DE1428277B2 - Zweistufiger Schraubenverdichter der Tandembauart - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf zweistufige Schraubenverdichter der Tandembauart, deren in Achsrichtung hintereinander liegende Stufen je einen Schraubenrippenrotor und einem damit in Eingriff befindlichen Schraubennutenrotor mit mehr Nuten enthalten, als der zugehörige Schraubenrippenrotor Rippen besitzt, wobei die Rotoren der einen Stufe mit den Rotoren der anderen Stufe paarweise koaxial zueinander angeordnet sind und der Schraubenrippenrotor der zweiten Stufe mit einem dazu koaxialen Rotor der ersten Stufe zur Bildung einer Rotoreinheit undrehbar verbunden ist, die mit einer aus dem Verdichtergehäuse herausragenden Antriebswelle zur Koppelung mit einer Antriebsmaschine versehen ist.

Die unterschiedliche Anzahl von Rippen und Nuten an den ineinandergreifenden Rotoren kommt bei derartigen Verdichtern ebenso wie bei einstufigen Verdichtern durch das Bestreben zustande, die Außendurchmesser der Rotoren mit Rücksicht auf die Ausbildung des Verdichtergehäuses wenigstens angenähert gleichgroß zu wählen. Da die Rippen eines Rippenrotors im wesentlichen außerhalb des zugehörigen Teilkreises und die Nuten eines Nutenrotors im wesentlichen innerhalb des zugehörigen Teilkreises liegen, führen auch nur angenähert gleichgroße Außendurchmesser zwangsläufig zu unterschiedlich großen Teilkreisdurchmessern und damit zu einer höheren Anzahl von Nuten des Nutenrotors, als der Rippenrotor Rippen aufweist, mit der Folge, daß der Rippenrotor wesentlich schneller als der zugehörige Nutenrotor dreht.

Des weiteren ist es in Hinblick auf den Gesamtwirkungsgrad eines zweistufigen Verdichters wünschenswert, daß die Verdichtungsverhältnisse in den beiden Stufen wenigstens angenähert gleich sind. Wenn der Verdichter ein Gesamt-Verdichtungsverhältnis von beispielsweise 9 :1 hat, sollte das Verdichtungsverhältnis einer jeden Stufe also annähernd 3 :1 betragen. Dies bedeutet unter Berücksichtigung der dabei auftretenden thermodynamischen Vorgänge, daß das Ansaugvolumen (Einlaßvolumen) der ersten Stufe etwa das 2,5fache derjenigen der zweiten Stufe betragen muß. Andererseits besteht für Schraubenverdichter, gleich welcher Ausführung, ein optimales Verhältnis zwischen Rotorlänge und Rotordurchmesser in bezug auf den Wirkungsgrad, das demgemäß bei einem zweistufigen Schraubenverdichter sowohl in der ersten als auch in der zweiten Stufe angestrebt werden sollte. Es leuchtet jedoch ein, daß diese Bedingung der zuvor erwähnten Forderung nach gleichen Einzelverdichtungsverhältnissen zuwiderläuft

Bei einem bekannten zweistufigen Schraubenverdichter der eingangs genannten Art sind die Schraubenrippenrotoren zum gemeinsamen Antrieb über eine aus dem Verdichtergehäuse herausragende Stummelwelle drehfest miteinander verbunden, während die Rippen- und Nutenrotoren in den beiden Stufen jeweils in Form und Größe die gleichen Profile aufweisen (s. US-PS 30 74 624). Nach den Zeichnungsfiguren dieser Patentschrift beträgt das Längen/Durchmesser-Verhältnis der ersten Stufe 2,0 :1 und das der zweiten Stufe nur 0,8 :1. Aus Gründen der Festigkeit der Rotoren, des Verhältnisses zwischen der Lecklinienlänge und dem Fördervolumen sowie einer vollständigen Füllung der Rotornuten bzw. Rotorrippenzwischenräume sollten die Längen/ Durchmesser-Verhältnisse der Rotoren jedoch innerhalb eines Bereichs von etwa 1:1 bis 1,8 :1 liegen. Wenn demgegenüber die Längen/Durchmesser-Verhältnisse wie bei dem vorerwähnten bekannten Schraubenverdichter stark außerhalb dieser Grenzen liegen, geht dies verständlicherweise zu Lasten des Wirkungsgrades jeder Einzelstufe und damit umsomehr zu Lasten des Gesamtwirkungsgrades des zweistufigen Verdichters.

