WO2002010593A1 - Verdichter - Google Patents

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Reinhard Garczorz
Fritz-Martin Scholz
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Definitions

  • the invention relates to a compressor with a housing and at least one rotor rotatably mounted in the housing by means of a shaft, which rotates without contact with the housing.
  • Compressors generally require cooling in order to be able to
  • Cast iron with lamellar graphite is used as the standard material for the housing and cast iron with nodular graphite for the rotors.
  • the value for the gap reduction is approximately 0.1 mm. Satisfactory levels of efficiency can be achieved in this way.
  • the rotor consists of a powder metallurgy, silicon-containing aluminum material and the housing consists essentially of aluminum.
  • Aluminum for the housing is understood to be essentially pure aluminum or an aluminum alloy with the typical relatively large coefficient of thermal expansion of approximately 23.8 x 10 "6 / K.
  • the powdered aluminum-containing aluminum material typically has one Thermal expansion coefficient of only 16 x 10 "6 / K. If one again assumes a rotor diameter of 100 mm, the material combination according to the invention results in a gap reduction at a temperature difference of 100 ° K, which is calculated as follows:
  • the gap reduction is hardly larger than the corresponding value when using cast iron for housings and rotors.
  • an insulating layer is applied to the surfaces of the rotors. Through this insulating layer Heat transfer from the compressed medium to the rotors is reduced. The heat flow is increasingly dissipated via the shaft of the rotor. The reduced heating of the rotors by the insulating layer leads to less thermal expansion and therefore allows smaller gap widths, which increases the efficiency.
  • FIG. 1 shows schematically an open claw compressor with a view of the rotors
  • the compressor shown by way of example in FIG. 1 has a housing, generally designated 10, with an inner chamber 12, which consists of two overlapping partial cylinders of the same size.
  • an inner chamber 12 which consists of two overlapping partial cylinders of the same size.
  • two rotors 14, 16 are received in the form of double-winged roots.
  • Each rotor 14, 16 is seated on a corresponding shaft 18, 20.
  • the mutually parallel shafts 18, 20 are synchronized by a gear (not shown).
  • the rotors 14, 16 run in the interior of the chamber 12 without mutual contact and without contact with the wall of the chamber 12. They roll into one another and thereby form work spaces of variable size, with internal compression taking place.
  • the heat generated during the operation of the compressor is essentially dissipated by cooling the housing 10.
  • the housing 10 has a multiplicity of cooling fins around which an air stream flows.
  • the heated exhaust air is symbolized in the drawing by arrows.
  • the rotors 14, 16 and the shafts 18, 20 are not cooled directly. Part of the heat flow is via the shafts 18, 20 and another part via the fluid flow dissipated.
  • their surface is provided with a thermally insulating coating.
  • the housing 10 is made of aluminum or an aluminum alloy, the coefficient of thermal expansion of which is approximately 23.8 ⁇ 10 6 / K.
  • the rotors 14, 16 are made of an aluminum material, the coefficient of thermal expansion of which is approximately 16 ⁇ 10 6 / K. This pairing of materials results in a gap reduction which, based on a rotor diameter of 100 mm, is approximately 0.113 mm.
  • the aluminum material from which the rotors 14, 16 are made is produced by powder metallurgy and is strengthened with dispersion.
  • the composition of the aluminum material for the rotors is preferably as follows:
  • the principle on which the invention is based can be applied to most designs of compressors with contactless rotors, but is particularly advantageous for two-shaft compressors with internal compression, e.g. Claw compressors and screw compressors.
  • the invention extends in general to the use of a powder-metallurgical Al-Si alloy in rotors of compressors, pumps and rotary lobe machines in combination with a housing made of aluminum, in particular in machines with contactlessly operating rotors.
  • the housing is constructed from an outer body 10a, which consists of aluminum or an aluminum alloy, and a ring 10b cast into it.
  • the ring 10b consists of a powder-metallurgical, dispersion-hardened Al-Si alloy of the type described in more detail above.
  • the ring forms the boundary of the chamber in which the rotors of the compressor are received.
  • the two materials are fused together, so that there is an intimate bond between outer body 10a and ring 10b. Since the ring 10b is made of a material of substantially greater strength than the material of the outer body 10a, its thermal expansion properties essentially determine the thermal expansion of the housing as a whole.
  • the rotors in this embodiment also consist of an Al-Si alloy of the type described above.
  • the ring is provided with cast-on stiffening ribs 10c, which are directed radially outward.
  • One of these stiffening ribs is arranged in each corner region of the housing.
  • a gap reduction of approx. 0.16 mm can be achieved, again based on a rotor diameter of 100 mm.
  • the housing has a bearing cover 22, with two bearings 24, 26 for the shafts 18, 20.

