DE3220516A1 - DRYING SCREW MACHINE - Google Patents
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RICHARD GLAWE KLAUS DELFSRICHARD GLAWE KLAUS DELFS
-"■·· · DR.HNG. DIPU-ING.- "■ ·· · DR.HNG. DIPU-ING.
ULRICH MENGOEHLULRICH MENGOEHL
WALTERMOU. DiPL-CHEM. DR. RER NATWALTERMOU. DiPL-CHEM. DR. RER NAT
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Prof. Dr. Ing.
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MÜNCHEN
A 75MUNICH
A 75
Trockenlaufende SchraubenmaschineDry running screw machine
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft eine trockenlaufende Schraubenmaschine für die Verdichtung oder Expansion von gasförmigen Medien, mit Kämmeingriff zwischen einem schraubenförmige Rippen aufweisenden Hauptläufer und einem schraubenförmige Nuten aufweisenden Nebenläufer, von denen der eine Läufer mit einem Leistungsantrieb oder -abtrieb verbunden ist und ein Teil der zugeführten oder abgeführten Leistung zum bzw. vom anderen Läufer übertragen wird.The invention relates to a dry-running screw machine for the compression or expansion of gaseous media, with meshing engagement between a helical one Main runner with ribs and a helical one Secondary rotors having grooves, one of which is connected to a power drive or power take-off, and part of the supplied or discharged power is transferred to or from the other runner.
Schraubenmaschinen der vorstehend genannten Art, die auch als außenachsige Rotationskolbenmaschinen bezeichnet werden, werden verwendet als Kompressoren, wobei Antriebsleistung zugeführt wird, um ein Gas zu verdichten, ·oder als Expansionsmotoren, wobei ein im Arbeitsraum expandierendes Gas die beiden Läufer dreht und Antriebsleistung von einem der Läufer abgenommen werden kann.Screw machines of the type mentioned above, which are also referred to as external-axis rotary piston machines are used as compressors, whereby drive power is supplied to compress a gas, · Or as expansion motors, with one expanding in the work area Gas turns the two runners and drive power can be taken from one of the runners.
Nach dem bisherigen Stand der Entwicklung werden grundsätzlich zwei Bauarten von Schraubenmaschinen unterschieden , nämlich trockenlaufende Schraubenmaschinen und Schraubenmaschinen mit Einspritzung. Bei den trockenlaufenden Maschinen wird in den Arbeitsraum nur das zu verdichtende oder zu entspannende gasförmige Medium gegeben. Bei trockenlaufenden Maschinen sind die fellen der beiden Läufer grundsätzlich durch ein Gleichlaufgetriebe miteinander verbunden, welches die Drehung der Läufer so miteinander synchronisiert, daß die.direkte Berührung zwischen den Flanken der Läufer vermieden wird. Die Leistungsübertragung zwischen Hauptläufer' und Nebenläufer erfolgt somit ausschließlich über das Gleichr laufgetriebe. Dieses wurde bisher ausnahmslos für zwingend notwendig gehalten, da eine direkte leistungsübertragende Berührung zwischen rotierenden, ungeschraierten Teilen nach aller Erfahrung des Maschinenbaues zu einem alsbaldigen Fressen und Stillstand der Teile führen müßte und daher bei Maschinen für den praktischen Einsatz nicht zulässig ist. Die Nachteile, die sich bei Verwendung einesAccording to the current state of development, a basic distinction is made between two types of screw machine, namely, dry running screw machines and injection screw machines. With the dry running machines only the gaseous medium to be compressed or expanded is added to the working area. With dry running Machines, the skins of the two runners are basically connected to one another by a synchronous gear, which the rotation of the runners is synchronized with one another in such a way that the direct contact between the flanks of the runners is avoided will. The power transfer between main runners' and secondary runner is therefore carried out exclusively via the synchronous gear. So far, this has been considered mandatory without exception necessary because there is direct power-transferring contact between rotating, unshaped parts According to all the experience of mechanical engineering, this would and should lead to immediate seizure and standstill of the parts is not permitted for machines for practical use. The disadvantages of using a
Gleichlaufgetriebes ergeben, nämlich höherer Bauaufwand, erhöhter Platzbedarf, Leistungsverlust und Geräuschentwicklung durch das Gleichlaufgetriebe selbst sowie geringere Verdichtungsleistung durch den ständig vorhandenen Spalt zwischen den sich nicht berührenden Läufern, wurden in KaufResult in synchronous gear, namely higher construction costs, increased space requirements, loss of power and noise generated by the synchronous gearbox itself, as well as less Compaction performance due to the constant gap between the non-touching runners were accepted
genommen.taken.
