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Einrichtung zum Regeln einer Schraubenradmaschine
Die Erfindung bezieht sich auf eine als Kompressor oder Expansionsmaschine arbeitende Schraubenradmaschine. Eine solche Maschine besteht bekanntlich aus mindestens zwei zusammenarbeitenden Rotoren (männlicher und weiblicher Rotor), die ineinandergreifel1de schraubenförmige Kämme und Nuten aufweisen, und aus einem Gehäuse mit einem Arbeitsraum, der durch die einander schneidenden zylindrischen Gehäusebohrungen für die Rotoren gebildet wird. Dieser Arbeitsraum weist an seinen Enden Abschlusswände und auf der Niederdruck- und Hochdruckseite Durchlässe auf.
Die Rotoren sind so geformt, dass sie bei ihrem Umlauf zusammen mit den Wänden des Arbeitsraumes geschlossene Kammern bilden, welche je aus kommunizierenden Nutabschnitten von zwei zusammenarbeitenden Rotoren bestehen und ihr Volumen beim Umlauf der Rotoren ändern. Im Hinblick darauf, dass die Maschine ein Druckverhältnis von solcher Höhe erhalten soll, dass sie als Kompressor oder als Expansionsmaschine verwendet werden kann, hat es sich als zweckmässig erwiesen, jeden Rotor mit mindestens drei Kämmen auszustatten.
Bei bekannten Schraubenradmaschinen der beschriebenen Art besteht das Problem, die Menge des die Maschine durchsetzenden Arbeitsmediums zu regeln. Die Erfindung zielt darauf ab, dieses Problem zu lösen. Zu diesem Zweck ist die Maschine erfindungsgemäss mit einstellbaren Abschlussorganen versehen, die sich in der niederdruckseitigen Abschlusswand befinden und mit dem Niederdruckkanal in Verbindung stehen. Mit diesen Abschlussorganen können die geschlossenen Kammern vom Niederdruckkanal abgetrennt werden, bevor die Kämme der Rotoren ihren Eingriff beendet haben. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Menge des Arbeitsmediums einem Volumen des Kompressors entspricht, das kleiner ist als das Maximalvolumen. Das Arbeitsmedium wird zuerst auf das Maximalvolumen der geschlossenen Kammern expandiert und sodann in der üblichen Weise wieder komprimiert.
Bei dieser Art von Maschinen ist es daher möglich, die Menge des Arbeitsmediums in einfacher Weise einzustellen.
Bei einem Ausführungsbeispielsind diese Abschlussorgane von zumindest einem axial abhebbaren Ventil gebildet, das eine stufenweise Anderung der Menge des die Maschine durchsetzenden Arbeitsmediums er- möglicht. Vorzugsweise umfassen die Abschlussorgane zumindest je ein abhebbares Ventil in jenen Teilen der hochdruckseitigen Abschlusswand, welche gegen die einzelnen Rotorenden abdichten.
Bei einem andern Ausführungsbeispiel der Erfindung sind radial verstellbare Schieber vorgesehen, mit deren Hilfe eine stufenweise Einstellung der Menge des die Maschine durchsetzenden Arbeitsmediums möglich ist. Vorzugsweise ist dabei zumindest je ein Schieber in jenen Teilen der niederdruckseitigen Abschlusswand angeordnet, welche gegen die einzelnen Rotorenden abdichten.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die Abschlussorgane durch zumindest einen in einer geraden Führung verschiebbaren Schieber gebildet, wobei die Führung mit der Ebene durch die Achsen der Rotoren einen Winkel einschliesst. Durch solche Abschlussorgane kann die Menge des die Maschine durchsetzenden Arbeitsmediums kontinuierlich geändert werden.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel umfassen die einstellbaren Abschlussorgane zumindest einen in Umfangsrichtung um die Achse eines Rotors verdrehbaren Schieber, der es ermöglicht, die die Maschine durchsetzende Menge des Arbeitsmediums kontinuierlich zu ändern. Infolge des beschränkten Raumes zwi- schen den Rotorachsen ist es zweckmässig, nur einen um eine der Rotorachsen verdrehbaren Schieber anzuordnen. Für einige Zwecke kann es sich aber empfehlen, um jede dieser Achsen einen Schieber anzuord-
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nen, doch ist dann die radiale Erstreckung eines solchen Schiebers sehr beschränkt.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele von Schraubenradkompressoren gemäss der Erfindung dargestellt. Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel, zu dem Fig. 2 einen in Richtung der Pfeile 2-2 in Fig. 1 gesehenen Querschnitt darstellt. Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel und Fig. 4 stellt wieder einen in Richtung der Pfeile 4-4 in Fig. 3 gesehenen Schnitt dar. Fig. 5 ist ein teilweise geschnittener Aufriss einer dritten erfindungsgemässen Schraubenradmaschine, zu dem Fig. 6 einen in Richtung der Pfeile 6-6 in Fig. 5 gesehenen Querschnitt zeigt. Fig. 7 ist ein Längsschnitt durch einen Teil eines weiteren Ausführungsbeispiels und Fig. 8 ein zugehöriger, in Pfeilrichtung 8-8 in Fig. 7 gesehener Schnitt.
Fig. 9 zeigt einen Längsschnitt durch einen Teil eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung und Fig. 10 stellt wieder den zugeordneten Querschnitt, gesehen in Richtung der Pfeile 10-10 in Fig. 9 dar.
Bei allen dargestellten Beispielen ist der männliche Rotor 20 mit im wesentlichen konvexen schraubenförmigen Kämmen 22 versehen, die mit einem weiblichen Rotor 24 zusammenwirken, der mit im wesentlichen konkaven schraubenförmigen Kämmen 26 ausgestattet ist. Die Rotoren 20 und 24 befinden sich in einem Gehäuse 28, das einen Arbeitsraum umschliesst, der durch die einander schneidenden zylindri- schen Bohrungen 30, 32 für die Rotoren gebildet wird. Das Gehäuse 28 weist ferner Abschlusswände 34,36, welche den Arbeitsraum begrenzen und gegen die Enden der Rotoren 20,24 abdichten, sowie Niederdruckund Hochdruckdurchlässe 38, 40 auf, die mit einem Niederdruck- bzw. einem Hochdruckkanal 42, 44 in Verbindung stehen.
Die Rotoren 20,24 sind in Lagern 46,48 gelagert und mit einem Synchronisiergetriebe 50 ausgestattet, welches die Rotoren 20,24 derart kuppelt, dass sie bei der Drehung niemals miteinander in direkte mechanische Berührung kommen. Der männliche Rotor 20 ist ferner mit einem Wellenstummel 52 versehen, der von einem ausserhalb des Kompressors angeordneten, nicht dargestellten Motor angetrieben wird.
Um die Abmessungen des den Einlass bildenden Niederdruckdurchlasses 38 zu ändern und auf diese Weise die in den Arbeitsraum eingesaugte Menge an Arbeitsmedium einstellen zu können, sind in der niederdruckseitigen Abschlusswand 34 einstellbare Abschlussorgane vorgesehen. Diese Abschlussorgane können gemäss den Zeichnungen verschiedenartig gestaltet werden.
In den Fig. 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bei welchem der Durchlass 38 sowohl durch axiale als auch durch radiale Öffnungen gebildet wird. Dieser Durchlass 38 hat nämlich einerseits eine feste Begrenzung 54,56 und 58, die das kleinste Eintrittsvolumen festlegt, auf das der Kompressor eingestellt werden kann, und anderseits sind in den gegen die Endflächen der Rotoren 20,24 abdichtenden Teilen der Abschlusswand 34 mehrere axial anhebbare Ventile 60 bzw. 62 vorgesehen. Durch Öffnen dieser Ventile 60,62 kann das Eintrittsvolumen des Kompressors stufenweise bis zu einem Maximalvolumen vergrössert werden, das erreicht wird, wenn alle Ventile 60,62 geöffnet sind.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist der männliche Rotor 20 mit vier Kammern 22 und der weibliche Rotor 24 mit sechs Kammern 26 ausgestattet. Infolgedessen beträgt die Umlaufgeschwindigkeit des weiblichen Rotors 24 nur 2/3 jener des männlichen Rotors 20, so dass die Ventile 62, welche mit dem weiblichen Rotor 24 zusam- menwirken, in kleineren Winkelabständen als die mit dem männlichen Rotor 20 zusammenwirkenden Ventile 60 angeordnet werden müssen.
Der Kompressor arbeitet auf folgende Weise : Der Wellenstummel 52 wird von einem nicht dargestellten Motor angetrieben, so dass der männliche Rotor 20 in Richtung des Pfeiles 64 rotiert ; zugleich wird der weibliche Rotor über das Synchronisiergetriebe 55 in Richtung des Pfeiles 66 in Umlauf versetzt. Die Rotoren 20,24 drehen sich daher in bezug aufeinander in solcher Weise, dass fortlaufend zwei kommunizierende Rotornuten durch Verschiebung des Eingriffspunktes zwischen zwei Kämmen 22,26 in Richtung von der niederdruckseitigen Abschlusswand 34 zur hochdruckseitigen Abschlusswand 36 zum Niederdruckdurchlass 38 und Niederdruckkanal 42 hin öffnen. Auf diese Weise gelangt vom Niederdruckstutzen aus Arbeitsmedium in die Rotornuten.
Infolge der nur beschränkten lichten Weite des Durchlasses 38 werden aber, wenn die Kämme 22,26 die Begrenzung 54,56 des Durchlasses passieren, die Nuten vom Niederdruckkanal 42 abgetrennt, bevor der Eingriffspunkt zwischen den Kämmen 22,26 die hochdruckseitige Abschlusswand 36 erreicht hat, d. h. bevor die Nuten vollständig frei liegen und ihr grösstes Volumen aufweisen.
Beim Umlauf der Rotoren 20, 24 wird daher nach Passieren der Durchlassbegrenzung dieser Eingriffspunkt weiter zur hochdruckseitigen Abschlusswand hin verschoben und das Volumen der nun abgeschlossenen Nuten vergrössert, ohne dass ein weiterer Zutritt von Arbeitsmedium vom Niederdruckkanal 52 her stattfinden kann. Infolgedessen wird das in den Nuten eingeschlossene Arbeitsmedium expandiert und gleichzeitig in Umfangsrichtung um die Achsen der Rotoren 20,24 umgewälzt, bis die Nuten ihr maximales Volumen erreichen.
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Nach dem erneuten Eingriff der Kämme 22,26 an der niederdruckseitigen Abschlusswand erfolgt dann eine kontinuierliche Kompression des Arbeitsmediums in den Nuten. Dabei wird das expandierte Arbeitsmedium zunächst auf den Eintrittsdruck komprimiert ; anschliessend setzt sich die Kompression so lange fort, bis die Nuten wieder gegen den Hochdruckkanal 44 geöffnet werden, wenn die Kämme 22, 26 die Begrenzung des Durchlasses 40 passieren. Durch Öffnen der Ventile 60, 62 kann das Eintrittsvolumen des Kom pressors stufenweise so geändert werden, dass eine gute Einstellung der Menge des die Maschine durchsetzenden Arbeitsmediums möglich ist.
In den Fig. 3 und 4 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem der Durchlass 38 ebenfalls sowohl axial als auch radial verlaufende Teile aufweist. Dieser Durchlass 38 hat wieder eine feste Begrenzung 54, 56 und 58, die das kleinste Eintrittsvolumen festlegen, auf welches der Kompressor eingestellt werden kann. Ferner sind mehrere bewegliche Schieber 68 bzw. 70 in den gegen die Endflächen der Rotoren 20, 24 abdichtenden Teilen der Abschlusswand 34 vorgesehen. Durch Öffnen dieser Schieber 68,70 kann das Eintrittsvolumen des Kompressors stufenweise bis zu einem nach Öffnen aller Schieber erreichbaren Maximalwert geändert werden.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist der männliche Rotor 20 mit vier Kämmen 22 und der weibliche Rotor 24 mit sechs Kämmen ausgestattet, so dass die Drehzahl des weiblichen Rotors 24 wieder nur 2/3 der Drehzahl des männlichen Rotors 20 beträgt und die dem weiblichen Rotor 24 zugeordneten Schieber deshalb in kleineren Winkelabständen angeordnet sein müssen als die mit dem männlichen Rotor 20 zusammenwirkenden Schieber 68.
In den Fig. 5 und 6 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Schraubenradmaschine mit einem axialen Durchlass 38 dargestellt. Die Erstreckung dieses Durchlasses in Umfangsrichtung wird durch zwei Schieber 72, 74 festgelegt, welche in der niederdruckseitigen Abschlusswand angeordnet und in Richtungen beweglich sind, die im wesentlichen rechte Winkel mit der die Achsen der Rotoren 20, 24 enthaltenden Ebene einschliessen. Durch Bewegung dieser Schieber 72,74 kann jene Winkellage der Rotoren 20, 24 in bezug aufeinander eingestellt werden, bei welcher die Nuten gegen den Niederdruckkanal 42 abgesperrt werden, wodurch das Eintrittsvolumen des Kompressors verändert werden kann.
Die Fig. 7 und 8 zeigen ein Ausführungsbeispiel mit nur einem axialen Durchlass 38. Dieser Durchlass 38 weist in dem mit dem männlichen Rotor 20 zusammenwirkenden Teil der niederdruckseitigen Abschlusswand 34 eine feste, im wesentlichen radial verlaufende Begrenzung 54 auf. Diese legt die Winkellage der Rotoren 20, 24 fest ; bei welcher die Nuten bei dem kleinstrnöglicnen Eintrittsvolumen vom Niederdruckkanal 42 abgetrennt werden. In dem mit dem weiblichen Rotor 24 zusammenwirkenden Teil der niedruckseitigen Abschlusswand 34 befindet sich ein in Umfangsrichtung um die Achse des weiblichen Rotors 24 verdrehbarer Schieber 76. Dieser Schieber 76 hat die Form eines Ringsegmentes und ist mit einer im wesentlichen radialen Kante 78 versehen, die mit den Kämmen 26 zusammenwirkt.
Durch Verdrehung des Schiebers 76 und damit der Kante 78 um die erwähnte Achse kann jene Winkellage der Rotoren 20, 24ein- gestellt werden, bei welcher die Nuten gegen den Niederdruckkanal 42 abgesperrt werden, wodurch das Eintrittsvolumen des Kompressors geändert werden kann.
Die Fig. 9 und 10 zeigen ein Ausfünrungsbeispiel, bei dem der Durchlass 38 sowohl axiale als auch radiale Öffnungen aufweist. Der Durchlass 38 ist in dem mit dem weiblichen Rotor 24 zusammenwirkenden Teil der niederdruckseitigen Abschlusswand 34 mit einer feststehenden, im wesentlichen radialen Begrenzung 56 und ferner mit einer feststehenden Begrenzung 58 in der axial verlaufenden Gehäusefläche ausgestattet. Diese Begrenzungsteile 56, 58 sind für jene Winkellage der Rotoren 20, 24 bestimmend, in welcher die Nuten beim kleinstmöglichen Eintrittsvolumen vom Niederdruckkanal 42 getrennt werden.
In den mit dem männlichen Rotor 20 zusammenwirkenden Teilen der niederdruckseitigen Abschlusswand 34 befindet sich ein in Umfangsrichtung um die Achse des männlichen Rotors 20 verdrehbarer Schieber 80. Dieser Schieber hat die Form eines Ringsegmentes und ist mit einer im wesentlichen radialen Kante 82 versehen, die mit den Kämmen 22 zusammenwirkt. Durch Verdrehung des Schiebers 80 und damit der Kante 82 um diese Achse kann die Winkellage der Rotoren 20,24 eingestellt werden, bei welcher die Nuten vom Niederdruckkanal 42 abgetrennt werden, wodurch das Eintrittsvolumen des Kompressors verändert werden kann. Insbesondere hat es sich bei einem um die Achse des männlichen Rotors 20 verdrehbaren Schieber als zweckmässig erwiesen, den Durchlass 38 sowohl mit axialen als auch mit radialen Einströmöffnungen auszustatten.
Auf diese Weise kann eine Behinderung des durch den Durchlass 38 strömenden Mediums durch den bei grossen Eintrittsvolumen in den Niederdruckkanal 42 hineinragenden Teil des Schiebers 80 vermieden werden.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern lässt noch verschiedene Abwandlungen und weitere Ausgestaltungen der Schraubenradmaschine zu.