DE2134241C3 - Zweistufige außenachsige Rotationskolbenmaschine - Google Patents

Description

folgt, worin bedeuten

s fm/s] Kopfgeschwindigkeit

c fm/s] eine Konstante zwischen 1 und 1,5, vorzugsweise 1,25 und /yPidas gesamte Druckverhältnis der Rotationskolbenmaschine.

7. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftübertragungswelle (86) des Getriebes koaxial zur Achse eines Schraubenrippenrotors (38) angeordnet und mit diesem starr verbunden ist.

Die Erfindung betrifft eine zweistufige außenachsige Rotationskolbenmaschine für elastische Arbeitsmedien, jeweils mit Kämmeingriff zwischen einem Schraubenrippenrotor und einem Schraubennutenrotor, deren Umschlingungswinkel in bezug auf ihre Drehachsen kleiner als 360° sind, und einem Gehäusemantel, dessen Innenkontur von zwei einander schneidenden zylindrischen Bohrungen gebildet ist und der mit Hochdruck- und Niederdruckdurchlässe aufweisenden Endteilen einen Arbeitsraum umschließt. Eine derartige Rota

tionskolbenmaschine ist aus der US-PS 26 59 239 bekannt

Die bekannte Maschine besteht aus einer Tandemanordnung der beiden Verdichterstufen in einem gemeinsamen Gehäuse, in welchem mindestens die koaxial zueinander angeordneten Schraubenrippenrotoren miteinander fest gekuppelt sind, so daß sie von einer gemeinsamen Antriebsmaschine mit derselben Drehzah! angetrieben werden.

Die Tandemanordnung hat Nachteile aufgrund des Umstandes, daß zumindest die beiden Schraubenrippenrotoren eine starre Einheit bilden:

a) der lange Abstand zwischen den Radiallagern führt zu einer verhältnismäßig großen radialen Durchbiegung der starren Rotoreinheit;

b) das Axiallager für die starre Rotoreinheit ist hochbelastet, und dessen übliche Anordnung am Hochdruckende führt zu ungenauen Axialspaiten in der Niederdruckstufe;

c) die Herstellung der starren Rotoreinheiten ist aufwendig und teuer und

d) infolge gleicher Drehzahlen der Rotoren in den beiden Druckstufen ergeben sich Schwierigkeiten in der Erzielung der erwünschten Kopfgeschwindigkeiten und des erwünschten Volumenverhältnisses zwischen den beiden Druckstufe» bei optimalen Umcchlingungswinkel, Steigungswinkeln der Rippen und Nuten und Längendurchmesser-Verhältnis eines jeden der Rotoren.

Auch muß die Trennwand zwischen den Arbeitsräumen der beiden Druckstufen sehr genau mit parallelen Oberflächen hergestellt sein, und der Verbindungskanal zwischen den beiden Druckstufen muß zur Erzielung

eines Ausgleichs der Axialkräfte durch entgegengesetzt

gerichtete Durchströmung der beiden Stufen zwecks Entlastung der Axiallager lang sein und verursacht beträchtliche Verluste.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine zweistufige

ίο außenachsige Rotationskolbenmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einfacher und billiger Herstel'barkeit aller Teile und normaler Belastung der Lager ohne Übermäßige radiale Durchbiegung der Rotoren dennoch eine einfache Anpassung der beiden Druckstufen an die unterschiedlichen Volumina des Arbeitsmediums und damit einen optimalen Wirkungsgrad in beiden Druckstufen gestattet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Arbeitsräume der beiden Druckstufen die Innenwandung eines Endteils gemeinsam haben, welches einen Verbindungskanal für die beiden Arbeitsräume und ein für beide Druckstufen gemeinsames Kraftübertragungsgetriebe aufweist.

