KR0167638B1

KR0167638B1 - 무급유식 스크류 유체기계

Info

Publication number: KR0167638B1
Application number: KR1019950029364A
Authority: KR
Inventors: 세이지 쯔루; 쥰지 오키타
Original assignee: 가나이 쯔도무; 가부시키 가이샤 히다치 세사쿠쇼
Priority date: 1994-09-09
Filing date: 1995-09-07
Publication date: 1999-01-15
Also published as: JP3240851B2; CN1123371A; JPH0874748A; BE1009829A3; CN1082626C; KR960011138A

Abstract

숫로터와 암로터가 접촉하지 않고 서로 맞물리면서 회전하는 드라이스크류 유체기계에 관한 것으로, 양 로터는 운전시의 탄성변형을 고려하여 미리 작게 성형하고, 양 로터의 적어도 한쪽의 로터의 톱니끝에, 운전시의 열변형을 고려하여 크기를 정하여 성형된 칩을 구비한 것이다. 또한, 양 로터는 톱니끝 직경과 톱니바닥직경이 운전시에 있어서의 로터의 고온측에 대하여 저온측을 크게 하고, 양 로터의 적어도 한쪽의 로터의 톱니끝에 선단과 로터축심과의 거리를 고온측으로부터 저온측에 걸쳐 일정하게 설치한 칩을 구비한 것이다.

Description

무급유식 스크류 유체기계

제1도는 일실시예에 의한 팁(tip)이 부착된 스크류로터의 외형도이고,

제2도는 일실시예에 의한 로터의 톱니부의 종단면도이며,

제3도는 제2도의 팁(tip)의 확대도이고,

제4도는 일실시예에 의한 스크류압축기의 전체구성도이다.

본 발명은 숫로터와 암로터가 접촉하지 않도록 미소한 극간을 마련하여 접촉하지 않고 서로 맞물림하면서 회전하는 무급유식 스크류 유체기계에 관한 것으로, 저렴하고 성능향상을 도모하는데 최적이다.

양 로터사이의 극간을 최적으로 유지하기 위해서는, 예를 들면 일본국실용신안 공개평 3-77084호 공보에, 그 외경을 로터의 열변형량의 축방형본포에 맞게 흡입측으로부터 토출측으로 테이퍼상으로 가공하는 것이 기재되어 있다. 그러나 이 방법에서는 운전시 로터사이의 틈은 작게 할 수 있으나, 로터와 케이싱사이의 틈에 대해서는 고려되어 있지 않다.

따라서 로터외경과 케이싱내벽은 로터의 탄성변형(언밸런스에 의한 원심력이 작용한 경우, 로터의 톱니홈부의 가스압력에 의한 경우 등), 베어링의 활동 및 탄성변형, 로터와 케이싱의 열변형량의 차이에 의하여 접촉할 가능성이 있었다.

이 접촉을 막기 위해서는 상술한 테이퍼상으로 가공한 양을 줄일 필요가 있다. 그러나, 이 가공량을 줄이는 일은 로터의 열변형을 출분히 보상할 수 없게 하고, 성능이 저하한다고 하는 불합리한 점이 된다.

또한, 열변형을 고려하여 로터외형에 팁(tip)을 설치하는 것은, 예를 들면 일본국 특개평 4-358785호 공보에 기재된 바와 같이, 팁을 톱니부의 원주방향(톱니의 폭방향)의 일단부에 설치하는 것이 나타나 있다. 그러나 이 예에서는 로터의 열변형량의 축방향 분포에 의한 영항이 고려되어 있지 않다.

본 발명의 목적은 운전시 로터사이의 틈뿐만 아니라, 로터와 케이싱 사이의 틈을 최적으로 하는 무급유식 스크류 유체기계를 저렴하게 얻는데 있다.

다른 목적은 흡입측과 토출측의 로터의 온도차이를 작게하고, 테이퍼량을 줄인 스크류로터를 가지는 무급유식 스크류 유체기계를 얻는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해서는 이하와 같이 구성한다.

(1) 양 로터의 외경은 운전시의 탄성변형을 구려하여 작게 성형하고, 양 로터의 적어도 한쪽 로터의 톱니 끝에 팁을 설치한다.

