WO2007065484A1 - Schraubenkompressor - Google Patents

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Carsten Achtelik
Dieter HÜTTERMANN
Michael Besseling
Norbert Henning
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Ghh Rand Schraubenkompressoren Gmbh
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    • F04C2220/40—Pumps with means for venting areas other than the working chamber, e.g. bearings, gear chambers, shaft seals

Definitions

  • the invention relates to a screw compressor with two screw rotors which are rotatably mounted axially parallel in a rotor housing, each of which has a profile section with helically running ribs and grooves.
  • the rotors intermesh with their ribs and grooves in a meshing and sealing manner, and in operation gas volumes enclosed between them and the rotor housing are conveyed and compressed.
  • the present invention aims to provide a screw compressor which is suitable for compressing gas to very high pressures, typically in the range from 30 to 50 bar, and which is in particular the last stage of a multi-stage, in particular three-stage Compressor unit can be operated.
  • the rotors are exposed to strong transverse axial forces due to the gas volume enclosed between them and the housing under high pressure, which act in the sense of a deflection of the rotors. This can impair the seal between the rotors and thus lead to a loss in efficiency.
  • the object of the invention is therefore to provide a screw compressor which is particularly suitable for operation at high compression pressures.
  • Figure 1 is a partially sectioned view of a screw compressor according to the invention.
  • FIG. 2 shows a perspective illustration of the rotors of the screw compressor according to FIG. 1.
  • Figure 3 shows the rotor profile of the two rotors in the perpendicular cross section.
  • the screw compressor shown as an exemplary embodiment in FIG. 1 has a rotor housing 1, shown in section, in which two rotors 3 and 5 are rotatably mounted in parallel axes.
  • the axes of rotation of the rotors 3, 5 lie in a common vertical plane, which is also the sectional plane for the representation of the rotor housing 1.
  • Each rotor has a profile section 7 or 9, which has a profile with helically extending ribs or grooves, the ribs and grooves of the two profile sections 7, 9 intermeshing.
  • Shaft journals 7a, 7b, 9a, 9b adjoin the profile sections 7, 9, and sealing rings 11 cooperate with their circumferential surface in order to seal the rotor in the rotor housing 1.
  • the shaft journals 7a, 7b, 9a, 9b are also rotatably supported in the rotor housing 1 by bearings 13, 15. - J -
  • the upper rotor 3 in FIG. 1 is the main rotor and has at its left end in FIG. 1 an extension 7c of its shaft journal which is intended to receive a drive gear (not shown) which meshes with a corresponding gear of a drive gear (not shown) to drive the rotor 3 to rotate.
  • the two rotors 3, 5 have two meshing gears 17, 19 which form a synchronizing gear which rotates from the upper rotor 3 to the lower rotor 5, which is the secondary rotor, in the desired speed ratio transmits and ensures that the profile sections 7, 9 of the rotors mesh without contact.
  • the screw compressor described is preferably dry-running, ie no oil is supplied to the compressor chamber for lubrication, cooling or sealing.
  • the rotor profiles engage in a contact-free and yet sealing manner. This is advantageous for all applications in which it is important that the compressed gas is completely free of oil. Oil is only outside the compressor room, i.e. H. outside the area sealed by the seals 1 1, e.g. B. for lubricating the (not shown) drive gear, the bearings 13, 15 and the synchronous gear 17, 19 supplied.
  • the two rotors 3, 5 of the screw compressor of Figure 1 are shown separately in perspective. It can be seen from FIG. 2 that the rotor 3, which is the main rotor, has a profile section 7, the profile of which is formed by six helically running ribs T.
  • the sum of the numbers of the helical ribs 7 ', 9' of the two rotors, i. H. the sum of the "number of teeth" is 14.
  • FIG. 2 Also shown in FIG. 2 are the areas 7a, 7b, 9a, 9b of the shaft journals with a diameter (D, D ') which adjoin the profile section 7 or 9 of each of the rotors 3, 5 on both sides and which have a diameter (D, D') which is more than half the outer diameter of the respective profile section.
  • Figure 3 shows the profile sections 7, 9 of the two rotors in the axial section.
  • the profile 7 of the main rotor has six helical ribs T, which are separated from one another by grooves 7 ".
  • the top surfaces of the ribs T lie on the outer enveloping circle Ka of the profile with the diameter Da.
  • the bottom surfaces of the grooves 7" lie on the inner circle Ki with the diameter Di.
  • the radial distance between the circles Ka and Ki is called the rib height or tooth height H. This is not larger, preferably less than 0.15 times the diameter Da of the outer circle Ka. The same applies to the eight ribs 9 'and the grooves 9 "separating them of the lower rotor (secondary rotor) 9, ie the tooth height is also here H not greater than 0.15 times the outer profile diameter Da.
  • the suction space 10 which is formed in the rotor housing 1 adjacent to the left end of the profile sections 7, 9 in FIG. 1, is supplied with the gas to be compressed, in particular air, preferably from one or more upstream Compressor stages (not shown) is already precompressed to an intermediate pressure, for example to a pressure in the range from 10 to 15 bar, preferably 12 bar.
  • This precompressed gas is conveyed through the profile sections 7, 9 of the two rotors 3, 5 to the right in FIG. 1 to an outlet (not shown) and is compressed to a final pressure which is preferably in the range from 30 to 50 bar, in particular at about Is 40 bar.
  • the rotors of the screw compressor are designed to be highly insensitive to the transverse axial forces generated by the compressed gas at these high pressures.