Bei einem anderen bekannten Schraubenverdichter der eingangs genannten Art (s. US-PS 29 75 693) sind die Rippenrotoren der beiden Stufen aus einem einzigen Stück gefertigt und über eine gemeinsame Antriebswelle von einer Antriebsmaschine her antreibbar. Die Steigung der Rippen ist in beiden Stufen identisch, und die Rotorprofile sind in beiden Stufen in der Grundausbildung gleich. Die Nutenstege des Nutenrotors der ersten Stufe sind jedoch mit radial über dem Teilkreis vorstehenden Ansätzen und die zugehörigen Rippenzwischenräume mit entsprechenden radial innerhalb des Teilkreises liegenden Ausnehmungen versehen.

Dadurch wird erreicht, daß das Fördervolumen der ersten Stufe bei gleicher Rotorlänge der beiden Stufen größer als das der zweiten Stufe ist, womit das Verhältnis zwischen den Rotorlängen der verschiedenen Stufen vermindert und dadurch das Längen/Durchmesser-Verhältnis jeder Stufe dem genannten optimalen Bereich besser angepaßt werden kann. Indessen bringen der große Ansatz jedes Nutensteges und der kleine Umschlingungswinkel von etwa 170° jeder Rippe der ersten Stufe einen schlechten volumetrischen Wirkungsgrad dieser Stufe mit sich, wodurch auch der Gesamtwirkungsgrad des zweistufigen Verdichters wesentlich herabgesetzt wird.

Ferner sind die auf die Rotoren der beiden Stufen wirkenden Axialkräfte gleichgerichtet, was erhebliche Lagerprobleme mit sich bringt

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, mit einem zweistufigen Verdichter der eingangs genannten Art das gewünschte Verdichtungsverhältnis (von beispielsweise 9:1) zu erreichen, ohne die Verdichterstufen mit zueinander extrem unterschiedlichen, für die Erzielung eines guten Wirkungsgrades schädlichen Längen/Durchmesser-Verhältnissen für die Rotoren in den beiden Stufen ausbilden zu müssen, ohne dazu die Profile der Schraubenrotoren in der ersten Verdichtungsstufe durch kopfleistenartige Ansätze am Schraubennutenrotor und entsprechende kleine Vertiefungen am Boden der Rippenzwischenräume des Schraubenrippenrotors oder sonstige abweichende Ausbildung von der einfachen Normalform verändern zu müssen und dabei schließlich noch einen guten gegenseitigen Ausgleich der Axialschübe der Rotoren zu erhalten.

Versuche haben gezeigt, daß der günstigste Wirkungsgrad, insbesondere bei einem Schraubenverdichter mit Flüssigkeitseinspritzung, dann erhalten wird, wenn die Kopfkreisgeschwindigkeit des Schraubenrippenrotors etwa 20 m/s beträgt Der Wirkungsgrad nimmt mit zunehmender Kopfkreisgeschwindigkeit verhältnismäßig langsam ab, während er mit sinkender Kopfkreisgeschwindigkeit beträchtlich stärker abfällt. Die Wirkungsgrade sind daher für Kopfkreisgeschwindigkeiten von beispielsweise 40 m/s und 15 m/s die gleichen, was bedeutet, daß es möglich ist, einen solchen Schraubenverdichter über einen verhältnismäßig weiten Bereich der Kopfkreisgeschwindigkeiten mit annehmbaren Wirkungsgrad zu betreiben.

Die Erfindung macht sich diese Erkenntnisse zunutze und löst die vorstehende Aufgabe dadurch, daß der Schraubenrippenrotor der zweiten Stufe mit dem Schraubennutenrotor der ersten Stufe undrehbar verbunden ist während der Schraubennutenrotor der zweiten Stufe und der Schraubenrippenrotor der ersten Stufe frei zueinander drehbar sind.

Durch die undrehbare Verbindung des Schraubenrippenrotors der ersten Stufe mit dem Schraubennutenrotor der zweiten Stufe bei freier Drehbarkeit der übrigen beiden Rotoren wird erreicht daß die Rotoren der ersten Stufe schneller drehen als die der zweiten Stufe und dadurch das Einlaßvolumen der ersten Stufe im Verhältnis zu dem der zweiten Stufe entsprechend erhöht wird. Auf diese Weise ist es möglich, das erwünschte Volumenverhältnis zur gleichen Zeit mit einem Längen/Durchmesser-Verhältnis für die Rotoren einer jeden Stufe zu erhalten, das im optimalen Bereich liegt Bei den bisher bekannten zweistufigen Schraubenverdichtern war es aus Konstruktionsgründen unmöglich, verschiedene Drehzahlen in den beiden Stufen zu erhalten, weshalb es auch unmöglich war, die Rotoren in gewünschter Weise zu dimensionieren.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit einem in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen horizontalen Längsschnitt durch einen zweistufigen Kompressor und

Fig.2 einen Querschnitt durch die Rotoren dieses Kompressors nach der Linie 2-2 in F i g. 1.

