mientras que el nurnero de lObulos 9 del rotor hembra 3 corresponde a cinco. En otra realizaciOn
(no mostrada), el nOmero de lobulos 6 del rotor macho 2 corresponde a cuatro, mientras que el numero de lObulos 9
del rotor hembra 3 corresponde a seis.
Los dos rotores 2, 3 se mantienen en la posici6n reciproca por medio del engranaje de sincronizacion formado por
dos ruedas dentadas 20a y 20b del tipo conocido (Figura 1).
Obviamente, con el fin de permitir un correcto funcionamiento del compresor 1, la relaciOn de transmisiOn entre los
engranajes de sincronizaci6n 20a, 20b debe ser igual a la relacion existente entre el nOmero de dientes de los dos
rotores 2, 3.
Ventajosamente, el arbol de accionamiento es el arbol 17 sobre el que este enchavetado el rotor hembra 3, ya que
es el que tiene mas dientes, de modo que cada giro de este erbol 17 se corresponde con el Ilenado de un mayor
numero de huecos y, en resumen, a un mayor volunnen transported° por el connpresor 1.
] Como se muestra en nnas detalle en la Figura 2, el cuerpo de carcase 4 tiene una entrada 10 para recibir un fluido
gaseoso, que fluye de acuerdo con una flecha (F1), y al nnenos una salida 11 (o salida de suministro) para que el
fluido connprimido fluya de acuerdo con una flecha (F2). Dicha salida 11 define una abertura 12 formada en el cuerpo
de carcasa 4.
El compresor 1 utilize cojinetes de un tipo conocido. En particular, las cargas radiales se soportan por un primer
grupo 19a de cojinetes de bolas radiales dispuestos cerca de la entrada 10 y por un segundo grupo 19b de cojinetes
de bolas cilindricos dispuestos cerca de la salida 11. Las cargas axiales, por otro lado, se soportan por un tercer
grupo-19c de cojinetes de bolas de contacto oblicuos dispuestos al lado de los cojinetes del segundo grupo 19b.
Enla realized& particular mostrada en la Figura 1, el compresor 1 se proporciona con un motor electric° 16 cuyo
rotor esta enchavetado ventajosamente en el arbol 17 del rotor hembra 3 para iniciar su giro alrededor del primer eje
de giro (01). Preferentemente, el motor 16 es un motor de iman permanente. Preferentemente, el motor de iman
permanente 16 es del tipo enfriado por circulaciOn de ague. Como alternative, se puede utilizer un motor de linen
permanente del tipo enfriado por aire.
Como se ha indicado anteriormente, el motor 16 este preferentemente enchavetado en el arbol 17 del rotor hembra
3, es decir, que este alineado con dicho arbol 17.
Cuando no se requiere ninguna varied& de la velocidad de los rotores 2, 3, el compresor 1 se puede acoplar a un
motor
electric° (no mostrado) por medio de una unidad de accionamiento de "correa y polea" (no mostrada).
El funcionamiento del compresor de tornillo
seco de acuerdo con la presente invenciOn se describe a continuaciOn.
El gas (por ejemplo aire) se recibe por el compresor 1 y, a traves de la entrada 10, entra en el cuerpo de carcasa 4
(Figuras 1, 2). Durante el giro, las nervaduras en forma de tornillo del rotor hembra 3 engranan entre si, junto con las
ranuras en forma de tornillo del rotor macho 2, y viceversa. En realizaciones sin ningun contacto entre los rotores 2,
3, la relaciOn de transmisiOn/multiplicaciOn correcta entre los rotores 2, 3 se acciona por medio de los engranajes de
sincronizaciOn 20a, 20b.
Al cruzar longitudinalmente el cuerpo de carcasa 4, el gas se comprime entre los "arrollarnientos" de los dos rotores
giratorios 2, 3, alcanzando por tanto la salida 11.
Una primera realizacion, en la que la abertura 12 se dispone en la superficie lateral del cuerpo de carcasa 4, se
utilize para las relaciones de compresiOn "internnedias" R, por ejemplo, comprendidas entre 1 y 4; mientras que, en
una segunda realizaciOn, la abertura 12 se dispone en correspondencia con un extremo del cuerpo de carcasa 4 (en
el piano (n1); vease Figura 1); esta Oltima solucion se elige para las relaciones de "alta" compresi6n (R), por ejemplo,
comprendidas entre 4 y 10. Ambas realizaciones pueden estar provistas de medios de conformaciOn (no mostrados)
que definen la dimension real de la abertura 12 correspondiente a la relacion de compresiOn deseada (R).
La descripci6n anterior muestra claramente las caracteristicas del compresor de tornillo seco de acuerdo con la
presente invencion, asi como sus ventajas.
En particular, se hace posible la relacion entre la longitud y el diametro extern° del rotor macho (superior a o igual a
dos) por las presiones diferenciales bajas (comprendidas entre 1 bar y 3 bar) o por el umbral de presi6n absolute de
150 mbar para aplicaciones al vacio.
Por otra parte, la elecciOn de la geometria del perfil y del funcionamiento del compresor por medio del arbol del rotor
hembra permite maximizar la capacidad del compresor, con rotores de la misma longitud, lo que permite alcanzar el
flujo elevado requerido a una velocidad periferica del rotor macho 2 inferior a 80 m/s.