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Abstract

Ein Schraubenkompressor hat zwei Rotoren (7, 9) mit schraubenförmig verlaufenden Rippen (7', 9') und Nuten, die kämmend und abdichtend ineinander greifen. Die Summe der Anzahl der Rippen beider Rotoren beträgt mindestens 14, und die Höhe (H) der Rippen beträgt nicht mehr als das 0,15-fache des Außendurchmessers (Da) des Rotorprofils (7) bzw. (9). Die Wellenzapfen der Rotoren haben einen Durchmesser, der nicht kleiner als die Hälfte des Außendurchmessers (Da) des Rotorprofils ist.

Description

Schraubenkompressor
Die Erfindung betrifft einen Schraubenkompressor mit zwei in einem Rotorgehäuse achsparallel drehbar gelagerten Schraubenrotoren, von denen jeder einen Profϊlabschnitt mit schraubenförmig verlaufenden Rippen und Nuten aufweist. Die Rotoren greifen mit ihren Rippen und Nuten kämmend und abdichtend ineinander, und in Betrieb werden zwischen ihnen und dem Rotorgehäuse eingeschlossene Gasvolumina gefördert und verdichtet.
Bei der Gestaltung der Profile derartiger Schraubenrotoren ging das Bestreben bisher dahin, bei gegebenem Außendurchmesser der Rotorprofile möglichst große Volumina für das zwischen den Rotoren und dem Rotorgehäuse eingeschlossene, zu verdichtende Gasvolumen bereitzustellen, d. h. eine möglichst große volumetrische Ausnutzung des Rotorprofiles zu erzielen.
Im Gegensatz dazu zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, einen Schraubenkompressor zur Verfügung zu stellen, der sich für die Verdichtung von Gas auf sehr hohe Drücke, typischerweise im Bereich von 30 bis 50 bar, eignet und der insbesondere als letzte Stufe eines mehrstufigen, insbesondere dreistufigen Kompressoraggregats betrieben werden kann. Bei derart hohen Drücken sind die Rotoren durch das zwischen ihnen und dem Gehäuse unter hohem Druck eingeschlossene Gasvolumen starken queraxialen Kräften ausgesetzt, die im Sinne einer Durchbiegung der Rotoren wirken. Dies kann zu einer Beeinträchtigung der Abdichtung zwischen den Rotoren und damit zu einem Verlust an Wirkungsgrad führen. Auch kann wegen der Durchbiegung der Rotoren der radiale Spalt zwischen den Rotoren und dem Rotorgehäuse nicht so klein bemessen werden, wie dies zur Erzielung einer guten Abdichtung und eines hohen Wirkungsgrades wünschenswert wäre. Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Schraubenkompressor anzugeben, der sich vor allem für den Betrieb bei hohen Verdichtungsdrücken eignet.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Erfindung.
Es wurde gefunden, dass die in den Ansprüchen angegebene Gestaltung der Rotoren zu einem besonders günstigen Verhältnis zwischen einerseits der Biegesteifigkeit der Rotoren und andererseits der Größe des in den Schraubennuten der Rotoren eingeschlossenen komprimierten Gasvolumens, das die Biegekräfte verursacht, führt.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Figur 1 eine teilweise geschnittene Ansicht eines erfindungsgemäßen Schraubenkompressors.
Figur 2 eine perspektivische Darstellung der Rotoren des Schraubenkompressors gemäß Figur 1.
Figur 3 das Rotorprofϊl der beiden Rotoren im achssenkrechten Querschnitt.
Der in Figur 1 als Ausführungsbeispiel gezeigte Schraubenkompressor hat ein im Schnitt dargestelltes Rotorgehäuse 1, in welchem zwei Rotoren 3 und 5 parallelachsig drehbar gelagert sind. Die Drehachsen der Rotoren 3, 5 liegen in einer gemeinsamen vertikalen Ebene, die auch die Schnittebene für die Darstellung des Rotorgehäuses 1 ist. Jeder Rotor hat einen Profilabschnitt 7 bzw. 9, der ein Profil mit schraubenförmig verlaufenden Rippen bzw. Nuten aufweist, wobei die Rippen und Nuten der beiden Profilabschnitte 7, 9 kämmend ineinander greifen. An die Profilabschnitte 7, 9 schließen sich Wellenzapfen 7a, 7b, 9a, 9b an, mit deren Umfangsfläche Dichtungsringe 1 1 zusammenwirken, um den Rotor im Rotorgehäuse 1 abzudichten. Die Wellenzapfen 7a, 7b, 9a, 9b sind ferner durch Lager 13, 15 in dem Rotorgehäuse 1 drehbar gelagert. - J -
Der in Figur 1 obere Rotor 3 ist der Hauptläufer und weist an seinem in Figur 1 linken Ende eine Verlängerung 7c seines Wellenzapfens auf, die zur Aufnahme eines Antriebszahnrades (nicht dargestellt) bestimmt ist, das mit einem entsprechenden Zahnrad eines Antriebsgetriebes (nicht dargestellt) kämmt, um den Rotor 3 zur Drehung anzutreiben. An dem in Figur 1 rechten Ende weisen die beiden Rotoren 3, 5 zwei miteinander kämmende Zahnräder 17, 19 auf, die ein Synchronisiergetriebe bilden, das die Drehung von dem oberen Rotor 3 auf den unteren Rotor 5, der der Nebenläufer ist, im gewünschten Drehzahlverhältnis überträgt und dafür sorgt, dass die Profilabschnitte 7, 9 der Rotoren berührungsfrei ineinandergreifen.
Der beschriebene Schraubenkompressor ist vorzugsweise trockenlaufend, das heißt dem Verdichterraum wird kein Öl für Schmierung, Kühlung oder Abdichtung zugeführt. Die Rotorprofile greifen berührungsfrei und trotzdem abdichtend ineinander. Dies ist für alle Anwendungen vorteilhaft, bei denen es auf völlige Ölfreiheit des verdichteten Gases ankommt. Öl wird nur außerhalb des Verdichterraums, d. h. außerhalb des durch die Dichtungen 1 1 abgedichteten Bereichs, z. B. zur Schmierung des (nicht dargestellten) Antriebsgetriebes, der Lager 13, 15 und des Gleichlaufgetriebes 17, 19 zugeführt.
In Figur 2 sind die beiden Rotoren 3, 5 des Schraubenkompressors von Figur 1 gesondert perspektivisch dargestellt. Man erkennt aus Figur 2, dass der Rotor 3, der der Hauptläufer ist, einen Profilabschnitt 7 aufweist, dessen Profil von sechs schraubenförmig verlaufenden Rippen T gebildet wird. Der untere Rotor 5, der der Nebenläufer ist, hat einen Profilabschnitt 9 mit einem Profil, das von acht schraubenförmig verlaufenden Rippen 9' gebildet wird. Die Summe der Anzahlen der schraubenförmigen Rippen 7', 9' der beiden Rotoren, d. h. die Summe der "Zähnezahlen", beträgt somit 14.
Ferner sind in Figur 2 die an den Profilabschnitt 7 bzw. 9 jedes der Rotoren 3, 5 beiderseits anschließenden Bereiche 7a, 7b, 9a, 9b der Wellenzapfen mit einem Durchmesser (D, D') dargestellt, der mehr als die Hälfte des Außendurchmessers des jeweiligen Profilabschnitts beträgt. Figur 3 zeigt die Profilabschnitte 7, 9 der beiden Rotoren im achssenkrechten Schnitt. Das Profil 7 des Hauptläufers weist sechs schraubenförmige Rippen T auf, die durch Nuten 7" voneinander getrennt sind. Die Kopfflächen der Rippen T liegen auf dem äußeren Hüllkreis Ka des Profils mit dem Durchmesser Da. Die Bodenflächen der Nuten 7" liegen auf dem Innenkreis Ki mit dem Durchmesser Di. Der radiale Abstand zwischen den Kreisen Ka und Ki wird als Rippenhöhe oder Zahnhöhe H bezeichnet. Diese ist nicht größer, vorzugsweise kleiner als das 0,15-fache des Durchmessers Da des Außenkreises Ka. Dasselbe gilt für die acht Rippen 9' und die sie trennenden Nuten 9" des unteren Rotors (Nebenläufers) 9, d. h. auch hier ist die Zahnhöhe H nicht größer als das 0,15-fache des Profilaußendurchmessers Da.
Bei Betrieb des in Figur 1 gezeigten Schraubenkompressors wird seinem Ansaugraum 10, der angrenzend an das in Figur 1 linke Ende der Profilabschnitte 7, 9 in dem Rotorgehäuse 1 ausgebildet ist, das zu verdichtende Gas, insbesondere Luft zugeführt, das vorzugsweise von einer oder mehreren vorgeschalteten Kompressorstufen (nicht dargestellt) bereits auf einem Zwischendruck vorverdichtet ist, beispielsweise auf einen Druck im Bereich von 10 bis 15 bar, vorzugsweise 12 bar. Dieses vorverdichtete Gas wird durch die Profilabschnitte 7, 9 der beiden Rotoren 3, 5 in Figur 1 nach rechts zu einem (nicht dargestellten) Auslass gefördert und dabei auf einen Enddruck verdichtet, der vorzugsweise im Bereich von 30 bis 50 bar, insbesondere bei ca. 40 bar liegt. Die Rotoren des Schraubenkompressors sind so gestaltet, dass sie in hohem Maße unempfindlich gegen die vom komprimierten Gas bei diesen hohen Drücken erzeugten queraxialen Kräfte sind.