Der in Fi g. 1 gezeigte zweistufige Schraubenverdichter weist ein Gehäuse 62 auf, dessen Mantelwandung zwei Arbeitskammern 64,66 umschließt von denen jede im wesentlichen aus zwei einander schneidenden zylindrischen Bohrungen mit parallelen Achsen besteht, wobei diese beiden Arbeitskammern durch eine Trennwand 68 voneinander getrennt und an den äußeren Enden durch Endwände 82, 86 abgeschlossen sind. Die die beiden Arbeitskammern 64, 66 bildenden Bohrungen liegen paarweise koaxial zueinander und sind sämtlich mit ein und demselben Durchmesser ausgebildet Das Gehäuse 62 enthält ferner einen Niederdruckkanal 70 für das zu verdichtende Fördergas, der über einen Niederdruckeinlaß 72 zur Niederdruckarbeitskammer 64 führt, einen Zwischendruckauslaß 74 der von der Niederdruckarbeitskammer 64 zu einem bis in die Endwand 86 reichenden Zwischendruckkanal 76 führt und dort über einen Zwischendruckeinläß 78 in die Hochdruckarbeitskammer 66 mündet, und einen Hochdruckauslaß 80, der die Hochdruckkammer 66 mit einem nicht dargestellten Hochdruckkanal verbindet Bei dem dargestellten Verdichter ist der Niederdruckeinlaß 72 in seiner Gesamtheit in der Endwand 22 der Niederdruckarbeitskammer 64 angeordnet. Der Zwischendruckauslaß 74 befindet sich in nicht gezeigter Weise zum Teil in der Trennwand 68 und zum Teil in der Mantelwandung 84 der Niederdruckarbeitskammer 64. Der Zwischendruckeinläß 78 befindet sich in seiner Gesamtheit in der Endwand 86 der Hochdruckarbeitskammer 66, während der Hochdruckauslaß 80 in nicht gezeigter Weise auf die Trennwand 68 und die Mantelwandung^ 88 der Hochdruckarbeitskammer 66 verteilt ist

Die Niederdruckarbeitskammer 64. nimmt zwei zusammenwirkende Rotoren, nämlich einen Schraubenrippenrotor 90 und einen Schraubennutenrotor 92 auf, deren Achsen mit den Bohrungsachsen zusammenfallen. Die Rotoren 90, 92 sind in Lagern innerhalb des Gehäuses 62 gelagert, die der Einfachheit halber nur als Lagerbuchsen dargestellt sind. Der Schraubennutenrotor 92 ist mit einer durch die Endwand 82 aus dem Gehäuse 62 herausragenden Stummelwelle 94 und mit einer Torsionswelle 96 versehen, welch letztere sich durch die Trennwand 68 und die Hochdruckarbeitskammer 66 erstreckt

Der Schraubenrippenrotor 90 trägt vier von Zwischenräumen 40 getrennte schraubenförmige Rippen 38, deren Umschlingungswinkel etwa 300° beträgt. Der Schraubennutenrotor 92 enthält sechs von Stegen 42 getrennte schraubenförmige Nuten, deren Umschlingungswinkel etwa 200° beträgt. Die achsfernen Zonen 48 der Stege 42 Hegen radial außerhalb des Teilkreises 46 des Schraubennutenrotors 92, und der Schraubenrippenrotor 90 ist in den achsnahen Zonen der Rippenzwischenräume 52 mit entsprechenden Vertiefungen 52 versehen, die innerhalb des Teilkreises 50 des Schraubenrippenrotors 90 liegen.