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Abstract

Der Verdichter hat zwei in einem Gehäuse (10) drehbar mittels je einer Welle gelagerte Rotoren (14, 16), die ohne Berührung mit dem Gehäuse rotieren. Die Rotoren (14, 16) bestehen aus einer pulvermetallurgischen Al-Si-Legierung, und das Gehäuse (10) besteht im wesentlichen aus Aluminium.

Description

Verdichter
Die Erfindung betrifft einen Verdichter mit einem Gehäuse und wenigstens einem in dem Gehäuse drehbar mittels einer Welle gelagerten Rotor, der ohne Berührung mit dem Gehäuse rotiert.
Verdichter bedürfen im allgemeinen der Kühlung, um die beim
Verdichtungsprozeß anfallende Wärme ab--uführen. Auf eine direkte Kühlung der Rotoren und Wellen wird zumeist aus Kostengründen verzichtet. Die Kühlung. der Rotoren erfolgt dann nur indirekt über den Fördermedienstrom und über das direkt gekühlte Gehäuse.
Wegen der direkten Kühlung des Gehäuses, beispielsweise durch eine
Luftströmung oder einen Wassermantel, und die nur indirekte Kühlung der Rotoren tritt im Betrieb eine hohe Temperaturdifferenz zwischen Gehäuse und Rotoren auf. Diese Temperaturdifferenz muß bei der Auslegung der Spalte berücksichtigt werden. Der größeren Temperaturdehnung der Rotoren wird durch vergrößerte Spalte im kalten Zustand Rechnung getragen. Der Unterschied der Spaltgröße im kalten Zustand zur Spaltgröße im Betriebszustand, d.h. bei einer Temperaturdifferenz in der Größenordnung von 100° K, wird als Spaltreduzierung bezeichnet. Um ein Anlaufen der Rotoren unter allen Umständen zu verhindern, werden die Spaltweiten für die maximale thermische Belastung festgelegt, die sich durch die unterschiedlichen Druckverhältnisse und Drehzahlen ergibt. Die Berücksichtigung der Spaltreduzierung fuhrt dann zu einer Bemessung der Spaltweiten im kalten Zustand. Man ist aber bestrebt, die Spalte möglichst klein zu halten, um Rückströmungen zu minimieren und den volumetrischen sowie den isentropen Wirkungsgrad zu maximieren.
Diese Überlegungen führen in der Praxis zur Verwendung von Werkstoffen mit geringer Wärmedehnung. Als Standardwerkstoff wird für Gehäuse Gußeisen mit Lamellengraphit und für die Rotoren Gußeisen mit Kugelgraphit verwendet. Der Wärmedehnungskoeffizient beträgt jeweils eck = lO^/K. Bei Verwendung von Gußeisen für Gehäuse und Rotoren und einem Außendurchmesser der Rotoren von beispielsweise 100 mm ergibt sich für die Spaltreduzierung ein Wert von etwa 0,1 mm. Damit können befriedigende Wirkungsgrade erzielt werden. Die Verwendung eines Materials wie Alumim'um kommt hingegen nicht in Betracht, da wegen der mehr als doppelt so großen Wärmedehnung die entsprechenden Werte der Spaltreduzierung bei etwa 0,24 mm liegen würden, so dass die Spaltweiten im kalten Zustand mehr als doppelt so groß sein müßten, wodurch die Spaltverluste enorm vergrößert würden.
Durch die Erfindung wird ein Verdichter geschaffen, der trotz Verwendung von Aluminium- Werkstoffen geringe Spaltweiten und einen entsprechend hohen Wirkungsgrad aufweist. Gemäß der Erfindung besteht der Rotor aus einem pulvermetallurgisch hergestellten, siliziumhaltigen Aluminium- Werkstoff und das Gehäuse besteht im wesentlichen aus Aluminium. Unter Aluminium für das Gehäuse wird im wesentlichen reines Aluminium oder eine Alu-mnium-Legierung mit dem typischen relativen großen Wärmedehnungskoefϊizienten von etwa 23,8 x 10"6/K verstanden. Der pulvermetallurgisch hergestellte, sili-dπihaltige Aluminium-Werkstoff hat hingegen typischerweise einen Wärmedehnungskoeffizient von nur 16 x 10"6/K. Geht man wiederum von einem Rotordurchmesser von 100 mm aus, so ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Werkstoffkombination bei ei- ner Temperaturdifferenz von 100° K eine Spaltreduzierung, die wie folgt berechnet wird:
SWA = (αki x ΔTi - Oto x ΔT2) x L.
Die Spaltreduzierung ist mit einem Wert von 0,113 mm somit kaum größer als der entsprechende Wert bei Verwendung von Gußeisen für Gehäuse und Rotoren.
Die Verwendung von Aluminium anstelle von Gußeisen erbringt erhebliche
Vorteile, insbesondere ein geringeres Gewicht, kürzere Bearbeitungszeiten, Korrosionsbeständigkeit, geringere Herstellungskosten.
Bei der bevorzugten Ausfuhrungsform ist auf den Oberflächen der Rotoren eine Isolierschicht aufgebracht. Durch diese Isolierschicht wird der Wärmeübergang von dem komprimierten Fördermedium auf die Rotoren vermindert. Der Wärmestrom wird verstärkt über die Welle des Rotors abgeführt. Die verminderte Erwärmung der Rotoren durch die Isolierschicht führt zu einer geringeren Wärmedehnung und läßt daher kleinere Spaltweiten zu, wodurch der Wirkungsgrad gesteigert wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung zweier Ausführungsformen des Verdichters und aus den beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