Die Erfindung hat die parallele Anordnung der beiden funktionell hintereinandergeschalteten Verdichterstufen zur Folge. Eine solche parallele Anordnung ist zwar bereits aus der GB-PS 7 97 311 bekannt. Bei der bekannten Maschine sind jedoch die beiden Druckstufen als mechanisch vollständig voneinander getrennte

bo Maschinen ausgebildet, die durch eine gemeinsame Antriebsmaschine über ein in einem besonderen Getriebegehäuse angeordnetes Getriebe angetrieben werden. Die bekannte Anordnung erfordert deshalb viel Raum, hat ein beträchtliches Gewicht und ist in der Herstellung teuer. Außerdem ist infolge der großen Außenfläche des gesamten Aggregats und der zur Verbindung der beiden Druckstufen erforderlichen äußeren Verbindungsleitungen die Lärmentwicklung

beträchtlich. Diese Nachteile werden durch die Erfindung vermieden.

Infolge der sich durch die Erfindung ergebenden Nebeneinanderanordnung der beiden Druckstufen und der damit verbundenen Trennung aller Rotoren können diese unter Verwendung derselben optimal Profilform mit unterschiedlich großen Durchmessern ausgebildet und/oder mit unterschiedlich großen Drehzahlen angetrieben werden, um die erforderliche Anpassung an die durch die unterschiedlichen Eingangsdrücke bedingten verschiedenen Eingangsvolumina vorzunehmen. Da alle Rotoren voneinander getrennt gelagert sind, treten keine außergewöhnlichen Lagerbelastungen auf, und es werden übermäßige radiale Durchbiegungen der Rotoren vermieden, wobei dennoch ein Ausgleich der Axialkräfte durch Schrägverzahnung der Getrieberäder möglich ist Schließlich ersetzt der im gemeinsamen Endteil angeordnete kurze Verbindungskanal alle äußeren Leitungen und vermeidet die hierdurch entstehende Lärmentwicklung.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können Mittel zur Flüssigkeitseinspritzung in wenigstens einen Arbeitsraum vorgesehen sein. Sofern hierbei Öl als Einspritzflüssigkeit verwendet wird, kann eine das Kraftübertragungsgetriebe aufweisende Kammer einen Teil des Verbindungskanals bilden, wodurch sich eine selbsttätige Schmierung der Getriebezahnräder durch das eingespritzte öl ergibt. Gleichzeitig wird die Baulänge der Maschine verkürzt, und deren Gewicht und Herstellungskosten werden gesenkt.

Ferner kann infolge der Flüssigkeitseinspritzung das Kraftübertragungsgetriebe derart ausgelegt sein, daß der Schraubenrippenrotor der Niederdruckstufe eine höhere Kopfgeschwindigkeit als der Schraubenrippenrotor der Hochdruckstufe erhält. Infolge dieser Maßnahme wird der am Auslaß der mit höherer Kopfgeschwindigkeit arbeitenden Niederdruckstufe entstehende Lärm von der mit niedriger Kopfgeschwindigkeit arbeitenden Hochdruckstufe wirksam eingefangen, so daß nur das mit verhältnismäßiger geringer Geschwindigkeit aus der Hochdruckstufe austretende Arbeitsmedium in den ölabscheider mit dessen großen lärmschluckenden Flächen gelangen kann. Eine beträchtliche Herabsetzung der Lärmentwicklung ist die Folge.

Zweckmäßig liegt das Verhältnis der Kopfgeschwindigkeiten an den Schraubenrippenrotoren in der Niederdruckstufe bzw. Hochdruckstufe im Bereich zwischen 1,5 :1 bis 3 :1, vorzugsweise bei etwa 2,2 : 1. Übersetzungsverhältnisse dieser Größenordnung haben sich in einem zweistufigen Verdichter mit öleinspritzung zur Verdichtung von Luft, die unter Atmosphärendruck angesaugt wird, bei einem Druckverhältnis von :1 bis 12 :1 besonders bewährt. Die hierbei durchgeführten Versuche haben ferner gezeigt, daß die Kopfgeschwindigkeit des Schraubenrippenrotors in der Hochdruckstufe zur Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades extrem niedrig sein kann und zweckmäßig derart bemessen sein sollte, daß sie der Formel:

s=c- P-.IP-,
folgt, worin bedeuter

s fm/s] Kopfgeschwindigkeit

c [m/s] eine Konstante zwischen 1 und 1,5, vorzugsweise 1,25 und

P₂/ P] das gesamte Druck verhältnis der Rotationskolbenmaschine.