Diese Nachteile sind nicht vorhanden bei der zweiten Bauart von Schraubenmaschinen, den Schraubenmaschinen mit ■ Einspritzung, die sich vor allem in den letzten zwei Jahrzehnten durchgesetzt haben. Bei dieser Bauart v/ird zur Schmierung, Kühlung und Spaltabdichtung der Läufer in den Arbeitsraum Öl oder eine andere Schmier-Kühlflüssigkeit eingespritzt, und zwar in erheblichen Kengen, die bis zum Mehrfachen des Massenstroms des gasförmigen Arbeitsmediuns betragen kann. Die auf diese Weise intensiv geschmiertenThese disadvantages do not exist in the second type of screw machine, the screw machine with ■ Injection, which have become particularly popular in the last two decades. In this design v / ird for Lubrication, cooling and gap sealing of the rotor in the working area oil or another lubricating coolant injected, and in considerable Kengen, up to several times the mass flow of the gaseous working medium can be. Those intensely lubricated in this way
, und gekühlten Läufer können sich direkt leistungsübertragend berühren und ein Gleichlaufgetriebe wird nicht verwendet. Gegenüber den trockenlaufenden Maschinen hat diese Bauart den Vorteil des geringeren Bauaufwandes und eines höheren erreichbaren Verdichtungs- oder Expansionsdruckes aufgrund der verbesserten Kühlung und gegenseitigen Abdichtung der Läufer. Ein beträchtlicher Nachteil der Schraubenmaschinen mit Einspritzung besteht jedoch darin, daß das Arbeitsmedium mit dem Öl bzw. der Kühl-Schmierflüssigkeit vermischt und verschmutzt v/ird und daß aufwendige und häufig nur unbefriedigend wirksame Maßnahmen zur nachträglichen , and cooled rotor can touch each other directly to transmit power and a synchronous gear is not used. Compared to the dry-running machines, this type of construction has the advantage of lower construction costs and a higher achievable compression or expansion pressure due to the improved cooling and mutual sealing of the rotors. However, a considerable disadvantage of the screw machines with injection is that the working medium is mixed with the oil or the cooling / lubricating liquid and soiled and that complex and often only unsatisfactorily effective measures for subsequent
Abtrennung der Flüssigkeit vom Arbeitsmedium notwendig sind.Separation of the liquid from the working medium is necessary are.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schraubenmaschine zu schaffen, die einfacher und weniger aufwendig ist als die bisherigen trockenlaufenden Haschinen mit Gleichlaufgetriebe, gleichwohl aber die mit der Öleinspritzung verbundenen Nachteile nicht aufweist.The invention has for its object to provide a screw machine that is simpler and less is more complex than the previous dry-running machines with synchronous transmission, but does not have the disadvantages associated with oil injection.
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' Diese Aufgabe wird bei einer trockenlaufenden Schraubenmaschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Leistungsübertragung vom einen auf den anderen Läufer direkt über die sich ohne Einführung eines Schmiermittels in den Arbeitsraum trocken berührenden Flanken der Schraubenrippen und Schraubennuten der nicht durch ein GIeichlaufgetriebe synchronisierten Läufer erfolgt.'This task is performed on a dry-running screw machine of the type mentioned according to the invention in that the power transmission from one on the other runner directly via the dry contact without introducing a lubricant into the work area Flanks of the screw ribs and screw grooves of the rotors that are not synchronized by an in-line gear he follows.