(2) 실온상태의 양 로터의 톱니끝 직경은 운전시에 있어서 로터의 고온측의 토출측에 대하여 저온측의 흡입측을 크게 하고, 팁의 선단과 이 팁을 가지는 로터의 축심과의 거리를 일정하게 한다.

또, 본 발명의 제1특징은, 양 로터의 외경은 운전시의 열팽창량을 고력하여 작게 성형하고, 팁의 선단과 이 팁을 가지는 로터축심과의 거리는, 운전시 로터의 탄성변형량, 양 로터를 지지하는 베어링의 활동 및 탄성변형량, 케이싱내경의 열변형량중 적어도 하나를 고려하여 결정하는데 있다.

또한, 본 발명의 제2특징은 흡입측은 무부하운전시의 로터온도, 토출측은 부하운전시의 로터온도를 기준으로 하여 양 로터의 열팽창량을 구하고. 이 로터를 열맹창량을 고려하여 작게 성형하는데 있다.

또 본 발명의 제3특징은 적어도 한쪽 로터의 축중심부에 관통하는 구멍을 마련하고, 구멍에 냉각용유체를 통과시켜 그 냉각을 고려하여 로터의 톱니끝 직경, 톱니바닥직경 및 팁의 선단과 이 팁을 가지는 로터의 축심과의 거리를 결정하는데 있다.

또한, 본 발명에 있어서 로터의 재질을 고니켈덕타일주철등의 낮은 팽창재로 하는 것이 열팽창량의 점에서 바람직하다.

또, 로터의 재질을 스테인레스강으로 하는 것이 내식성의 점에서 바람직하다.

이하, 본 발명의 실시예를 제1도 내지 제4도에 의하여 설명한다.

제1도는 숫로터(1)와 암로터(2)의 형상을 상세하게 설명하는 것이고, 제2도는 숫로터(1)톱니부의 하나의 톱니에 대하여 축에 직각인 톱니의 형상을 나타낸 것, 제3도는 제2도의 톱니끝의 팁부의 형상을 확대하여 나타낸 것, 제4도는 일실시예인 무급유식 스크류 압축기의 전체구조 및 로터의 냉각유계통을 나타내는 것이다.

제4도에 있어서 숫로터(1)와 암로터(2)는 회전가능한 상태로 베어링(14)에 지지되고, 케이싱(13)내에 각각의 톱니부가 서로 맞물리도록 수납되어 있다. 타이밍기어(15)는 숫로터(1), 암로터(2)의 축단에 설치되고, 숫로터(1), 암로터(2)는 작은 백러시(운전시에 있어서 피치원직경상에서 0.06mm정도)로 서로 맞물리고, 구동토크는 수로터(1)로부터 암로터(2)로 전달된다. 로터냉각구멍(11)은 숫로터(1), 암로터(2)의 중심에 마련되어 있고, 로터의 냉각은 냉각유를 노즐(19)로부터 냉각구멍(11)내로 분사함으로써 행해진다. 냉각유는 베어링(14), 타이밍기어(15)의 윤활유의 일부를 사용하고, 오일탱크(16)로부터 오일펌프(17)에 의하여 오일냉각기(18)로 넣어 보내지고, 거기서 냉각된 후 로터의 토출측(10)의 축단으로부터 로터냉각구멍(1)내로 분사된다. 분사에 의하여 로터를 냉각한 냉각유는 흡입측(9)의 축단으로부터 배출되어 오일탱크(16)로 되돌아간다.

압축기의 운전상태에서 공기는 작동실(케이싱(13)에 설치한 공기흡입구로부터 공기는 흡입측(9)으로부터 숫로터(1)와 암로터(2)의 톱니부와 케이싱(13)의 내벽에서 형성된다)로 들어가고, 양 로터의 회전에 의하여 압축되고, 고온, 고압으로 되어 토출측(10)으로부터 케이싱(13)에 설치한 토출구를 통하여 토출된다. 한편, 케이싱(13)은 워터쟈켓(20)으로부터 냉각되어 있다.

운전시, 토출공기는 압축열에 의하여 고온으로 되기 때문에, 양 로터는 공기에 의하여 가열되고, 양 로터의 온도는 흡입측에 대하여 토출측에서 높아진다. 예를들면, 토출압력 7kg/cm²G의 2단압축기에서 운전시의 로터온도는, 흡입측에 비하여 토출측에서 60°C정도 높아지게 된다. 이 때문에, 양 로터의 열변형량은 흡입측으로부터 토출측으로 점차로 커지게 된다. 이 때문에 양 로터의 토출측의 톱니바닥, 톱니끝 직경은 성형시에 미리 열팽창량의 차이에 알맞는 만큼 흡입측의 톱니바닥, 톱니끝 직경보다 작게 테이퍼상으로 하고, 양 로터의 적어도 한쪽의 오주부에 팁을 설치하고, 팁의 선단과 로터의 축심과의 거리는 로터사이의 틈을 흡입측으로부터 토출측까지 동일하게 되도록 구성한다. 또한, 팁선단과 로터축심과의 거리는 운전시의 로터온도에 있어서의 열팽창량으로 양 로터사이에서 접촉하지 않는 값으로 한다. 또, 이 팁은 로터직경에 비하여 극히 작은 폭으로 하고, 또 톱니형으로 선단으로부터 약간 돌출하도록 설치하고, 열변형이나 휨등에 의하여 케이싱(13)의 내벽과 접촉하여도 작은 힘으로 마멸된다. 이 때문에 양 로텅의 외주와 케이싱(13)사이의 틈은 압축기의 운전상태에서 최소로 유지된다. 이 팁의 폭은 예를들면, 약 0.5mm, 톱니형의 선단으로부터 팁의 높이는 약 0.2mm으로 한다. 로터외주와 케이싱사이의 틈은 로터의 열변형, 케이싱의 열변형, 로터에 가해지는 원심력에 의하여 휘어지고(운전시 로터의 탄성변형량은 로터 전길이의 약 1만분의 1로 추정된다), 로터의 압력차에 의한 휘어짐, 로터를 지지하는 베어링의 활동이나 탄성변형등 여러 요인이 작용하는데, 팁의 근소한 마멸에 의하여 실제 운전 상태에 맞게 최적으로 유지된다. 따라서, 상기한 틈을 통과하는 공기의 누출을 최소로 할 수가 있고, 압축기의 성능을 향상시킬 수 있다. 또, 로터톱니부의 선단은 케이싱(13)에 접촉할 가능성이 없고, 테이퍼량을 충분히 취할 수가 있다. 또한, 로터와 팁의 재질은 달라도 된다. 예를들면 팁의 재질을 로터나 케이싱에 비하여 마모되기 쉬운 재질로 하여도 된다.

제1도는 제4도에 나타내는 숫로터(1)와 암로터(2)의 형상을 나타내고, 로터톱니부의 톱니끝(4), (7) 및 톱니바닥(5), (8)은 흡입측(9)으로부터 토출측(10)을 향하여 테이퍼상으로 가공되어 있는데, 팁(3), (6)의 선단과 로터축심과의 거리는 흡입측(9)과 토출측(10)에서 동일하다.

제2도는 숫로터(1) 톱니부의 하나의 톱니에 대하여 축에 직각인 톱니의 형상을 나타낸 것으로, 도면중 파선은 실온상태에서의 토출측톱니형(12a)을, 실선은 흡인측톱니형(12b)을 각각 나타내고 있다. 팁(3)의 선단과 로터축심과의 거리는 토출측톱니형(12a)과 흡입측톱니형(12b)에서 동일하기 때문에, 톱니끝으로부터의 팁(3)의 높이는 토출측톱니형(12a)의 쪽이 흡입측톱니형(12b)보다 높아진다. 팁부를 확대한 형상을 제3도에 나타낸다.

톱니부의 가공은 먼저 압축기의 부하운전, 무부하운전등 여러 운전조건에 잇어서 로터온도를 구하고, 다음에 로터톱니부의 흡입측(9)과 토출측(10)의 각각에 대하여 최고의 로터온도를 구하고, 최고의 로터온도에서의 열팽창량 분(실온상태에 대한)을 로터톱니부의 커터 주입량으로 하고, 이 양을 흡입측(9)으로부터 토출측(10)으로 직선적으로 변화시켜 행한다. 이때, 톱니부의 외주에 팁(3)을 설치하는 가공은, 팁(3)의 선단과 로터축심과의 거리가 흡입측(9)과 토출측(10)에서 동일해지도록 별도로 행한다. 또한, 로터의 팁(3)의 선단과 로터축심과의 거리는 상대로터의 톱니바닥에 접촉하지 않은 거리로 하고 있다. 또, 케이싱(13)의 로터수납부의 내경은, 팁(3)이 완전히 마멸하지 않도록 내압기운전시 로터의 열팽창, 로터의 잔류언밸런스에 의한 탄성변형, 베어링(14)의 래디얼방향의 활동과 탄성변형량들을 고려한 다음에 결정한다.

또, 본 실시예에서는 흡입측(9)과 토출측(10)사이의 톱니부의 톱니끝 직경과 톱니바닥직경의 차이를 일정하게 하여 직선적으로 변화시키고 있는데, 톱니끝 직경과 톱니바닥직경의 차이가 로터의 축방향에서 변화하고, 각각의 직경 변화가 직선적이 아니라, 로터의 축방향 온도곡선에 가까운 형상으로 하여도 된다.

상술한 본 실시예에 의하면 운전상태에 있어서 양 로터사이의 틈은 최적으로 유지되고, 로터와 케이싱사이의 틈도 로터톱니끝의 팁에 의하여 최적으로 유지할 수가 있다. 따라서, 틈으로부터의 공기 누출을 저감하고 압축기의 성능을 향상시킬 수가 있다. 예를들면 종래기에 비하여 전단열효율을 약 5%향상시킬 수가 있다. 또한, 운전상태에 있어서, 테이퍼로터의 설계조건온도까지 도달하지 않는 경우에도, 팁의 마멸이 적어질 뿐으로, 로터와 케이싱사이의 틈은 최적으로 유지된다.

또 운전중의 팁마멸량은 팁의 외경을 미리 로터의 휨이나 베어링의 활동, 탄성변형, 케이싱의 열변형들을 고려한 형상으로 가공함으로써 줄일 수가 있고, 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.

또한, 상기 실시예에 대하여 흡입측과 토출측에서 로터톱니끝 직경과 톱니바닥 직경과의 차이를 동일하게 하고, 팁의 가공에서 폭방향을 동시가공하여도 된다. 이것에 의하여 로터의 제작은 한종류의 커터로 가공할 수 있으므로 런닝코스트를 삭감하여 저렴하게 할 수 있는 효과가 있다.

또, 상기 실시예에 대하여 숫로터 및 암로터의 톱니끝 직경의 축방향의 변화비율과, 톱니바닥직경의 축방향의 변화비율이 모두 일정하여도 된다. 이것에 의하여 로터의 테이퍼가공은 커터의 주입량을 축방향으로 일정한 비율로 증가시키면 좋고, 용이하게 되는 효과가 있다.

또한, 숫로터와 암로터의 적어도 한쪽 로터의 축중심부에 이 로터를 관통하는 구멍을 마련하고, 토출측 로터축단으로부터 냉각용유체를 유입하고, 저온축 로터축으로부터 배출하도록 하여도 된다. 이것에 의하여 흡입측과 토출측의 로터온도차이를 작게할 수가 있고, 테어퍼량을 줄일 수 있기 때문에, 운전조건이 변화된 경우의 로터온도분포의 변화에 대해서도 성능의 변화를 작게 할 수가 있고, 안정된 높은 성능이 얻어지는 효과가 있다.

또, 상기 실시예에 대하여 로터의 재질을 선팽창계수가 6×10^-6/K이하의 재질, 예를들면 고니켈덕타일주철로 하여도 된다. 이것에 의하여 로터의 열팽창량이 작아지기 때문에, 운전시의 로터온도 예측오차의 영향을 작게할 수 있고, 운전시의 적정틈이 얻기 쉬워진다.

또한, 로터의 재질을 스테인레스강으로 함으로써 압축공기중의 부식성요인에 대한 신뢰성이 높아진다.

Claims

나사형상의 숫로터와, 이 숫로터에 접촉하는 일 없이 맞물리는 나사형상의 암로터와, 이들 숫로터와 암로터를 수납하는 케이싱과, 상기 숫로터 및 암로터를 회전 가능하게 지지하고, 상기 케이싱에 유지된 베어링수단과, 상기 숫로터와 암로터의 각각의 축단에 설치되고, 양 로우터를 동기 회전시키는 타이밍기어를 구비한 무급유식 스크류 유체기계에 있어서, 상기 숫로터와 상기 암로터중의 적어도 어느 하나의 로터의 톱니 끝에 축방향의 한끝 쪽으로부터 다른 끝쪽으로 연장되는 팁을 형성하고, 이 팁이 형성된 부분의 로터의 외경과 로터의 축심과의 거리를 축방향 한끝 쪽에서부터 다른 끝쪽으로 일정하게 함과, 동시에, 상기 양 로터의 톱니끝 직경 및 톱니 바닥 직경을 운전시에 저온이 되는 쪽이 고온이 되는 쪽보다 크게 한 것을 특징으로 하는 무급유식 스크류 유체기계.
나사형상의 숫로터와, 이 숫로터에 접촉하는 일 없이 맞물리는 나사형상의 암로터와, 이들 숫로터와 암로터를 수납하는 케이싱과, 상기 숫로터 및 암로터를 회전 가능하게 지지하고, 상기 케이시에 유지된 베어링수단과, 상기 숫로터와 암로터의 각각의 축단에 설치되어, 양 로터를 동기 회전시키는 타이밍기어를 구비한 무급유식 스크류 유체기계에 있어서, 상기 숫로터와 상기 암로터중의 적어도 어느 하나의 로터의 톱니 끝에 축방향의 한끝 쪽으로부터 다른 끝쪽으로 연장되는 팁을 형성하고, 이 팁이 형성된 부분의 로터의 외경과 로터의 축심과의 거리를 축방향 한끝 쪽에서부터 다른 끝쪽으로 일정하게 함과, 동시에, 상기 양 로터의 톱니끝 직경 및 톱니 바닥 직경을 이 압축기의 흡입측에 있어서 토출측보다 크게 한 것을 특징으로 하는 무급유식 스크류 유체기계.
나사형상의 숫로터와, 이 숫로터에 접촉하는 일 없이 맞물리는 나사형상의 암로터와, 이들 숫로터와 암로터를 수납하는 케이싱과, 상기 숫로터 및 암로터를 회전 가능하게 지지하고, 케이싱에 유지된 베어링수단과, 상기 숫로터와 암로터의 각각의 축단에 설치되고, 양 로우터를 동기 회전시키는 타이밍기어를 구비한 무급유식 스크류 유체기계에 있어서, 상기 숫로터와 상기 암로터중의 적어도 어느 하나의 로터의 톱니 끝에 축방향의 한끝 쪽으로부터 다른 끝쪽으로 연장되는 팁을 형성하고, 이 팁이 형성된 부분의 로터의 외경과 로터의 축심과의 거리를, 운전시의 상기 양 로터의 탄성변형량, 이들 양로터를 지지하는 베어링의 유극량, 이 베어링의 턴성변형량 및 상기 케이싱의 운전시에 있어서의 내경의 열변형량중의 적어도 하나에 의거하여 정한 것을 특징으로 하는 무급유식 스크류 유체기계.
나사형상의 숫로터와, 이 숫로터에 접촉하는 일 없이 맞물리는 나사형상의 암로터와, 이들 숫로터와 암로터를 수납하는 케이싱과, 상기 숫로터 및 암로터를 회전 가능하게 지지하고, 상기 케이시에 유지된 베어링수단과, 상기 숫로터와 암로터의 각각의 축단에 설치되고, 양 로우터를 동기 회전시키는 타이밍기어를 구비한 무급유식 스크류 유체기계에 있어서, 상기 숫로터와 상기 암로터중의 적어도 어느 하나의 로터의 톱니 끝에 축방향의 한끝 쪽으로부터 다른 끝쪽으로 연장되는 팁을 형성하고, 이 팁이 형성된 부분의 로터의 외경과 로터의 축심과의 거리를 축방향 한끝 쪽에서부터 다른 끝쪽으로 일정하게 함과, 동시에 상기 양 로터의 흡입측에 대해서는 무부하 운전시의 로터온도를 기준으로 하여 열팽창량을 구하고, 양 로터의 토출측에 대해서는 부하운전시의 로터온도를 기준으로 하여 열팽창량을 구하며, 이들 열팽찰량의 차만큼, 흡입측과 토출측의 로터 외경을 변화시킨 것을 특징으로 하는 무급유식 스크류 유체기계.
제2항에 있어서, 상기 로터는 상기 팁을 제외한 로터의 톱니끝 직경과 톱니바닥 직경과의 차가, 축방향을 한끝 쪽으로부터 다른 끝쪽으로 일정한 것을 특징으로 하는 무급유식 스크류 유체기계.
제1항에 있어서, 상기 로터는 상기 팁을 제외한 로터의 톱니끝 직경과 톱니바닥 직경과의 차가 운전시에 있어서의 고온측으로부터 저옥측에 걸쳐 일정한 것을 특징으로 하는 무급유식 스크류 유체기계.
나사형상의 숫로터와, 이 숫로터에 접촉하는 일 없이 맞물리는 나사형상의 암로터와, 이들 숫로터와 암로터를 수납하는 케이싱과, 상기 숫로터 및 암로터를 회전 가능하게 지지하고, 상기 케이시에 유지된 베어링수단과, 상기 숫로터와 암로터의 각각의 축단에 설치되고, 양 로우터를 동기 회전시키는 타이밍기어를 구비한 무급유식 스크류 유체기계에 있어서, 상기 숫로터와 상기 암로터중의 적어도 어느 하나의 로터의 톱니모양의 선단으로부터 돌출하고, 이 로터를 구성하는 각 톱니의 톱니 폭보다 작은 폭이고, 또한 축방향의 한끝 쪽에서부터 다른 끝쪽으로 연장되는 팁을 형성하고, 이 팁의 돌출량을 운전시의 이 팁이 형성된 로터 및 상기 케이싱의 열변형량에 의거하여 결정한 것을 특징으로 하는 무급유식 스크류 유체기계.
제2항에 있어서, 상기 숫로터 및 암로터의 톱니끝 직경 및 톱니바닥 직경을 각각 축방향의 한끝 쪽으로부터 다른 끝쪽으로 직선적으로 변화시킨 것을 특징으로 하는 무급유식 스크류 유체기계.
제1항에 있어서, 상기 숫로터 및 암로터중의 적어도 어느 하나의 로터에 이 로터의 축중심부를 관통하는 구멍을 형성하고, 이 구멍에 냉각용 유체를 유통하능하게 한 것을 특징으로 하는 무급유식 스크류 유체기계.
나사형상의 숫로터와, 이 숫로터에 접촉하는 일 없이 맞물리는 나사형상의 암로터와, 이들 숫로터와 암로터를 수납하는 케이싱과, 상기 숫로터 및 암로터를 회전가능하게 지지하고, 케이싱에 유지된 베어링수단과, 상기 숫로터와 암로터의 각각의 축단에 설치되어, 양 로터를 동기 회전시키는 타이밍 기어를 구비한 무급유식 스크류 유체기계에 있어서, 상기 양 로터의 톱니 끝에 흡입측 끝부으로부터 토출측 끝부로 연장되는 팁을 형성하고, 이 팁을 제외한 각 로터의 톱니끝 직경과, 톱니바닥 직경을 흡입측 끝부으로부터 토출측 끝부에 직선적으로 감소시킴과 동시에, 팁을 제외한 각 로터의 톱니끝 직경과 톱니바닥 직경과의 차를 흡입측 끝부로부터 토출측 끝부에 일정하게 한 것을 특징으로 하는 무급유식 스크류 유체기계.
제1항에 있어서, 상기 양 로터의 산팽창 계수가 6×10^-6/K 이하인 것을 특징으로 하는 무급유식 스크류 유체기계.
제1항에 있어서, 상기 양 로터의 재질이 스테인레스강인 것을 특징으로 하는 무급유식 스크류 유체기계.
제2항에 있어서, 상기 숫로터 및 암로터중의 적어도 어느 하나의 로터에 이 로터의 축중심부를 관통하는 구멍을 형성하고, 이 구멍에 냉각용 유체를 유통가능하게 한 것을 특징으로 하는 무급유식 스크류 유체기계.
제2항에 있어서, 상기 양 로터의 선팽창 계수가 6×10^-6/K 이하인 것을 특징으로 하는 무급유식 스크류 유체기계.
제2항에 있어서, 상기 양 로터의 재질이 스테인레스강인 것을 특징으로 하는 무급유식 스크류 유체기계.