WO2000025004A1 - Zwillingsschraubenrotoren zum einbau in verdrängermaschinen für kompressible medien - Google Patents

Zwillingsschraubenrotoren zum einbau in verdrängermaschinen für kompressible medien Download PDF

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Ulrich Becher
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    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C1/00—Rotary-piston machines or engines
    • F01C1/08—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing
    • F01C1/12—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type
    • F01C1/14—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons
    • F01C1/16—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons with helical teeth, e.g. chevron-shaped, screw type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
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    • F01C1/08—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing
    • F01C1/082—Details specially related to intermeshing engagement type machines or engines
    • F01C1/084—Toothed wheels

Definitions

  • the invention relates to twin screw rotors for installation in displacement machines for compressible media, in particular pumps, which rotors are designed with a single pitch with varying pitch and are intended to be in axially parallel, opposing external engagement with wrap angles of at least 720 ° and in an housing an axial chamber sequence without To form blow hole connections, the end profile consisting of a core arc, a cycloid-shaped hollow flank, an outer circular arc and a further flank.
  • the patent specification DE 87685 shows a machine called a helical gear capsule, in which the helical rotors are designed with a variable pitch.
  • the machine can be used both as a motor and as a pump.
  • the rotors are optionally conical.
  • Patent specification DE 609405 describes an air-cooling machine with a compressor and expansion device, both of which have pairs of screws with variable pitch and depth.
  • the enveloping surfaces of the rotors are conical.
  • Patent application EP 0697523 relates to a screw displacement machine in which the rotors in engagement with one another have unequal screw profiles, referred to as "male” and “female”, so-called SRM profiles with a continuous change in pitch.
  • the end profile is varied such that the tooth tip angle or the length of the outer arc is a monotonously growing function depending on the wrap angle.
  • Such profiles have the disadvantage that a good partitioning of the axial sequence of work cells is not possible due to the remaining blow hole.
  • the vacuum losses caused by the blow hole result in efficiency losses, so that with such a machine, good internal compression is not possible at least at low and medium speeds.
  • the published patent application DE 19530662 discloses a screw suction pump with externally intermeshing screw elements in which the pitch of the screw elements decreases continuously from its inlet end to its outlet end in order to cause the gas to be released to be compressed.
  • the shape of the teeth of the screw rotor has an epitrochoidal and / or Archimedean curve.
  • the disadvantage of this machine is that the achievable internal compression rate is moderate given the geometric relationships shown.
  • the lack of a variation in the end profile fixes the compression ratio, which is not good anyway, and leads to an increased leak rate due to the reduction in the depth of the gap between the outer screw diameter and the housing towards the screw end.
  • the published patent application DE 4445958 describes a screw compressor with counter-rotating, intermeshing screw elements.
  • the thread spirals of the screw elements are continuously smaller from one axial end to the second axial end distant therefrom.
  • a rectangular or trapezoidal profile is proposed as the profile.
  • a disadvantage of such profile geometries is that they only work sufficiently loss-free if the depth of the passage is small in relation to the diameter, as stated in the publication mentioned. Such a machine thus has a large construction volume and a large weight. It is a further disadvantage of such profile geometries that extremely high changes in pitch are required if a satisfactory internal compression rate is to be achieved.
  • the object of the invention is to propose twin screw rotors which do not have the disadvantages mentioned above.
  • the slope is not monotonous and is defined as a dependent variable on the wrap angle, that the slope increases in a first partial area from the screw end on the suction side, and after approximately one wrap reaches a maximum value that the The slope decreases in a second partial area adjoining the first partial area and approximately one wrap before the screw end on the pressure side reaches a minimum value and that the slope is essentially constant in a third partial area adjacent to the second partial area.