Es hat sich bei Versuchen überraschenderweise gezeigt, daß die von der Fachwelt bisher ausnahmslos befolgte Regel, eine trockenlaufende Maschine mit einem die direkte Flankenberührung der Läufer verhindernden GIeichlaufgetriebe zu betreiben, unnötig ist und daß eine trockenlaufende Maschine mit unmittelbarer, leistungsübertragender Flankenberührung zwischen den Läufern, entgegen aller Erwartung, über längere Zeit ohne Auftreten von Verschleißerscheinungen u. dgl. betriebsfähig ist.Surprisingly, tests have shown that the rule followed without exception by experts so far, a dry running machine with a direct flank contact the runner preventing synchronism operate, is unnecessary and that a dry-running machine with direct, power-transmitting flank contact between the runners, contrary to all expectations, operational for a long time without the occurrence of signs of wear and the like is.
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Die durch die Erfindung erzielte Vereinfachung gegenüber den bisherigen trockenlaufenden Maschinen mit Gleichlaufgetriebe, aber auch gegenüber den öleingespritzten Schraubenmaschinen ist offensichtlich. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Schraubeismaschine aber auch überraschenderweise betriebssicherer als die bisherigen Maschinen mit Gleichlaufgetriebe. Bei Maschinen mit Gleichlaufgetriebe kommt es immer wieder vor, daß geringe Verschiebungen im Gleichlaufgetriebe zu einer Fehisynchronisation zwischen den Läufern führen, wobei es doch zur ■ Flankenberührung der Läufer und damit zu Zwangskräften zwischen den gegenseitigen Eerührungssteller, und den Läuferflanken einerseits und im Gleichlaufgetriebe andererseits kommt. Die hierbei auftretenden Kräfte können wesentlich größer sein als die für die normale Leistungsübertragung benötigten Kräfte, und sie führen zu Preß-, Verschleiß- und Überhitzungserscheinungen und zur Schädigung der Maschine. Diese bei Phasenfehlemder Synchronisieruni auftretenden Erscheinungen haben bisher offensichtlich den Fachmann in seiner Auffassung bestärkt, daß eine exakte, berührungsfreie Synchronisierung der Läufer unbedingt erforderlich ist. Bei der erfindungsgemäßen Maschine können dagegen solche durch Synchronisierungsfehler verursachten Nachteile und Schädigungen nicht auftreten,infolgedessen sind die durch direkte Flankenberührung der Läufer zu übertragenden Kräfte lediglich diejenigen, die für die Ücer-The simplification achieved by the invention compared the previous dry-running machines with synchronous gears, but also compared to the oil-injected ones Screw machines is obvious. In addition, the screw machine according to the invention is also surprising more reliable than the previous machines with synchronous gears. For machines with synchronous gears it happens again and again that slight shifts in the synchronous gearbox lead to incorrect synchronization lead between the runners, but there is ■ flank contact between the runners and thus constraining forces between the mutual contactors, and the Rotor flanks on the one hand and in the synchronous gear on the other hand comes. The forces that occur here can be significantly greater than those for normal power transmission required forces, and they lead to pressure, wear and overheating phenomena and damage the machine. This in the case of phase errors in the synchronization unit appearing phenomena have so far obviously strengthened the expert in his view that an exact, Contact-free synchronization of the rotor is absolutely necessary. In the machine according to the invention, however, can those caused by synchronization errors Disadvantages and damage do not occur, as a result, those to be transmitted by direct flank contact of the rotor Forces only those who are responsible for
JNCOMPLETE COpV - 5 - ORIGINAL INSPECTEDJNCOMPLETE COpV - 5 - ORIGINAL INSPECTED
tragung eines Teils der Leistung vom einen auf den anderen Läufer erforderlich sind. Es wurde gefunden, daß diese Kräfte so gering sind und sich zudem über einen großen Teil der Länge der Läufer verteilen ,Väaß die Druckbelastung an den Berührungsstellen hinreichend gering ist und übermäßige Verschleiß- und Freßerscheinungen trotz trockener Berührung auch im längeren Betrieb nicht auftreten.transfer of part of the service from one to the other Runners are required. It has been found that these forces are so small and also extend over a large part of the Distribute the length of the runner, Väaß the pressure load on the Contact points is sufficiently small and excessive wear and tear and seizure despite dry contact do not occur even in long-term use.