In der Hochdruckarbeitskammer 66 befinden sich

ebenfalls zwei zusammenwirkende Rotoren, nämlich ein Schraubenrippenrotor 98 und ein Schraubennutenrotor 100, von denen der Schraubenrippenrotor 98 koaxial zu dem Schraubennutenrotor 92 in der Niederdruckarbeitskammer 64. liegt und mit diesem über die Torsionswelle 96 undrehbar verbunden ist, während der Schraubennutenrotor 100 koaxial zu dem Schraubenrippenrotor in der Niederdruckarbeitskammer 64 angeordnet ist, aber gegenüber diesem frei drehbar ist. Die Rotoren 98 und 100 sind in dem Gehäuse 62 in der gleichen Weise wie die Rotoren 90 und 92 gelagert, wobei auch diese Lager wiederum nur als Lagerbuchsen dargestellt sind. . ."■,

In der Mantelwandung der Arbeitskammern 64,66 ist eine Vielzahl in öleinspritzkanälen vorgesehen, deren öffnungen in bekannter Weise jeweils an der Verschneidungslinie zwischen den beiden die Arbeitskammer bildenden Gehäusebohrungen liegen, was aber in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Dadurch kann aus einer nicht gezeigten Druckölqüelle gefördertes öl zur Schmierung und Kühlung in die" Arbeitskammern eingespritzt werden. . -

Die Schraubenrippenrotoren 9<J ürid "98 weisen gleichgestaltete und gleichgroße Profile auf. Ebenso sind die Profile der Schraubennutenrotoren 92 und 100 gleichgestaltet und gleichgroß. Das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Schraubenrippenrotors beträgt in der Niederdruckstufe etwa 1,75 :1 und in der Hochdruckstufe 1,05 :1 an Stelle von z.B. 2,0 :1 bzw. 0,8 :1 bei einem entsprechenden Schraubenverdichter herkömmlicher Ausführung, bei welchem die beiden Schraubenrippenrotoren undrehbar miteinander verbunden sind. Trotzdem ist das Verhältnis zwischen den Volumenkapazitäten in den beiden Druckstufen das

ίο gleiche wie bei dem entsprechenden Verdichter herkömmlicher Ausführung, weil die Rotoren der ersten Druckstufe infolge des Antriebs über den Schraubennutenrotor im Verhältnis 1,5 :1 schneller drehen als die Rotoren der zweiten Druckstufe, die bekännterweise über den Schraubenrippenrotor angetrieben werden. Dieses Drehzahlverhältnis ist ausschließlich von den gewählten Rotorprofilen und damit der Anzahl der Rippenund Nuten abhängig und kann geändert werden. Das günstigste Verhältnis zwischen den Volumerikapazitäten der beiden Druckstufen kann in Abhängigkeit von den Eigenschaften der verschiedenen Fördergase unterschiedlich über alle Druckverhältnisse und. Drückdifferentiale, "sowie* in Abhängigkeit der Menge des eingespritzten Öls und dessen Verteilung zwischen den

Stufen variieren. ;' - '.;,. '."!'.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Zweistufiger Schraubenverdichter der Tandembauart, deren in Achsrichtung hintereinander liegende Stufen je einen Schraubenrippenrotor und einen damit in Eingriff befindlichen Schraubennutenrotor mit mehr Nuten enthalten als der zugehörige Schraubenrippenrotor Rippen besitzt, wobei die Rotoren der einen Stufe mit den Rotoren der anderen Stufe paarweise koaxial zueinander angeordnet sind und der Schraubenrippenrotor der zweiten Stufe mit einem dazu koaxialen Rotor der ersten Stufe zur Bildung einer Rotoreinheit undrehbar verbunden ist, die mit einer aus dem Verdichtergehäuse herausragenden Antriebswelle zur Koppelung mit einer Antriebsmaschine versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schraubenrippenrotor (98) der zweiten Stufe mit dem Schraubennutenrotor (92) der ersten Stufe undrehbar verbunden ist, während der Schraubennutenrotor (100) der zweiten Stufe und der Schraubenrippenrotor (90) der ersten Stufe frei zueinander drehbar sind.

2. Schraubenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Achsabstand zwischen den Schraubenrotoren in beiden Verdichtungsstufen der gleiche ist.

3. Schraubenverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein jeder Rotor der einen Stufe (90, 92) den gleichen Durchmesser hat wie der dazu koaxiale Rotor (98, 100) der anderen Stufe.

4. Schraubenverdichter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Schraubenrippenrotoren (90,98) als auch die Schraubennutenrotoren (92, 100) beider Verdichtungsstufen untereinander die gleichen Profile aufweisen.

5. Schraubenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schraubennutenrotor (92) der ersten Stufe und der Schraubenrippenrotor (98) der zweiten Stufe miteinander durch eine Torsionswelle (96) verbunden sind.

6. Schraubenverdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren (90,92,98,100) der verschiedenen Verdichtungsstufen in vollständig voneinander getrennten Lagern gelagert sind.