  • FIG. 1 shows a pair of screw rotors which are in engagement with one another
  • FIG. 2 the right-handed rotor
  • FIG. 3 the left-handed rotor
  • FIG. 4 shows an end section of a screw rotor with a varying profile
  • FIG. 5 shows the development of the reference spiral of a rotor according to the invention
  • FIG. 6 shows the gradient of the development according to FIG. 4,
  • FIG. 7 shows the profile of the working chamber cross section in a machine without and with profile variation
  • FIG. 8a to 8c housing, rotor and working chamber cross section of a compressor equipped with rotors according to the invention
  • Figure 9a to 9p end sections through a pair of rotors which illustrate the development of the working chamber cross section according to Figure 7.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a pair of screw rotors 1 and 2 which are in axially parallel external engagement with one another.
  • FIGS. 2 and 3 show each of the rotors 1 and 2 according to FIG. 1 separately.
  • the outer casing and the core are cylindrical and thus the pitch is constant over the screw length.
  • the mass show ⁇ w-- and .DELTA.w 3 that the pitch of the screw varies along the axis such that it but the height h of the helical harshest operating cylindrical rotor area remains constant, whereby leakage losses be- see rotor and housing inner wall against the pressure side as they do with some occur in an undesirable manner, are avoided.
  • Reference numeral 7 in this figure denotes the reference spiral, which will be discussed in more detail later, and 8 is the second delimiting spiral of the outer, cylindrical rotor surface
  • a rotor is shown in a section perpendicular to the rotor axis.
  • the end profile thus created has a core arc 3 with a constant radius Rb over the entire screw length, which - clockwise - merges into a cycloid-shaped hollow flank 4 after a sector angle ⁇ Hollow flank 4 is unchanged over the entire screw length.
  • an external arc 5 with a radius Ra that is constant over the entire screw length shoots at point B at an acute angle, which turns into a further flank 6 at point C after a sector angle ⁇ finally ends with a tangential transition into the core arc 3
  • the variation of the end profile contour along the screw axis is based on a change in the sector angle ⁇ and on a change in the geometry of the further flank 6.
  • the variation of the sector angle ⁇ along the screw axis is preferably spatially at least approximately aqui distant course of a reference spiral (7 in FIG. 3) formed by the outermost points of the hollow flank B ⁇ and the second limiting spiral (points C) (8 in FIG. 3) of the outer, cylindrical rotor surface
  • FIG. 5 shows in a diagram the development w of the reference spiral mentioned in connection with FIG. 4 as a function of the wrap angle ⁇ .
  • a straight line g and corresponding sections P 0 , 2P 0 etc. of the development of a spiral with a constant slope are also drawn in. The course the slope can be seen more clearly if one looks at the first derivative w 'of the development shown in FIG Considered w
  • FIG. 7 shows the chamber cross section F as a function of the wrap angle ⁇ , the curve F 0 shown with a solid line showing the chamber cross section without profile variation and the curve F m shown in dashed lines showing the chamber cross section with profile variation.
  • FIG. 8a shows the cross section of a housing intended to accommodate twin screw rotors according to the invention
  • FIG. 8b shows a section through the rotors corresponding to the representation of FIG. 4, and the chamber cross section F 0 is shown hatched in FIG. 8c.
  • FIGS. 9a to 9p the development of the working chamber cross section as a function of the wrap angle is shown in end sections. The latter is given in degrees in the figures.

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Abstract

In bekannten Ausführungen von Verdrängermaschinen für kompressible Medien arbeiten eingängige Zwillingsschraubenrotoren mit kontinuierlich abnehmender Steigung zur Erzielung einer inneren Kompression. In einigen Fällen wird diese Wirkung durch Variation der Stimprofile verstärkt oder ersetzt. Die Forderung nach kompakten Pumpen mit möglichst kurzen Rotoren sowie die häufige, prozessbedingte Forderung einer schnellen Demontage des Gehäuses zu Reinigungszwecken setzen dort jedoch Grenzen für die Umschlingungswinkel bzw. für die Variation der Stirnprofile, welches wiederum zu extremen Steigungsverhältnissen oder zu ungenügenden Kompressionsraten führt. Vorliegende Erfindung löst diese Probleme durch Einsatz von Schraubenrotoren (2) mit optimiertem, nicht monotonem Steigungsverlauf (Δw1, Δw3) und wahlweiser Stirnprofilvariation bei konstanten Durchmessern. Bei gleichem Raumbedarf wird das Saugvermögen verbessert und es werden bei nur vier Umschlingungen mühelos Verdichtungsraten von 3,0 und mehr erzielt. Mit solchen Zwillingsschraubenrotoren bestückte Verdrängermaschinen bieten optimale Verhältnisse bezüglich Energiebedarf, Temperatur, Bauraum, Service mit Einsatzmöglichkeiten in Chemie und Halbleitertechnik.

Description

Zwillingsschraubenrotoren zum Einbau in Verdrängermaschinen für kompressible Medien
Die Erfindung betrifft Zwillingsschraubenrotoren zum Einbau in Verdrängermaschinen für kompressible Medien, insbesondere Pumpen, welche Rotoren eingängig mit variierender Steigung ausgeführt und dazu bestimmt sind, in achsparallelem, gegenläufigem Ausseneingriff mit Umschlingungswin- keln von mindestens 720° zu stehen und in einem Gehäuse eine axiale Kammersequenz ohne Blaslochverbindungen zu bilden, wobei das Stirnprofil aus einem Kernkreisbogen, einer zykloidenförmigen Hohlflanke, einem Aussen- kreisbogen und einer weiteren Flanke besteht.
Die Patentschrift DE 87685 zeigt eine als Schraubenräderkapselwerk bezeichnete Maschine, bei der die Schraubenrotoren mit veränderlicher Steigung ausgebildet sind. Die Maschine ist sowohl als Motor als auch als Pumpe verwendbar. Um - beim Betrieb als Motor - die Zunahme des Volumens der Ar- beitskammern in Richtung des sich entspannenden Mediums zusätzlich zu steigern, sind die Rotoren wahlweise konisch ausgebildet.
In der Patentschrift DE 609405 ist eine Luftkältemaschine mit Verdichter und Entspanner beschrieben, die beide Schraubenpaare mit veränderlicher Steigung und Gangtiefe aufweisen. Die Hüllflächen der Rotoren sind ko- nisch ausgebildet.
Beide der vorher genannten Maschinen haben den Nachteil, dass sie konische Zylinder erfordern, wodurch die Rotoren nur auf einer Seite ein- und ausgebaut werden können. Dies erhöht den Aufwand bei der Montage- und Demontage der Maschinen, was insbesondere bei Unterhalts- und Reinigungs- arbeiten sehr nachteilig ist.
Die Patentanmeldung EP 0697523 betrifft eine Schrauben-Verdrängermaschine, bei der die miteinander im Eingriff stehenden Rotoren ungleiche, als "männlich" und "weiblich" bezeichnete Schraubenprofile, sogenannte S.R.M. -Profile mit kontinuierlicher Änderung der Steigung haben. Das Stirnprofil ist dabei derart variiert, dass der Zahnkopfwinkel beziehungsweise die Länge des Aussenkreisbogens eine monoton wachsende Funktion in Abhängigkeit vom Umschlingungswinkel ist. Solche Profile haben den Nachteil, dass eine gute Abschottung der axialen Sequenz von Arbeitszellen wegen des verbleibenden Blasloches nicht möglich ist. Die durch das Blasloch verursachten Va- kuumverluste haben Wirkungsgradverluste zur Folge, so dass mit einer solchen Maschine zumindest bei kleinen und mittleren Drehzahlen keine gute innere Verdichtung möglich ist.
Die Offenlegungsschrift DE 19530662 offenbart eine Schrauben- saugpumpe mit aussen kämmenden Schraubenelementen, bei der die Steigung der Schraubenelemente kontinuierlich von ihrem Einlassende zu ihrem Auslassende abnimmt, um die Kompression des abzugebenden Gases zu veranlassen. Die Form der Zähne des Schraubenrotors weist eine epitrochoidale und/oder archimedische Kurve auf. Diese Maschine hat den Nachteil, dass die erreichbare innere Verdichtungsrate bei den gezeigten geometrischen Verhält- nissen massig ist. Zudem fixiert die fehlende Stirnprofil-Variation das ohnehin nicht gute Verdichtungsverhältnis und führt wegen der Verringerung der Tiefe des Spaltes zwischen Schraubenaussendurchmesser und Gehäuse zum Schraubenende hin zu einer erhöhten Leckrate.
Die Offenlegungsschrift DE 4445958 beschreibt einen Schrauben- Verdichter mit gegenläufig rotierenden, aussenkämmenden Schraubenelementen. Die Gewindewendeln der Schraubenelemente werden vom einen axialen Ende zum davon entfernten zweiten axialen Ende hin kontinuierlich kleiner. Als Profil wird ein Rechteck- oder Trapezprofil vorgeschlagen. Ein Nachteil solcher Profilgeometrien besteht darin, dass sie nur genügend verlustfrei arbeiten, wenn die Gangtiefe in Relation zum Durchmesser gering ist, wie dies in der genannten Publikation ausgeführt ist. Eine solche Maschine weist somit ein gros- ses Bauvolumen und ein grosses Gewicht auf. Es ist ein weiterer Nachteil solcher Profilgeometrien, dass extrem hohe Steigungsänderungen erforderlich sind, wenn eine befriedigende innere Verdichtungsrate erreicht werden soll. Wie bei der erwähnten DE 19530662 fixiert auch hier die fehlende Stirnprofilvariation dieses Manko und dieses führt zu einer erhöhten Leckrate wegen Verringerung der Tiefe des Spaltes zwischen Schraubenaussendurchmesser und Gehäuse zum Schraubenende hin. Weitere Publikationen, wie beispielsweise SE 85331 , DE 2434782 und DE 2434784 betreffen innenachsige Schraubenmaschinen mit nicht konstanter Steigung der Schrauben oder variierenden Stirnprofilen. Diese Maschinen weisen alle den Nachteil auf, dass der Bauaufwand hoch ist und dass in jedem Fall auch saugseitig dynamische Dichtungen benötigt werden.
Ferner gibt es einige Publikationen, beispielsweise DE 2934065, DE2944714, DE 3332707 und AU 261792, welche zweiwellige Verdichter mit schraubenähnlichen Rotoren beschreiben. Dort sind die Rotoren und in einigen Fällen auch das Gehäuse aus axial hintereinander angeordneten Profilscheiben unterschiedlicher Dicke und/oder Kontur zusammengesetzt und bewirken sol- chermassen innere Verdichtung. Alle Maschinen mit schraubenähnlichen Rotoren haben den Nachteil, dass ihr Wirkungsgrad gegenüber demjenigen von Maschinen mit schraubenförmigen Rotoren vermindert ist, weil durch den gestuften Aufbau Schadräume und Wirbelzonen entstehen. Ferner sind bei schrau- benähnlichen Rotoren Probleme bezüglich Formkonstanz zu erwarten, da sie sich im Betrieb erwärmen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Zwillingsschraubenrotoren vorzuschlagen, welche die oben erwähnten Nachteile nicht aufweisen.
Diese Aufgaben werden gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass die Steigung nicht monoton verläuft und als abhängige Variable vom Umschlin- gungswinkel definiert ist, dass die Steigung in einem ersten Teilbereich vom saugseitigen Schraubenende her zunimmt und nach ca. einer Umschlingung einen Maximalwert erreicht, dass die Steigung in einem an den ersten Teilbe- reich anschliessenden zweiten Teilbereich abnimmt und ca. eine Umschliπgung vor dem druckseitigen Schraubenende einen Minimalwert erreicht und dass die Steigung in einem an den zweiten Teilbereich anschliessenden dritten Teilbereich im wesentlichen konstant ist.
Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen umschrieben. Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsarten näher beschrieben. Es zeigt
Figur 1 ein Paar miteinander in Eingriff stehende Schraubenrotoren,
Figur 2 den rechtsgängigen Rotor,
Figur 3 den linksgängigen Rotor,
Figur 4 einen Stirnschnitt eines Schraubenrotors mit variierendem Profil,
Figur 5 die Abwicklung der Referenzspirale eines erfindungsgemässen Rotors,
Figur 6 den Steigungsverlauf der Abwicklung gemäss Figur 4,
Figur 7 den Verlauf des Arbeitskammerquerschnitts bei einer Maschine ohne und mit Profilvariation,
Figur 8a bis 8c Gehäuse-, Rotor-, und Arbeitskammerquerschnitt eines mit erfindungsgemässen Rotoren ausgestatteten Verdichters und
Figur 9a bis 9p Stirnschnitte durch ein Rotorenpaar, welche die Entwicklung des Arbeitskammerquerschnitts gemäss Figur 7 veranschaulichen.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Paars miteinander in achsparallelem Ausseneingriff stehender Schraubenrotoren 1 und 2. Die Figuren 2 und 3 zeigen jeden der Rotoren 1 und 2 gemäss Figur 1 separat. Es ist in diesen Figuren deutlich zu erkennen, dass der Aussenmantel und der Kern zylindrisch sind und somit die Gangtiefe über die Schraubenlänge konstant ist. In Figur 3 zeigen die Masse Δw-- und Δw3, dass die Steigung der Schraube entlang der Achse variiert, dass dabei aber die Höhe h der schraubenförmigen äusse- ren zylindrischen Rotorfläche konstant bleibt, wodurch Leckageverluste zwi- sehen Rotor und Gehäuseinnenwand gegen die Druckseite hin, wie sie bei eini- gen der eingangs erwähnten Maschinen nach dem Stand der Technik in unerwünschter Weise auftreten, vermieden werden Mit der Bezugszahl 7 ist in dieser Figur die Referenzspirale bezeichnet, auf die spater noch naher eingegangen wird und 8 ist die zweite Begrenzungsspirale der ausseren, zylindrischen Rotorflache
In Figur 4 ist ein Rotor in einem Schnitt rechtwinklig zur Rotorachse dargestellt Das so entstehende Stirnprofil weist einen Kernkreisbogen 3 mit einem über die ganze Schraubenlange konstanten Radius Rb auf, der - im Uhrzeigersinn - nach einem Sektorwinkel γ in eine zykloidenformige Hohlflanke 4 übergeht Die Geometrie der Hohlflanke 4 ist über die ganze Schraubenlange unverändert An die Hohlflanke 4 sch esst im Punkt B mit einem spitzen Winkel ein Aussenkreisbogen 5 mit einem über die ganze Schraubenlange konstanten Radius Ra an, welcher nach einem Sektorwinkel γ im Punkt C in eine weitere Flanke 6 übergeht Diese mundet schliesslich mit tangentialem Übergang in den Kernkreisbogen 3 Die Variation der Stirnprofilkontur entlang der Schraubenachse basiert auf einer Änderung der Sektorwinkel γ sowie auf einer Änderung der Geometrie der weiteren Flanke 6 Die Variation der Sektorwinkel γ entlang der Schraubeπachse ist vorzugsweise durch einen räumlich mindestens annähernd aquidistanten Verlauf einer durch die aussersten Punkte der Hohl- flanke Bα gebildeten Referenzspirale (7 in Figur 3) und der zweiten Begrenzungsspirale (Punkte C) (8 in Figur 3) der ausseren, zylindrischen Rotorflache bestimmt
Figur 5 zeigt in einem Diagramm die Abwicklung w der im Zusammenhang mit Figur 4 erwähnten Referenzspirale in Abhängigkeit vom Um- schlingungswinkel α Zum Vergleich sind noch eine Gerade g und entsprechende Abschnitte P0, 2P0 etc der Abwicklung einer Spirale mit konstanter Steigung eingezeichnet Der Verlauf der Steigung ist deutlicher erkennbar, wenn man die in Figur 6 dargestellte erste Ableitung w' der Abwicklung
Figure imgf000007_0001
w betrachtet Dieser Wert w' ist die dynamische Steigung der oben erwähnten Referenzspirale Man sieht in dieser Figur dass die Steigung bei α=0 mit dem
Wert — beginnt, wobei L0 eine der mittleren Steigungshohe entsprecnende 2π
Konstante ist In einem ersten Teilbereich Ti nimmt w' zu und erreicht bei α=2τt den Maximalwert — - , wobei A der Amplitudenmoderator ist. Im zweiten
2π
Teilbereich T2, der sich von 2π bis 6π erstreckt, nimmt die Steigung ab und erreicht bei α=6π den Minimalwert — - , den sie im dritten Teilbereich T3 bis
2π zum Ende der Schraube beibehält.
Figur 7 zeigt den Kammerquerschnitt F in Funktion des Umschlin- gungswinkels α, wobei die mit einer durchgezogenen Linie dargestellte Kurve F0 den Kammerquerschnitt ohne Profilvariation und die gestrichelt gezeichnete Kurve Fm den Kammerquerschnitt mit Profilvariation zeigt.
In Figur 8a ist der Querschnitt eines zur Aufnahme erfindungsge- mässer Zwillingsschraubenrotoren bestimmten Gehäuses dargestellt, Figur 8b zeigt einen der Darstellung von Figur 4 entsprechenden Schnitt durch die Rotoren und in Figur 8c ist der Kammerquerschnitt F0 schraffiert dargestellt.
In den Figuren 9a bis 9p ist in Stirnschnitten die Entwicklung des Arbeitskammerquerschnitts in Abhängigkeit vom Umschlingungswinkel darge- stellt. Letzterer ist in den Figuren in Winkelgraden angegeben.

Claims

Patentansprüche
1. Zwillingsschraubenrotoren zum Einbau in Verdräπgermaschinen für kompressible Medien, welche Rotoren eingängig mit variierender Steigung ausgeführt und dazu bestimmt sind, in achsparallelem, gegenläufigem Aussen- eingriff mit Umschlingungswinkeln von mindestens 720° zu stehen und in einem Gehäuse eine axiale Kammersequenz ohne Blaslochverbindungen zu bilden, wobei das Stirnprofil aus einem Kernkreisbogen (3), einer zykloidenförmigen Hohlflanke (4), einem Aussenkreisbogen (5) und einer weiteren Flanke (6) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung nicht monoton verläuft und als abhängige Variable vom Umschlingungswinkel definiert ist, dass die Steigung in einem ersten Teilbereich (T-i) vom saugseitigen Schraubenende her zunimmt und nach ca. einer Umschlingung einen Maximalwert erreicht, dass die Steigung in einem an den ersten Teilbereich anschliessenden zweiten Teilbereich (T2) abnimmt und ca. eine Umschlingung vor dem druckseitigen Schrau- benende einen Minimalwert erreicht und dass die Steigung in einem an den zweiten Teilbereich anschliessenden dritten Teilbereich (T3) im wesentlichen konstant ist.
2. Zwillingsschraubenrotoreπ nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Stirπprofilkonturen entlang der Schraubenachse variieren, indem sich die Sektorwinkel (γ) von Kernkreisbogen (3) und Aussenkreisbogeπ (5) verändern und indem sich die Geometrie der weiteren Flanke (6) verändert, wobei der Kernkreisradius (Rb), der Ausseπkreisradius (Ra) und die Geometrie der Hohlflaπke konstant sind und wobei die äussersten Punkte der Hohlflanke die Referenz-Spirale (7) zur Definition des Steigungsverlaufs bilden.
3. Zwillingsschraubenrotoren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation der Sektorwinkel (γ) von Kernkreisbogen (3) und Aussenkreisbogen (5) entlang der Schraubenachse bestimmt ist durch einen räumlich mindestens annähernd äquidistanten Verlauf der Referenzspirale (7) und der zweiten Begrenzungsspirale (8) der ausseren, zylindrischen Rotorflä- ehe.
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