Ein weiterer Vorteil gegen den bisherig bekannten trockenlaufenden Maschinen mit Gleichlaufgetriebe besteht darin, daß die Maschine weniger anfällig für Torsionsschwingungen an den Läuferwellen ist. Bei den bekannten Maschinen bildet das System Rotör-Welle-Getriebe ein Schwingsystem, in dem unangenehme Torsionsschwingungen auftreten können. Sin weiterer Vorteil besteht darin, daß höhere Verdichtungsleistungen als bei'Maschinen mit Gleichlaufgetriebe erzielbar sind, da ein vom Gleichlaufgetriebe ständig offengehaltener Spalt zwischen den Läufern nicht mehr vorhanden ist.Another advantage over the previously known dry-running machines with synchronous gears is that the machine is less prone to torsional vibrations on the rotor shafts. With the known machines this forms System Rotör-Welle-Getrieb an oscillation system in which unpleasant Torsional vibrations can occur. Sin another The advantage is that higher compression performance can be achieved than with machines with synchronous gears, since a The gap between the rotors, which is constantly kept open by the synchronous gearbox, is no longer present.
Gegenüber den Schraubenmaschinen mit Einspritzung hat . die erfindungsgemäße Maschine alle Vorteile der trockenlau- ■ fenden Maschinen, insbesondere im Bezug auf die Reinhaltung des Arbeitsmediums und den Wegfall aller für Zuführung,Abtrennung und Rezirkulation der Schmier- und Kühlflüssigkeit erforderlichen Einrichtungen.Compared to screw machines with injection . the machine according to the invention all the advantages of dry running ■ machines, especially with regard to keeping them clean of the working medium and the elimination of all necessary for the supply, separation and recirculation of the lubricating and cooling liquid Facilities.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann eine eventuelle Verschleißgefähr an den sich direkt berührenden Läuferflanken dadurch weiter verringert •werden, daß ein oder beide Läufer mindestens im Berührungsbereich ihrer Flanken mit einer verschleißmindernden Schicht versehen werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Flankenoberfläche der beiden Läufer aus unterschiedlichem Werkstoff mit einer besonders günstige Reibverhältnisse liefernden Werkstoffpaarung bestehen. Beispiele für solche Werkstoffpaarungen sind Stahl/Grauguß, Stahl/Bronze, Stahl/Messing, Grauguß/Bronze und Grauguß/Messing.According to an advantageous development of the invention this can further reduce the risk of wear and tear on the rotor flanks that are in direct contact with one another • Be that one or both runners are at least in the contact area their flanks are provided with a wear-reducing layer. Is particularly advantageous it when the flank surface of the two runners made of different materials with a particularly favorable There are material pairing delivering friction conditions. Examples of such material pairings are steel / gray cast iron, Steel / bronze, steel / brass, gray cast iron / bronze and gray cast iron / brass.
Eine andere Möglichkeit besteht in der TiTahl einer besonders harten Oberflächenschicht, die ganz oder zu einem großen Teil aus Siliciumcarbit oder anderen Carbiden besteht. Another possibility is to use a particularly hard surface layer which consists entirely or to a large extent of silicon carbide or other carbides.