Schließlich ergibt sich eine weitere bauliche Vereinfachung dadurch, daß die Kraftübertragungswelle des Getriebes koaxial zur Achse eines Schraubenrippenrotors angeordnet und mit diesem starr verbunden ist Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die erfindungsgemäße Rotationskolbenmaschine, abgesehen von dem erreichbaren hohen Wirkungsgrad, zu einer Verminderung des Raumbedarfs und damit des Maschinengewichts im Vergleich zu der bekannten ίο Tandembauart führt die bisher die kompakteste zweistufige Bauform einer zweistufigen außenachsigen Rotationskolbenmaschine für den selben Zweck darstellte.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine in der Ausführung als Verdichter wird nachstehend in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen senkrechten Längsschnitt durch die Maschine gemäß Linie 1 -1 in F i g. 2, Fig. 2 einen Querschnitt durch die Maschine nach Linie2-2in Fig. 1,

F i g. 3 einen Längsschnitt durch die Niederdruckstufe der Maschine nach Linie 3-3 F i g. 1 und F i g. 4 einen Längsschnitt durch die Hochdruckstufe der Maschine nach der Linie 4-4 in F i g. 1.

Der in den Figuren 1 bis 4 dargestellte zweistufige Verdichter hat ein aus einem gemeinsamen Gehäusemantel 10 und einem gemeinsamen Endteil 12 bestehendes Gehäuse, in welchem ein Niederdruckarbeitsraum 14 und ein Hochdruckarbeitsraum 16 nebeneinander ausgebildet sind. Ein jeder dieser Arbeitsräume besteht grundsätzlich aus zwei einander schneidenden zylindrischen Bohrungen mit parallelen Achsen. Die Arbeitsräume 14, 16 erstrecken sich in J5 derselben Richtung von einer gemeinsamen ebenen Innenwandung 18 des Endteils 12, und diese Innenwandung bildet die Hochdruckendwand des Niederdruckarbeitsraums 14 und die Niederdruckwand des Hochdruckarbeitsraums 16. In dem Gehäusemantel 10 ist ein mit dem Niederdruckarbeitsraum 14 über eine Niederdruckeinlaßöffnung 22 verbundener Einlaßkanal 20 vorgesehen. Das Endteil 12 enthält einen Verbindungskanal 24, der mit dem Niederdruckarbeitsraum 14 über einen Hochdruckdurchlaß 26 und mit dem Hochdruckarbeitsraum 16 über einen Niederdruckdurchlaß 28 verbunden ist. Ein Auslaßkanal 30 innerhalb des Gehäusemantels 10 ist mit dem Hochdruckarbeitsraum 16 über eine Hochdruckauslaßöffnung 32 verbunden.