- Figur 1 schematisch einen geöffneten Klauenverdichter mit Blick auf die Rotoren;
- Figur 2 eine entsprechende Ansicht einer Ausfuhrungsvariante; und
- Figur 3 eine weitere Ausführungsvariante.
Der in Fig. 1 beispielshalber gezeigte Verdichter hat einen allgemein mit 10 bezeichnetes Gehäuse mit einer inneren Kammer 12, die aus zwei einander überschneidenden Teilzylindern gleicher Größe besteht. In der Kammer 12 sind zwei Rotoren 14, 16 in Form von zweiflügeligen Wälzkolben aufgenommen.
Jeder Rotor 14, 16 sitzt auf einer entsprechenden Welle 18, 20. Die zueinander parallelen Wellen 18, 20 sind durch ein (nicht gezeigtes) Getriebe synchronisiert.
Die Rotoren 14, 16 laufen im inneren der Kammer 12 ohne gegenseitige Berührung und ohne Berührung mit der Wandung der Kammer 12. Sie wälzen sich ineinander ab und bilden dabei Arbeitsräume variabler Größe, wobei eine innere Verdichtung stattfindet.
Die im Betrieb des Verdichters anfallende Wärme wird im wesentlichen durch Kühlung des Gehäuses 10 abgeführt. Zu diesem Zweck weist das Gehäuse 10 eine Vielzahl von Kühlrippen auf, die von einem Luftstrom umströmt werden. Die erwärmte Abluft ist in der Zeichnung durch Pfeile symbolisiert. Die Rotoren 14, 16 und die Wellen 18, 20 werden nicht direkt gekühlt. Ein Teil des Wärmestroms wird über die Wellen 18, 20 und ein anderer Teil über den Fördermedienstrom abgeführt. Um die Erwärmung der Rotoren 14, 16 im Betrieb zu reduzieren, ist ihre Oberfläche mit einer thermisch isolierenden Beschichtung versehen.
Das Gehäuse 10 besteht aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung, deren Wärmedehnungskoeffizient etwa 23,8 x 10"6/K beträgt. Die Rotoren 14, 16 bestehen aus einem Aluminium- Werkstoff, dessen Wärmedehnungskoeffizient etwa 16 x 10'6/K beträgt. Durch diese Werkstoffpaarung ergibt sich eine Spaltreduzierung, die - bezogen auf einen Rotordurchmesser von 100 mm - etwa 0,113 mm beträgt.
Der Aluminium- Werkstoff, aus dem die Rotoren 14, 16 bestehen, ist pulvermetallurgisch hergestellt und dispersionsverfestigt. Die Zusammensetzung des Aluminium- Werkstoffs für die Rotoren ist vorzugsweise wie folgt:
18,5 bis 21,5 Gew.% Silizium, 4,6 bis 5,4 Gew% Eisen, 1,8 bis 2,2 Gew.% Nickel Rest: Aluminium
Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip ist bei den meisten Bauformen von Verdichtern mit berührungslosen Rotoren anwendbar, mit besonderem Vorteil jedoch bei zwei welligen Verdichtern mit innerer Verdichtung, z.B. Klauenverdichter und Schraubenverdichter. Die Erfindung erstreckt sich allgemein auf die Verwendung einer pulvermetallurgischen Al-Si-Legierung bei Rotoren von Verdichtern, Pumpen und Drehkolbenmaschinen in Kombination mit einem Gehäuse aus Aluminium, insbesondere bei Maschinen mit berührungslos arbeitenden Rotoren.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausfurirungsvariante ist das Gehäuse aus einem Außenkörper 10a, der aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, und einem darin eingegossenen Ring 10b aufgebaut. Der Ring 10b besteht aus einer pulvermetallurgischen, dispersionsverfestigten Al-Si-Legierung der oben näher beschriebenen Art. Der Ring bildet die Begrenzung der Kammer in der die Rotoren des Verdichters aufgenommen sind. An der Grenzfläche zwischen Außenkörper 10a und Ring 10b sind die beiden Werkstoffe miteinander verschmolzen, so daß ein inniger Verbund zwischen Außenkörper 10a und Ring 10b besteht. Da der Ring 10b aus einem Material von wesentlich größerer Festigkeit als das Material des Außenkörpers 10a besteht, bestimmen seine Wärmedehnungseigenschaften im wesentlichen die Wärmedehnung des Gehäuses als ganzes. Auch die Rotoren bestehen bei dieser Ausfurirungsform aus einer Al- Si-Legierung der oben beschriebenen Art. Der Ring ist mit angegossenen Versteifungsrippen 10c versehen, die radial auswärts gerichtet sind. In jedem Eckbereich des Gehäuses ist eine dieser Versteifungsrippen angeordnet.
Bei dieser Ausfuhrungsform kann eine Spaltreduzierung von ca. 0,16 mm erreicht werden, wiederum bezogen auf einen Rotordurchmesser von 100 mm.
Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausfuhrungsform hat das Gehäuse einen Lagerdeckel 22, mit zwei Lagern 24, 26 für die Wellen 18, 20. Beiderseits der Lager 24, 26 ist in dem Lagerdeckel 22 eine Versteifungsrippe 28, 30 aus einer dispersionsverfestigten Alun-tiniumlegierung eingegossen. Durch diese Versteifungsrippen 28, 30 wird einerseits die Lagerung der Wellen 18, 20 versteift, zum anderen wird die Wärmedehnung des Achsabstandes reduziert.

Claims

Patentansprüche
1. Verdichter mit einem Gehäuse und wenigstens einem in dem Gehäuse drehbar mittels einer Welle gelagerten Rotor, der ohne Berührung mit dem Gehäuse rotiert, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor aus einer pulvermetallurgischen Al-Si-Legierung und das Gehäuse im wesentlichen aus Aluminium besteht.
2. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Al-Si- Legierung dispersionsverfestigt ist.
3. Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Al- Si-Legierung folgende Zusammensetzung aufweist:
18,5 bis 21,5 Gew.% Silizium, 4,6 bis 5,4 Gew% Eisen, 1,8 bis 2,2 Gew.% Nickel, Rest: Aluminium.
4. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Al-Si-Legierung einen Wärmedehnungskoeffizient von etwa 16*10"6 /K aufweist.
5. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium, aus dem das Gehäuse besteht, einen Wärme- dehnungskoeffizient von etwa 23,8*10"6 /K aufweist.
6. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse durch einen Luftstrom gekühlt ist.
7. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor nur über den Fördermedienstrom und die Welle gekühlt ist.
8. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei berührungslos ineinander abwälzende Drehkolben aufweist.
9. Verdichter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß er mit innerer Verdichtung arbeitet.
10. Verdichter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehkolben zwei- oder dreiflügelig ausgebildet sind.
11. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er als Schraubenverdichter ausgebildet ist.
12. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche der Rotoren eine Isolierschicht aufgebracht ist.
13. Verdichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse einen Außenkörper aus Aluminium und einen darin eingegossenen Ring aus einer dispersionsverfestigten pulvermetallurgischen Al-Si-Legierung aufweist.
14. Verdichter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß an der Grenzfläche des Ringes und des Außenkörpers deren Werkstoffe miteinander verschmolzen sind.
15. Verdichter nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring unmittelbar den Rotor umgibt.
16. Verdichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse wenigstens einen Lagerdeckel aufweist, der mit einge- gossenen Versteifungsrippen aus einer dispersionsverfestigten pulvermetallurgischen Al-Si-Legierung versehen ist.
17. Verdichter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifungsrippen auf einander gegenüberliegenden Seiten der Lager angeordnet sind.
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