Da die erfindungsgemäße Maschine eine trockenlaufende Maschine ist, erfolgt die Kühlung der sich leistungsübertragend berührenden Läuferflanken im wesentlichen durch das gasförmige Arbeitsmedium. Es hat sich gezeigt, daß hierdurch im Regelfall eine ausreichende Kühlung erzielt wird, wobei zu berücksichtigen ist, daß jede Läuferflanke nur während eines Bruchteils, z. B. 60° jeder Umdrehung Berührung mit dem anderen Läufer hat und während des restlichen Teils der Umdrehung frei vom gasförmigen Ar-Since the machine according to the invention is a dry running If the machine is, the cooling of the power transferring contacting rotor flanks takes place essentially through the gaseous working medium. It has been shown that this generally achieves adequate cooling is, taking into account that each rotor flank only during a fraction, z. B. 60 ° each revolution Has contact with the other rotor and is free of the gaseous ar-
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beitsmedium umspült wird. Je nach der in der Maschine erzeugten Verdichtung oder Expansion des gasförmigen Mediums kann über die Länge des Arbeitsraums ein beträchtlicher Temperaturunterschied des Arbeitsmediums bestehen, wobei ein Ende der Maschine, und zwar bei Verdichterbetrieb das Eintrittsende, das das "kalte Ende" der Maschine ist. In diesem kalten Bereich ist die vom Arbeitsmedium auf die Läufer ausgeübte Kühlwirkung besonders gut. Es ist deshalb gemäß einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung vorgesehen, daß die leistungsübertragende Direktberührung zwischen den Läuferflanken ausschließlich oder überwiegend in diesem kalten Bereich des Arbeitsraumes erfolgt. Dies läßt sich durch eine entsprechende, über die Länge jedes Läufers unterschiedliehe Verteilung des Spiels zwischen den Läufern erreiche. Beispielsweise können die Läuferflanken vom kalten zum warmen Ende hin mit zunehmend größeren Toleranzen bearbeitet sein. Auch durch eine leichte Divergenz zwischen den beiden Läuferachsen läßt sich die gewünschte ungleiche Spielverteilung einstellen.process medium is flushed. Depending on the compression or expansion of the gaseous produced in the machine Medium, there can be a considerable temperature difference in the working medium over the length of the working space exist, whereby one end of the machine, namely the inlet end, which is the "cold end" during compressor operation the machine is. In this cold area, the cooling effect exerted by the working medium on the rotor is special Well. It is therefore provided according to an advantageous feature of the invention that the power-transmitting Direct contact between the rotor flanks exclusively or predominantly in this cold area of the work area. This can be achieved by using a corresponding one that differs over the length of each runner Achieve distribution of the game between the runners. For example, the runner flanks from cold to warm end to be machined with increasingly larger tolerances. Also due to a slight divergence The desired unequal distribution of play can be set between the two rotor axes.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Schraubenmaschine als Kompressor betrieben, wobei der Hauptläufer angetrieben wird und etwa 10 - 15 % der zugeführten Antriebsleistung auf den Nebenläufer übertragen werden muß. Bei der bisherigen Bauart würde dies über ein ölgeschmiertes Gleichlaufgetriebe mit einem 7/irkunIn one embodiment of the invention, the screw machine is operated as a compressor, the main rotor being driven and approximately 10-15 % of the drive power supplied must be transmitted to the secondary rotor. In the previous design, this would be done via an oil-lubricated synchronous gear with a 7 / irkun
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grad von ca. 98 % erfolgen. Es entsteht somit ein Verlustleistungsanteil von 15 % x 2 % = 0,3 % der gesainten Maschinenleistung. Diese Verlustleistung muß mit dem Schmieröl des Gleichlaufgetriebes abgeführt werden.degree of approx. 98 % . This results in a power loss share of 15% x 2 % = 0.3 % of the total machine power. This power loss must be dissipated with the lubricating oil of the synchronous gear.
3ei der erfindungsgemäßen Maschine entfällt das Gleichlaufgetriebe,und die übertragung von 15 % der Leistung auf den Nebenläufer erfolgt durch direkte Läuferberührung. Der Wirkungsgrad dieser Leistungsübertragung ist geringer als in einem ölgeschnierten Gleichlauf getriebe und beträgt schätzungsweise 80 ?·:, wobei Verbesserungen dieses Wirkungsgrades durch geeignete Flankenprofile und/oder Werkstoffwahl der Läuferflanken möglicV: sein dürften. Es entsteht somit im Arbeitsraum zusätzlich zu den thermodynamischen Verlusten eine durch die Leistungsübertragung verursachte Verlustleistung von 15 96 x 20%= 3 % der Gesamtleistung. Diese Verlustleistung kann aber ohne weiteres vom Arbeitsmedium aufgenommen und abgeführt werden und führt nicht zu einer Überhitzung der Läufer.In the machine according to the invention, the synchronous gear is omitted, and the transfer of 15 % of the power to the secondary rotor takes place through direct rotor contact. The efficiency of this power transmission is lower than in an oil-lubricated synchronized gearbox and is estimated to be 80? ·: Whereby improvements in this efficiency are possible through suitable flank profiles and / or the choice of material for the rotor flanks. In addition to the thermodynamic losses, a power loss of 15 96 x 20% = 3% of the total power is generated in the work area. However, this power loss can easily be absorbed and dissipated by the working medium and does not lead to overheating of the rotor.
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