Ein jeder Arbeitsraum 14 bzw. 16 enthält ein Paar miteinander kämmender Schraubenrotoren 34, 36 bzw. 38,40, die um parallele Achsen drehen. Je ein Rotor 34, 38 eines jeden Rotorpaares ist als Schraubenrippenrotor ausgebildet und zu diesem Zvecke mit vier Schraubenrippen 42 bzw. 44 versehen, die von Rippenzwischenräumen 46 bzw. 48 getrennt sind und einen Umschlingungswinkel von etwa 300° aufweisen. Die Schraubenrippen 42 bzw. 44 haben Flanken, deren größere Abschnitte konvex ausgebildet und außerhalb der zugehörigen Teilkreise 50 bzw. 52 liegen. Der bo andere Rotor 36 bzw. 40 eines jeden Rotorpaares ist als Schraubennutenrotor ausgebildet und zu diesem Zweck mit sechs von schraubenförmigen Stegen 54 bzw. 56 getrennten Schraubennuten 58 bzw. 60 versehen, die eiiien Umschlingungswinkel von etwa 200° aufweisen. b5 Die Schraubennuten 58, 60 haben Flanken, deren größere Abschnitte konkav ausgebildet sind und innerhalb des zugehörigen Teilkreises 62 bzw. 64 liegen. Die Rotoren 34 bzw. 36 der Niederdmrkstiife (F i ν V.

sind im Endteil 12 in kombinierten Radial-Axial-Lagern 66 bzw. 68 und am entgegengesetzten Ende des Gehäusemantels 10 in Radial-Lagern 70 bzw. 72 gelagert. Die Rotoren 38 bzw. 40 der Hochdruckstufe (Fig.4) sind im Endteil 12 in Radial-Lager 74 bzw. 76 und an dem entgegengesetzten Ende des Gehäusemantels 10 in kombinierten Radial-Axial-Lagern 78 bzw. 80 gelagert. Der Niederdruck-Rippenrotor 34 ist außerhalb des Lagers 66 mit einem Stirnzahnrad 82 (F i g. 3) und der Hochdruck-Rippenrotor 38 außerhalb des Lagers 74 mit einem Stirnzahnrad 84 versehen, welches in das Stirnzahnrad 82 eingreift. Eine am Hochdruck-Rippenrotor 38 ansetzende Kraftübertragungswelle 86 ragt aus dem Endteil 12 heraus und dient zur Ankopplung an eine Antriebsmaschine. Die ein Kraftübertragungsgetriebe bildenden Stirnzahnräder 82, 84 sind schraubenförmig verzahnt und haben solche Steigungswinkel, daß ein Teil der Axialkräfte des Hochdruck-Rippenrotors 38 auf den Niederdruck-Rippenrotor 34 übertragen wird, so daß eine Verminderung der Axialbelastung der Radial-Axial-Lager 66,68,78,80 erhalten wird.

In dem Gehäusemantel 10 sind ferner Kammern 88, 90 vorgesehen, die an eine (nicht dargestellte) Druckölquelle angeschlossen sind und und mit den Arbeitsräumen 14 bzw. 16 über Einspritzöffnungen 92, 94 i ur Flüssigkeitseinspritzung in Verbindung stehen.

Das Kraftübertragungsgetriebe 82, 84 ist so ausgelegt, daß die Kopfgeschwindigkeit des Rippenrotors 34 der Niederdruckstufe höher ist als die Kopfgeschwindigkeit des Rippenrotors 38 der Hochdruckstufe und daß das Verhältnis zwischen den Volumina der Niederdruckstufe und der Hochdruckstufe etwa 2.5 :1 beträgt.

Der Verdichter wirkt in derselben Weise wie die bekannten Rotationskolbenverdichter. Infolge der Kürze des Verbindungskanals 24 und des minimalen Richtungswechsels für das darin strömende Arbeitsmedium sind jedoch die Verluste auf ein Kleinstmaß herabgesetzt, und der Wirkungsgrad ist entsprechend hoch. Die Tatsache, daß die beiden Schraubenrippenrotoren 34, 38 durch Zahnräder an Stelle einer starren Verbindung miteinander gekuppelt sind, ermöglicht einen Antrieb der beiden Rotoren mit verschiedenen Drehzahlen, so daß das Volumenverhältnis und/oder die volumetrische Kapazität leicht verändert werden können und ebenso eine optimale Kopfgeschwindigkeit in einer jeden Stufe zur Anwendung gelangen kann, was den Wirkungsgrad weiterhin steigert. Auf Grund des Umstandes, daß die Geschwindigkeit des Arbeitsmediums in der Hochdruckauslaßöffnung 32 verhältnismäßig niedrig ist, ist der hierdurch erzeugte Lärm geringer als