Claims

Ansprüche
1. Schraubenkompressor mit zwei drehbar gelagerten, gegensinnig antreibbaren Rotoren (3, 5), die über einen Abschnitt ihrer Länge ein Profil (7, 9) mit schaubenförmi- gen Rippen (7, 9') und Nuten aufweisen und mit diesen Rippen und Nuten kämmend und abdichtend ineinandergreifen, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Anzahlen der schraubenförmigen Rippen (T, 9') der beiden Rotoren mindestens 14 beträgt.
2. Schraubenkompressor nach Anspruch 1, wobei einer Rotoren der Hauptläufer (3) und der andere Rotor der Nebenläufer (5) ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil (7) des Hauptläufers sechs Rippen (7') und das Profil (9) des Nebenläufers acht Rippen (91) aufweist.
3. Schraubenkompressor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippenhöhe jedes Rotors (3, 5) nicht größer als das 0,15-fache des Profilaußendurchmessers (Da) des Rotors ist.
4. Schraubenkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei jeder Rotor an den Profilabschnitt angrenzende Wellenzapfen (7a, 7b, 9a, 9b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (D, D') jedes Wellenzapfens in dem an den Profilabschnitt (7, 9) angrenzenden Bereich nicht kleiner als die Hälfte des Profilaußendurchmessers (Da) ist.
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