Por otra parte, la geometria de los perfiles de los dos rotores acoplados permite obtener una linea de contacto ma's
corta entre los rotores con una mejor junta, reduciendo de este modo la disipacion.
Por otra parte, gracias al hecho de que el compresor funciona a velocidades perifericas del rotor macho inferiores a
80 m/s, la velocidad periferica del rotor hembra es aCin mas baja, y por tanto el rotor del motor electric° se puede
introducir directamente en el arbol del rotor hembra (es decir, sin la interposiciOn de los engranajes de
multiplicacion), obteniendo de este modo un connpresor que es estructuralmente simple, compacto y que tiene una
mayor eficiencia energetica. Esto hace que el uso de la relaciOn de multiplicaciOn de los engranajes de
sincronizaci6n de los rotores, correspondiente a la relacion entre el numero de 16bulos del rotor hembra y el nOmero
de lobulos del rotor macho (en la realizaciOn descrita, corresponde a 5/3 = 1,66667). Esto evita la utilizacion de los
multiplicadores de ruedas dentadas integrados en el compresor, con una ventaja resultante en la simplicidad
estructural, gravamen, coste y ruido.
Por otra parte, la eficiencia energetica del compresor se proporciona tambien por el uso de un motor de iman
permanente, caracterizado por bajos consunnos en un amplio intervalo de velocidades. En particular, este tipo de
motor de iman permanente tiene mayor eficiencia que el motor electric° asincronico trifasico utilizado en la tecnica
conocida, especialnnente a velocidades reducidas. Entre otras cosas, el uso de un motor de iman permanente
enfriado por agua permite una reducci6n en el tamatio y en el peso del motor, permitiendo de este modo su
disposiciOn directa del arbol del rotor hennbra, aprovechando los cojinetes radiales del compresor.
Por ültimo, la optimizaciOn de la eficiencia energetica se obtiene tannbien gracias a la utilizaciOn de una salida de
suministro, cuyo tamario varia de acuerdo con la relaciOn de compresiOn deseada, produciendo de este modo un
compresor extremadamente versatil y modular.
Claims (8)
- REIVINDICACIONES1. Compresor de tornillo seco (1) que tiene un rotor macho (2) cuya velocidad periferica es inferior a 80 m/s; comprendiendo el compresor (1):-un cuerpo de carcasa (4) que tiene una entrada (10) para un fluido gaseoso a recibirse y al menos una salida(11) para el fluido comprimido;-al menos un rotor macho (2) y al menos un rotor hembra (3) engranados entres si, estando dichos rotores (2, 3) dispuestos dentro de dicho cuerpo de carcasa (4);compresor (1) caracterizado por que la relacion entre la longitud (Lm) y el diametro extern° del rotor macho (2) es superior a o igual a dos, y en el que el angulo de arrollamiento (9) del rotor macho (2) es inferior a o igual a 300°.
- 2. Compresor (1) de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado por que el arbol de accionamiento es un arbol
- (17)
- en el que dicho rotor hembra (3) este enchavetado.
- 3. Compresor (1) de acuerdo con la reivindicaciOn 2, caracterizado par que comprende ademas un motor electric°(16) que act0a operativamente sobre el arbol (17) del rotor hennbra (3) para iniciar su giro alrededor de un primer eje de giro (01).
-
- 4.
- Compresor (1) de acuerdo con la reivindicacion 3, caracterizado por que el rotor de dicho motor electric° (16) este enchavetado en dicho arbol (17) del rotor hembra (3).
-
- 5.
- Compresor (1) de acuerdo con la reivindicaciOn 3 o reivindicaciOn 4, caracterizado por que dicho motor electric°
- (16)
- es un motor de iman permanente.
- 6. Compresor (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que dicha salida (11) define una abertura (12) formada en el cuerpo de carcasa (4), siendo el tamano real de dicha abertura
- (12)
- variable mediante medios de conformacion con el fin de obtener una relacion de compresion predeterminada (R).
- 7. Compresor (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado par que puede ser utilizo en aplicaciones bajo presiones diferenciales comprendidas entre 1 bar y 3 bar.
- 8. Compresor (1) de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que puede ser utilizado en aplicaciones al vacio hasta un umbral de presiOn absoluta de 150 mbar.REFERENCIAS CITADAS EN LA DESCRIPCIDNEsta lista de referencias citadas por el solicitante Onicamente es para comodidad del lector. Dicha lista no forma parte del documento de patente europea. Aunque se ha tenido gran cuidado en la recopilaciOn de las referencias, no 5 se pueden excluir errores u omisiones y la EPO rechaza toda responsabilidad a este respect°.Documentos de patentes citados en la descripcion• FR953057 [0002] 10 • W02010133981 Al [0026]La traducciOn de la Patente Europea n° 2 452 074 B1 ha sido efectuada por la que suscribe, Ma Isabel Castello Ferrer, Agente oficial de la Propiedad Industrial n° 995/4, de conformidad con el articulo 8 del RD 2424/1986.Fdo. Ma Isabel errer (995/4)
Applications Claiming Priority (3)
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