ίο der eines Tandemverdichters. Die verhältnismäßig hohe Geschwindigkeit des Arbeitsmediums beim Verlassen der Niederdruckstufe durch den Hochdruckdurchlaß 26 verursacht keinerlei Lärm, da die Verbindung von dort zum Auslaßkanal 30 durch die Hochdruckstufe wirksam blockiert ist und der Verbindungskanal 24 vollständig innerhalb des Endteils 12 liegt. Ferner wird die Lärmentwicklung dadurch beträchtlich verringert, daß die Oberfläche des Gehäuses und dessen maximale Längserstreckung im Vergleich zu einem Tandemverdichter stark verkürzt ist. Auf Grund der sehr kompakten Gestaltung des Verdichters werden der Raumbedarf und das Gewicht kleingehalten, was in Verbindung mit der einfachen Herstellbarkeit seiner Einzelteile zu einer beträchtlichen Herabsetzung der Fertigungskosten führt.

Während der dargestellte Verdichter mit öleinspritzung arbeitet, kann auch Wassereinspritzung zur Anwendung gelangen. In diesem Fall muß der Verdichter in seiner Ausbildung durch zusätzliche

X Anordnung von Wellendichtungen und möglicherweise auch von Synchronisiergetrieben für die beiden Rotorpaare sowie Änderung des Übersetzungsverhältnisses im Kraftübertragungsgetriebe abgewandelt werden. Bei einem Verdichter mit Wassereinspritzung kann die Wassermenge, die in die Niederdruckstufe eingespritzt wird, so bemessen werden, daß das gesamte unverdampfte Wasser einen Nebel bildet, der Praktisch die gleiche Rotorkopfgeschwindigkeit zuläßt wie bei einem Trockenlaufverdichter, während die in die Hochdruckstufe eingespritzte Wassermenge diese Stufe so weit flutet, daß praktisch eine isotherme Verdichtung auftritt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnunecn

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Zweistufige außenachsige Rotationskolbenmaschine für elastische Arbeitsmedien, jeweils mit Kämmeingriff zwischen einem Schraubenrippenrotor und einem Schraubennutenrotor, deren Umschlingungswinkel in bezug auf ihre Drehachsen kleiner als 360° sind, und einem Gehäusemantel, dessen Innenkontur von zwei einander schneidenden zylindrischen Bohrungen gebildet ist und der mit Hochdruck- und Niederdruckdurchlässe aufweisenden Endteilen einen Arbeitsraum umschließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsräume (14, 16) der beiden Druckstufen die Innenwandung eines Endteüs (12) gemeinsam haben, welches einen Verbindungskanal (24) für die beiden Arbeitsräume und ein für beide Druckstufen gemeinsames Kraftübertragungsgetriebe (82,84) aufweist

2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Flüssigkeitseinspritzung (92, 94) in wenigstens einem Arbeitsraum (14 bzw. 16) vorgesehen sind.

3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine das Kraftübertragungsgetriebe (82, 84) aufweisende Kammer einen Teil des Verbindungskanals bildet.

4. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraitübertragungsgetriebe (82, 84) derart ausgelegt ist, daß der Schraubenrippenrotor (34) der Niederdruckstufe eine höhere Kopfgeschwindigkeit als der Schraubenrippenrotor (38) der Hochdruckstufe erhält.

5. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Kopfgeschwindigkeiten der Schraubenrippenrotoren (42,38) in der Niederdruck- bzw. Hochdruckstufe im Bereich zwischen 1,5 :1 bis 3 :1, vorzugsweise bei etwa 2,2 :1 liegt.

6. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopfgeschwindigkeit des Schraubenrippenrotors (38) der Hochdruckstufe derart bemessen ist, daß sie der Formel: