DE102005037729A1

DE102005037729A1 - Joule process engine, has screw compressor and screw expander, each with rotor provided with twelve screw pistons with convex circular arc profile in cross section where rotors are made from aluminum alloy as precision pressure cast part

Info

Publication number: DE102005037729A1
Application number: DE200510037729
Authority: DE
Inventors: Albrecht Kayser
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2005-08-09
Publication date: 2007-02-15

Abstract

The engine has a screw compressor and a screw expander, each provided with a rotor (I, II). One of the rotors includes 12 screw pistons with a convex circular arc profile in rotor cross section, and 12 screw recesses. The rotors are made from aluminum alloy as precision pressure cast part and include reinforcing ribs (17, 18) integrally cast at a central pipe. Cooling oil is centrifugally filled between the reinforcing ribs and below the screw recesses. An independent claim is also included for an apparatus for manufacturing a ceramic tiles for rotors of a screw expander.

Description

Dies ist eine Zusatzanmeldung zu 10 2005 005 347.5 „ Rotorprofile für trockene Schraubenkompressoren", [1], in der das Konstruktionsprinzip der neuartigen Schraubkolben- und -nutenprofile zeichnerisch und formelmäßig festgelegt ist. Leider sind diese Profile entgegen der Behauptung in der Schrift mit groben Blaslöchern behaftet, die ihren Einsatz auf Rotoren mit kleinen Schraubkolbenzahlen i und z für nicht ratsam erscheinen lassen. Das Prinzip kann aber auf Rotoren mit beliebig vielen Schraubkolben und -nuten angewendet werden. Bei hoher Schraubkolbenzahl wandert die Dichtlinie mit den Gewindenuten auf dem Rotor nach außen, was bedeutet, daß die durch die Blaslöcher verursachten Energieverluste abnehmen. Bei einer Maschine mit je 12 Schraubkolben auf Rotor I und II stellen letztere, wie 1 zeigt, großdurchmessrige Rohre mit schraubenförmig gewellter Wand dar. Die Blaslochgröße relativ zur Arbeitsfläche nimmt ab. Besonders effektiv ist aber, daß auch die den Verlust verursachenden Differenzdrücke zwischen benachbarten Schraubnuten reziprok zu 2i sinken. Beides zusammen bewirkt den Rückgang der Blaslochverluste. Von i = 10 an sind sie tolerierbar. Beim 12 zu 12-Kompressor betragen sie nur noch 3 bis 4 % der aufgebrachten Energie.This is an additional application to 10 2005 005 347.5 "Rotor profiles for dry screw compressors", [1] in which the design principle of the novel screw and groove profiles is defined graphically and in terms of formulas Unfortunately, these profiles are contrary to the assertion in the publication with coarse blowholes However, this principle can be applied to rotors with any number of threaded pistons and grooves, but with a high number of screw pistons, the sealing line moves outwards with the thread grooves on the rotor. which means that the energy losses caused by the blowholes decrease.With a machine with 12 screw pistons each on rotor I and II, the latter, such as 1 shows large diameter pipes with a helically corrugated wall. The blow hole size relative to the work surface decreases. It is particularly effective, however, that also the loss-causing differential pressures between adjacent screw grooves decrease reciprocally to 2i. Both together causes the loss of blowhole losses. From i = 10, they are tolerable. At the 12 to 12-compressor, they account for only 3 to 4% of the applied energy.

Wenn auch die Maßnahme „hohe Schraubkolbenzahl" als unangenehme Nebenwirkung die spezifische Förderleistung der Schraubenarbeitsmaschine senkt, so rettet sie doch die außerordentlichen Vorteile der neuen Profilart und erzeugt neue positive Merkmale, die dem genannten Mangel entgegenwirken, was zusammen den Nachteil überwiegt. In der Schrift wird der Kompressor als durchkonzipierte Arbeitsmaschine gezeigt, und für den Expander wird dargestellt, daß die Nutzung von Hochtechnologiekeramik rationell umsetzbar und im Gegensatz zur Gasturbine erfolgversprechend erscheint.If also the measure "high Schraubkolbenzahl" as unpleasant Side effect the specific delivery rate lowering the screw machine, it saves the extraordinary benefits the new profile type and creates new positive features that the counteract mentioned deficiency, which together outweighs the disadvantage. In the Scriptures, the compressor is a well-designed machine shown, and for The expander is shown that the use of high technology ceramics rationally feasible and unlike the gas turbine promising appears.

Als erster Vorteil ist anzuführen, daß die Rotoren sich wegen der einfachen, klaren geometrischen Form kostengünstig herstellen lassen. Als zweites kommt hinzu, daß sie sich in einzigartiger Weise von innen kühlen lassen. Trotz der für die berührungsfreie Abdichtung notwendigen Erzeugung und Wahrung von Mikrolaufspalten darf man auf druckgegossene Rotoren aus Aluminiumlegierung zurückgreifen, was ihrer Großserienfertigung für künftige Schraubenleichtmotoren mit ebenso gekühlten in Aluminium gegossenen Gehäusen sehr entgegenkommt. Die großdurchmessrigen Hohlrotoren können mit inneren an ein Zentralrohr und an die Wände der als Schraubnuten vorliegenden Arbeitsräume, unter denen sie spiralig herlaufen, angegossenen Verstärkungsrippen versehen werden. Das macht die Rotoren robust und steif und prädestiniert sie für größte Baulängen und höchste Drehzahlen, um den Verlust an Förderkapazität zum großen Teil wieder wettzumachen. Dabei soll zentrifugal nach außen getriebenes dünnes Kühlöl in durch Überlaufbohrungen tiefenmäßig gesteuerten Gräben zwischen den Verstärkungsrippen unter den Arbeitsräumen durchfließen und den Rotor mit thermostatisch geregelter niedriger Rückkühltemperatur vor zu starker Wärmedehnung bewahren, ihn auf jeden Fall aber mit kontrollierter Dehnung laufen lassen.When first advantage should be given that the Rotors cost-effectively manufacture because of the simple, clear geometric shape to let. The second thing is that they are unique to cool from the inside to let. Despite the for the non-contact Sealing necessary generation and maintenance of micro-clearance gaps may one rely on die-cast rotors of aluminum alloy, what her mass production for future helical motors with equally cooled in aluminum cast housings very accommodating. The large diameter Hollow rotors can with inner to a central tube and to the walls of the present as Schraubnuten Workrooms, under which they run spirally, cast reinforcing ribs be provided. This makes the rotors robust and stiff and predestines them for largest lengths and highest Speeds, to the large part the loss of production capacity again make up. It should centrifugally driven outward thin cooling oil in overflow holes profoundly controlled trenches between the reinforcing ribs under the workrooms flow through and the rotor with thermostatically controlled low recooling temperature too much thermal expansion keep it, but in any case run it with controlled elongation to let.

Die 4 läßt in einem Längsschnitt durch den 12 zu 12-Schraubenkompressor einen weiteren Vorteil erkennen, den die dicken Hohlrotoren bieten. Man kann ihre Radial- und Axialgleitlager in sie hinein auf von den gekühlten Gehäusestirnwänden vorragende Stumpfwellen verlegen, die direkt angegossen und als Mehrflächengleitlager sowie Axialgleitlager bearbeitet sein können. Die Innenlagerung der Rotoren verkürzt die Maschine und kompensiert die für den Förderkapazitätsausgleich erfolgte Rotorverlängerung. Außerdem vereinfacht sie die Montage der Arbeitsmaschine und erlaubt, auch bei großen Exemplaren auf eine Teilung des Gehäuses zu verzichten.The 4 lets in a longitudinal section through the 12 to 12-screw compressor recognize another advantage offered by the thick hollow rotors. You can move their radial and axial plain bearings in them on projecting from the cooled housing end walls stub shafts, which can be cast directly and machined as a multi-surface plain bearings and thrust bearings. The inner bearing of the rotors shortens the machine and compensates for the rotor extension, which is used for capacity compensation. It also simplifies the assembly of the machine and allows to dispense with a division of the housing, even in large copies.

Zwei weitere Umstände verkürzen den Kompressor. An seiner Antriebsseite wird das Getriebe installiert, indem in jeden der Rotoren eines der ineinandergreifenden Synchronzahnräder mit Kerbverzahnung eingesetzt wird, das nun an seiner Stelle den Lagerbock aufnimmt. Eines der Zahnräder enthält einteilig die Kompressorantriebswelle, die durch das Zentrum des Lagerbocks nach außen rausgeführt ist. Die Laufspalte der Rotoren müssen rechts und links neben den gasführenden Schraubkolben und – nuten gegen Gasdurchtritt abgedichtet werden. Dazu sind an die Rotoren kurze Hohlwellenstümpfe angegossen, auf denen doppelte Gewindewellendichtungen an Gegenflächen des Gehäuses abdichten. Aufgrund der geringen Spaltweite und der hohen Umfangsgeschwindigkeit genügen selbst bei sehr dünnem Öl schon sehr kurze Fördergewinde. Bei Stillstand der Maschine übernehmen bei Betrieb zentrifugal abgehobene Aufsetzdichtringe die Trennung von Gas- und Ölbezirk. Eine Gewindwellendichtung mit Stillstandsaufsetzdichtring sperrt auch im Laufspalt der Antriebswelle das Öl ab. Letztlich dient dasselbe dünne Maschinenöl der Rotorkühlung, der Gehäusekühlung, der Lager- und der Getriebeschmierung sowie der axialen Maschinenabdichtung, und eine thermostatische Rückkühlanlage hält seine Temperatur niedrig und seine Viskosität und Kühlfähigkeit in engen Grenzen.Two further circumstances shorten the compressor. On its drive side, the transmission is installed, in each of the rotors of one of the intermeshing synchronizer gears with Serration is used, which now in its place the bearing block receives. One of the gears contains in one piece the compressor drive shaft passing through the center of the Bearing blocks to the outside get out is. The running column of the rotors must be right and left next to the gas-conducting Screw pistons and grooves sealed against gas passage. These are the rotors cast short hollow shaft stumps, on which double thread shaft seals on mating surfaces of the housing caulk. Due to the small gap width and the high peripheral speed suffice even with very thin oil already very short conveyor thread. Take over at standstill of the machine when operated centrifugally raised Aufsetzdichtringe the separation of Gas and oil district. A thread shaft seal with standstill sealing ring locks also in the running gap of the drive shaft, the oil. Ultimately, the same serves Rotor cooling thin engine oil, the Housing cooling, the Bearing and gear lubrication and axial machine sealing, and a thermostatic recooling system keeps his temperature low and its viscosity and cooling ability within narrow limits.

Mit einem zweistufigen Kompressor und einem großen Expander empfiehlt sich die neue Schraubenarbeitsmaschine für Motoren nach dem Jouleprozeß der Gasturbine, obwohl sie auch für selbstständige Aggregate nutzbar ist. Im Expander des Jouleprozeßmotors kommt aber eine weitere günstige Gestaltungsmöglichkeit der neuen Profile zum Tragen. Sie können relativ leicht mit einer sehr dicken Schicht aus hochwarmfesten Keramikkacheln ausgestattet werden, die im Gegensatz zu den gescheiterten keramischen Turbinenschaufeln gering beansprucht sind, viel günstigere Bauformen aufweisen und deshalb kaum Probleme machen dürften.With a two-stage compressor and a large expander, the new screw machine for engines after the Jouleprozeß the gas turbine recommends, although they also for independent units can be used. In the expander of Jouleprozessmotors but another favorable design possibility of new profiles comes into play. They can be relatively easily equipped with a very thick layer of high-temperature ceramic tiles, which, in contrast to the failed ceramic turbine blades are lightly stressed, have much cheaper designs and therefore should hardly cause problems.

Die keramische Kachelung des Expanders erlaubt bei gleichzeitiger Senkung der Kühlverluste eine starke Anhebung der Expandereintritts- und damit der Prozeßhöchsttemperatur, die wiederum die Effektivität und Leistung des Prozesses steigert. In Dubbel 17, Seite R 78, [2], ist der Joule-prozeß für die Gasturbine analysiert. Die für die Strömungsarbeitmaschinen angesetzten Teilwirkungsgrade werden von den neuen Schraubenaggregaten mit Sicherheit erreicht. In dem Vergleich werden Gasmotoren mit und ohne Gegenstromwärmetauscher nebeneinander betrachtet. Solche „mit" erzielen deutlich bessere effektive Wirkungsgrade als die „ohne", während ihre spezifische Leistung etwas kleiner ausfällt. Besonders stark steigen die Werte aber mit der Turbineneintrittstemperatur, jetzt Expandereintrittstemperatur. Der Expander braucht keine hochbeanspruchten Sonderwerkstoffe, sondern wird aus einfachen Aluminiumlegierungen hergestellt, wunderbar gekühlt und kann sogar durch dicke Keramikkacheln geschützt werden.The ceramic tiling of the expander allows simultaneous lowering the cooling losses one strong increase of the expander entry and thus the maximum process temperature, in turn, the effectiveness and performance of the process increases. In Dubbel 17, page R 78, [2], is the joule process for the gas turbine analyzed. The for the turbomachines Partial efficiencies are used by the new screw units achieved with certainty. In the comparison, gas engines with and without countercurrent heat exchanger considered side by side. Such "with" achieve significantly better effective Efficiencies as the "without" while their specific Performance is a bit smaller. However, the values increase particularly strongly with the turbine inlet temperature, now expander inlet temperature. The expander does not need any highly stressed special materials, but is made of simple aluminum alloys, wonderful cooled and can even be protected by thick ceramic tiles.

Metallische Gegenstromwärmetauscher sind temperaturbegrenzt keramischen Exemplaren ebenfalls unterlegen. Um den Vorteil des keramischen Expanders voll ausnutzen zu können, wird empfohlen, die Konstruktion und Entwicklung eines neuartigen kompakten, stoßsicher und wärmeisoliert gekapselten Gegenstromwärmetauschers aus gutleitendendem Siliziumkarbid nach einer Parallelanmeldung -- ---- --- ---.-, [3], voranzutreiben. Bei Extrapolation der Ergebnisse der im Dubbel dargstellten Prozeßanalyse zu den mit dem neuen Schraubenexpander und dem neuen Rekuperator realisierbaren Gastemperaturen macht man für den Jouleprozeßschraubenmotor effektive Wirkungsgrade von über 50 % aus. Da man auch neben der Brennstoffzelle immer noch Verbrennungsmotoren einsetzen werden muß, gebieten die mögliche Brennstoffeinsparung und die ebenfalls gegebenen Vorteile bei der Schadstoffunterdrückung durch den Schraubenmotor, diesen zu entwickeln, zumal sich das allein auf bereits vorhandene, nur der speziellen Anwendung anzupassende, Techniken zu stützen braucht. Im Leistungsbereich bis etwa 5000 KW kann der Jouleprozeßschraubenmotor als rationelle, preiswerte Antriebsmaschine im KFZ-, Luftfahrt-, Schiffs-, Eisenbahn- und Stationärsektor Energieeinsparung und Schadstoffverminderung leisten.Metallic Counterflow heat exchanger are temperature-limited ceramic copies also inferior. To take full advantage of the ceramic expander, is recommended the design and development of a novel compact, shockproof and thermally insulated encapsulated countercurrent heat exchanger from good conductive silicon carbide after a parallel application - ---- --- ---.-, [3], to advance. When extrapolating the results the process analysis presented in Dubbel to those with the new one Screw expander and the new recuperator realizable gas temperatures you do it for the Joule process screw motor effective efficiencies of over 50% off. Because you still have combustion engines in addition to the fuel cell must be used command the possible Fuel savings and the benefits also given in the Pollutant suppression by the screw motor to develop this, especially since that alone on already existing, only the special application to be adapted To support techniques needs. In the power range up to about 5000 KW, the Joule process screw motor as a rational, low-cost drive machine in the automotive, aviation, Ship, railway and stationary sector Energy saving and pollutant reduction afford.

Die 1 bis 9 srellen die Erfindung dar. Im Einzelnen zeigen dieThe 1 to 9 are the invention. In detail, the show

1 einen Querschnitt durch einen 12 zu 12-Kompressor nach 10 2005 005 347.5, die 1 a cross section through a 12 to 12-compressor after 10 2005 005 347.5, the

2 eine Bildserie von der schrittweisen Rotation der Rotoren I und II innerhalb einer Schraubkolbenteilung (Δφ = 30°) mit eingetragener, aber auch 3-fach vergrößert herausgezeichneter Dichtlinie, die 2 a series of images of the stepwise rotation of the rotors I and II within a Schraubkolbenteilung (Δφ = 30 °) with registered, but also 3 times enlarged drawn out sealing line, the

3 einen Querschnitt durch den Schraubenkompressor, jedoch mit in die Rotoren eingegossenen Verstärkungsrippen, die 3 a cross section through the screw compressor, but with cast into the rotors reinforcing ribs, the

4 einen Längsschnitt durch den Schraubenkompressor mit achtzehn von den 24 Schraubkolben im Eingriff in achtzehn von den 24 Schraubnuten, die 4 a longitudinal section through the screw compressor with eighteen of the 24 Schraubkolben in engagement in eighteen of the 24 Schraubnuten, the

5 einen Querschnitt durch eine prinzipiell gleichen Schraubenexpander mit Schichten von Keramikkacheln auf den kühlöldurchströmten Rotoren (III und IV) und im Gehäuse, die 5 a cross section through a basically same screw expander with layers of ceramic tiles on the Kühlöldurchströmten rotors (III and IV) and in the housing, the

6 eine Keramikkachel des Rotors III in sechs Ansichten, die 6 a ceramic tile of the rotor III in six views, the

7 einen Querschnitt durch eine zusammengesetzte Intrudierform für Keramikgrünlige eines Stranges von Kacheln nach 6, die 7 a cross-section through a composite Intrudierform for Keramikgrünlige a strand of tiles after 6 , the

8 einen Querschnitt durch eine Zwischenbearbeitungsvorrichtung für gebrannte Kachelstränge mit Aufmaß, die 8th a cross section through an intermediate processing device for fired tile strands with allowance, the

9 eine Frontansicht einer Vorrichtung für die Endhonung der Präzisionskacheln. 9 a front view of a device for the final honing of precision tiles.

In 1 sieht man die Rotoren I und II als Rohre mit schraubenförmig gewellter Wand (1/2). Im Rotorquerschnitt haben die 12 Schraubkolben (3) von I ein konvexes Kreisbogenprofil (4) und die 12 Schraubnuten (5) ein konkaves Kreisbogenprofil (6). Bei II haben die Schraubkolben (7) ebenfalls ein konvexes Kreisbogenprofil (8), die Schraubnuten (9) aber das nach 10 2005 005 347.5 geformte Muldenprofil (10). Die beiden Gehäuse (11/12) verschmelzen an den Treffkanten (13 und 14) miteinander. Da wo die Schraubkolben (3/7) die Treffkante (13) quasi berühren, läuft bei Rotation ein schädliches, hier nicht sichtbares, Blasloch mit dem Quasiberührungspunkt an der Treffkante und dem Schraubkolben sowie der angrenzenden Schraubnut, vor dem Schraubkolben liegend, entlang. An der Treffkante (14) entlang bewegen sich mit den Schraubkolben (3/7) gleichartige Bläslöcher, die aber, weil im Saugbereich, nicht schädlich sind. Die Blaslöcher liegen jeweils zwischen den Schraubkolben und den in die axial voreilende Schraubnut eintauchenden Gegenschraubkolben. Bei Rotation der Rotoren um 270° laufen sie mit der Dichtstelle jeweils sehr rasch axial von der Saug- zur Druckseite der Maschine oder umgekehrt, je nachdem, ob sie sich an der Treffkante (13 oder 14) befinden. Die Kreisbogenprofile der Schraubkolben erweisen sich als ungünstig bezüglich der Blaslochgröße. Bei hohen Schraubkolbenzahlen i stört das jedoch nur noch wenig.In 1 you can see the rotors I and II as tubes with helically corrugated wall ( 1 / 2 ). In the rotor cross section, the 12 screw pistons ( 3 ) of I a convex arc profile ( 4 ) and the 12 screw grooves ( 5 ) a concave arc profile ( 6 ). At II, the screw pistons ( 7 ) also a convex arc profile ( 8th ), the screw grooves ( 9 ) but according to 10 2005 005 347.5 shaped trough profile ( 10 ). The two housings ( 11 / 12 ) merge at the hitting edges ( 13 and 14 ) together. Where the screw pistons ( 3 / 7 ) the meeting edge ( 13 ) virtually touch, runs during rotation a harmful, not visible here, blow hole with the Quasir contact point at the hitting edge and the Schraubkolben and the adjacent Schraubnut, lying in front of the screw piston, along. At the meeting point ( 14 ) move along with the screw ( 3 / 7 ) similar blow holes, but because in the suction range, are not harmful. The blow holes are each between the screw and the dipping into the axially leading screw nut Gegenschraubkolben. When the rotors rotate by 270 °, they run with the sealing point very quickly axially from the suction to the pressure side of the machine or vice versa, depending on whether they are at the hitting edge ( 13 or 14 ) are located. The circular arc profiles of the Schraubkolben prove to be unfavorable with respect to the blow hole size. At high Schraubkolbenzahlen i disturbs but only a little.

Die 2 zeigt an sechs Punkten der Rotorfortdrehung um eine Schraubkolbenteilung, wie sich die Schraubkolben (3/7) und Schraubnuten (5/9) mit, abgesehen von den Fertigungsgrenzen, beliebig engem Spalt (15) berührunglos aneinander vorbeibewegen. Die Dichtlinie (16) der in die Zeichnungsebene projizierten Quasiberührungspunkte der Profile von Rotor I und II, der Punkte des engsten Spaltes, ist in die Serienbilder eingetragen. Zusammen mit den Rotorkonturen (4/10) ist die Dichtlinie (16) aber auch noch dreifach vergrößert herausgezeichnet.The 2 shows at six points of rotor rotation about a Schraubkolbenteilung how the Schraubkolben ( 3 / 7 ) and screw grooves ( 5 / 9 ), with the exception of the production limits, any narrow gap ( 15 ) without touching each other. The sealing line ( 16 ) projected in the plane of the drawing Quasir contact points of the profiles of rotor I and II, the points of the narrowest gap, is entered in the series images. Together with the rotor contours ( 4 / 10 ) is the sealing line ( 16 ) but also three times enlarged.

Die 3 stellt noch einmal den Querschnitt der 1 durch die Schraubenmaschine mit den Rotoren I und II dar, jedoch mit eingegossenen spiralig mit umlaufenden Verstärkungsrippen (17/18) In einem Abteil ist der in jedem Abteil vorhandene, zentrifugal gefüllte, von Kühlöl durchströmte Graben (19) gezeigt, dessen Tiefe von dem angedeuteten Überlaufloch (20) bestimmt wird. Man sieht, daß die Rotorwände (1/2) inklusive der Verstärkungsrippen (17/18) intensiv gekühlt werden.The 3 again represents the cross section of the 1 by the screw machine with the rotors I and II, but with embedded spiral with circumferential reinforcing ribs ( 17 / 18 ) In one compartment is the centrifugally filled trench in each compartment, through which cooling oil flows ( 19 ) whose depth from the indicated overflow hole ( 20 ) is determined. It can be seen that the rotor walls ( 1 / 2 ) including the reinforcing ribs ( 17 / 18 ) are cooled intensively.

Die 4 bringt einen Längsschnitt durch den 12 zu 12-Kompressor mit dem Eingriff von 9 Schraubkolben (3) von Rotor I in 9 Schraubnuten (9) von Rotor II und umgekehrt von 9 Schraubkolben (7) von II in 9 Schraubnuten (5) von I. Das Kühlöl (21) durchströmt die Rotoren I und II, mit Überlaufbohrungen (20) gesteuert, in den zentrifugal entstehenden Gräben (19) zwischen den Rotorwänden (1/2) und den Verstärkungsrippen (17/18). Außerdem durchfließt es auch das Gehäuse (11+12) samt den Frontwänden (22/23) und allen Räumen des Kompressors, außer den gasführenden (5/9/24/25), wobei die beiden letzten Gasein- und -auslaß sind. Die mit Kerbverzahnungen (26/27) in die Rotoren I und II eingesetzten, bei (30) ineinandergreifenden Synchronzahnräder (28/29) verlängern die Rotoren bis über die an die antriebsseitige Frontwand (22) angegossenen Lagerböcke oder Stumpfwellen (31/32), an welche radiale Vierflächengleitlager (33) und Axialgleitlager (34) angearbeitet sind. Einstückig und angedreht, trägt das Synchronzahnrad (29) die zentral durch den Lagerbock (32) nach draußen geführte Kompressorantriebswelle (35).The 4 brings a longitudinal section through the 12 to 12-compressor with the intervention of 9 screw pistons ( 3 ) of rotor I in 9 screw grooves ( 9 ) of rotor II and vice versa of 9 screw pistons ( 7 ) of II in 9 screw grooves ( 5 ) of I. The cooling oil ( 21 ) flows through the rotors I and II, with overflow holes ( 20 ), in the centrifugally formed trenches ( 19 ) between the rotor walls ( 1 / 2 ) and the reinforcing ribs ( 17 / 18 ). It also flows through the housing ( 11 + 12 ) together with the front walls ( 22 / 23 ) and all rooms of the compressor, except the gas-carrying ( 5 / 9 / 24 / 25 ), the last two being gas inlet and outlet. The with serrations ( 26 / 27 ) used in rotors I and II, at ( 30 ) intermeshing synchronous gears ( 28 / 29 ) extend the rotors beyond those on the drive-side front wall ( 22 ) cast-on bearing blocks or butt shafts ( 31 / 32 ) to which radial four-surface plain bearings ( 33 ) and axial sliding bearing ( 34 ) are worked on. Integral and turned on, carries the synchronizing gear ( 29 ) centrally through the bearing block ( 32 ) to the outside guided compressor drive shaft ( 35 ).

In radial eingezogene Abschnitte (36) des Gehäuses sind doppelte Fluidfördergewinde (37) eingeschnitten, in denen an die Rotoren angegossene, u. a. die Synchronzahnräder in den Kerbverzahnungen (26/27) tragende Hohlwellen (38) mit engstem Spalt laufen und den Ölraum des Kompressors gegen den Gasraum absperren. Die Rotoren haben eingesetzte Stillstandsaufsetzdichtringe (39), die mit zentrifugal gegen einen Anschlag angehobenen Dichtlippen mitrotieren, welche sich bei Maschinenstillstand aber federangepresst auf an das Gehäuse angedrehte Flächen aufsetzen, um dann das Maschinenöl aus dem Gasraum fernzuhalten. Am Saugende des Kompressors sind die Lagerung und die axiale Abdichtung der Rotoren analog ausgeführt, nur, daß dort keine Synchronzahnräder sondern Kappen (40,41) mit angedrehten Laufwellen (42/43) in sie eingebaut sind. Jeder Rotor wird mit einem Zentralanker (44/45), der in das Synchronzahnrad eingeschraubt und, durch die Kappe (40/41) durchgeführt, in dieser verschraubt ist, zusammengezogen. Die Kompressorantriebswelle ist nach außen hin ebenfalls durch ein, allerdings einfaches, Fluidfördergewinde (46) und einen Stillstandsaufsetzdichtring (47) abgedichtet.In radially drawn sections ( 36 ) of the housing are double Fluidfördergewinde ( 37 ), in which cast on the rotors, including the synchronizing gears in the serrations ( 26 / 27 ) carrying hollow shafts ( 38 ) run with the narrowest gap and shut off the oil space of the compressor against the gas space. The rotors have used standstill sealing rings ( 39 ), which co-rotate with centrifugally raised against a stop sealing lips, which sit in machine downtime but spring-pressed on turned on the housing surfaces, and then keep the machine oil from the gas space. At the suction end of the compressor, the bearing and the axial sealing of the rotors are carried out analogously, except that there are no synchronizing gears but caps ( 40 . 41 ) with rotated running shafts ( 42 / 43 ) are built into it. Each rotor is fitted with a central anchor ( 44 / 45 ), which is screwed into the synchronizing gear and, through the cap ( 40 / 41 ), screwed into this, contracted. The compressor drive shaft is outwardly also by a, but simple, fluid delivery thread ( 46 ) and a standstill sealing ring ( 47 ) sealed.

Die 5 stellt in einem Querschnitt durch einen Expander dar, daß die Rotoren III und IV aus Aluminiumlegierung, wie geschildert, von innen gekühlt, aber mit schraubengängig umlaufenden Schwalbenschwanznuten (48, 49) versehen sind, in die sehr dicke keramische Kacheln (50/51) aus z. B. Cordierit, Pormulit, Dimulit, oder RBSN mit schraubengängig angeschliffenen Rotorprofilen (4/6/8/10) und Schwalbenschwanzfüßen (52/53) eingefädelt sind. Die Kacheln müssen unter folgenden Gesichtspunkten sehr präzise gefertigt werden. Erstens sollen die Spalte zwischen ihnen dehnungsmäßig bei Erreichen der Betriebstemperatur vollständig zugewachsensein, ohne daß die Kacheln überstark aufeinander drücken. Zweitens sollen dann die Laufspalte zwischen den beiden Rotoren und zwischen diesen und dem Gehäuse ein gefordertes Mikrometer-Maß angenommen haben. Und drittens sollen die Kacheln sehr scharfkantig geschliffen sein, damit im Betrieb keine tiefen Kerbfugen zwischen ihnen bestehen bleiben. Das sind strenge Forderungen, die man aber in Großserienfertigungen bei ausreichenden Anstrengungen in der Entwicklung wirtschaftlich erfüllen kann. Die enormen Brennstoffeinsparungen und Schadstoffverminderungen, die mit der Rotorkachelung bei gleichzeitiger keramischer Auskleidung (54) des Expandergehäuses (55) verbunden sind, veranlassen dazu, einen ersten halb laienhaften, sich aber auf bekannte Techniken stützenden Verfahrensvorschlag für die serienmäßige Kachelfertigung in den Figuren (6 bis 9) zu unterbreiten, wenn das vielleicht auch die Einheitlichkeit der Anmeldung stört. Vor einem derartigen Keramikeinsatz sollte man nicht zurückschrecken, sondern ihn ernsthaft versuchen. Andererseits kann der Expander in einem schwächeren Kreisprozeß und bei größeren Kühlverlusten auch ohne Keramik zum Einsatz kommen.The 5 shows in a cross section through an expander, that the rotors III and IV aluminum alloy, as described, cooled from the inside, but with helical circumferential dovetail grooves ( 48 . 49 ) in the very thick ceramic tiles ( 50 / 51 ) from z. As cordierite, Pormulit, Dimulit, or RBSN with helically ground rotor profiles ( 4 / 6 / 8th / 10 ) and swallowtail feet ( 52 / 53 ) are threaded. The tiles must be made very precisely from the following point of view. Firstly, the gaps between them should be fully grown in terms of elongation when the operating temperature is reached, without the tiles overpressing each other. Secondly, then have the running gaps between the two rotors and between these and the housing have adopted a required micrometer level. And third, the tiles should be sharpened very sharp, so that in operation no deep kerfs remain between them. These are strict requirements that can be fulfilled economically in mass production with sufficient efforts in development. The enormous fuel savings and pollutant reductions associated with rotor tiling with simultaneous ceramic lining ( 54 ) of the expander housing ( 55 ), lead to a first semi-amateur, but based on known techniques Proposed method for the standard tile production in the figures ( 6 to 9 ), if that also interferes with the uniformity of the application. One should not shy away from such a ceramic insert, but try it seriously. On the other hand, the expander in a weaker cycle and with larger Kühlver lusts can also be used without ceramics.

Die 6 stellt eine keramische Kachel (50) des Rotors III in sechs Ansichten dar, die wegen der schraubengängigen Verwindung der Kachel kompliziert erscheinen.The 6 represents a ceramic tile ( 50 ) of the rotor III in six views, which appear complicated because of the helical twist of the tile.

Die 7 zeigt einen Querschnitt durch eine Intrudierform (60) für Grünlinge aus kunstharzgebundenem Keramikpulver eines schraubengängig gewundenen Profilstranges von 5 Stück Kacheln. Die Form setzt sich aus vier gewundenen metallischen Halbschalen (61/62/63/64) zusammen, in die der nach dem Kachelprofil inklusive des Schwalbenschwanzfußes mit Bearbeitungsaufmaß geformte Hohlraum (65) eingefräst ist, und die durch ein Außenrohr (66) auf einem Rundschaft (67) zusammengefaßt sind. Alle Wände des Hohlraumes tragen eine Teflongleitschicht (68). Wenn der Binder des eintrudierten Grünlings abgebunden hat, wird letzterer aus der Form herausgeschoben, wobei im Abstand der Kacheln Fixierlöcher (69) in die Schwalbenschwanzsohle im Vorbearbeitungsmaß eingesenkt werden. Danach werden die Kachelstränge keramisch gebrannt.The 7 shows a cross section through a Intrudierform ( 60 ) for green compacts made of resin-bonded ceramic powder of a helically wound profile strand of 5 pieces of tiles. The shape consists of four tortuous metallic half-shells ( 61 / 62 / 63 / 64 ) into which the cavity formed after the tile profile including the dovetail foot with machining allowance ( 65 ), and by an outer tube ( 66 ) on a round shaft ( 67 ) are summarized. All walls of the cavity carry a Teflongleitschicht ( 68 ). When the binder of the eingentrudierten greenware has set, the latter is pushed out of the mold, wherein at the distance of the tiles Fixierlöcher ( 69 ) are dipped into the dovetail sole in Vorbearbeitungsmaß. Thereafter, the tile strands are fired ceramic.

Gemäß 8 werden nach dem Brand acht schraubengängig gewundene Kachelstränge (65) in eine innen mit 8 Schraubgängen (70) mit dem vormaßigen Kreisbogenkopfprofil (4+) der Schraubkolben versehene Hilfstrommel (71) nebeneinander eingelegt und mit Spezialbolzen (72) festgeschraubt. Dann werden die Bohrungen (69) für spätere Fixierbolzen in den Schwalbenschwanzfüßen in genauem Durchmesser und genauen Abständen von innen nachgesenkt, und anschließend wird der Sohlendurchmesser (73) der Schwalbenschwanzfüße an die eingebauten Kachelstränge angedreht und -geschliffen, die danach aus der Hilfstrommel herausgenommen werden, um zu je vier Stück auf ein Hilfsrohr, den sogenannten Kachelstrangträger (74), aufgeklebt und mit von innen durchgesteckten und festgeschraubten Fixierbolzen (69) festgelegt zu werden. Für die Aufklebung hat der Kachelstrangträger (74) vier schraubgängig gewundene Stege (75) von Schwalbenschwanzsohlenbreite und -durchmesser.According to 8th After firing, eight helical tortuous strands ( 65 ) in an inside with 8 screw holes ( 70 ) with the premature circular arc head profile (4+) of the Schraubkolben provided auxiliary drum ( 71 ) are inserted side by side and with special bolts ( 72 ) tightened. Then the holes ( 69 ) for later fixing bolts in the dovetail feet in exact diameter and exact distances from the inside lowered, and then the sole diameter ( 73 ) of the dovetail feet are turned on and ground on the installed tufts of tile, which are then taken out of the auxiliary drum in order to place four of them on an auxiliary tube, the so-called tiled strand carrier ( 74 ), glued and with inserted from inside and screwed fixing pins ( 69 ). For the gluing, the tile strand carrier ( 74 ) four screw-wound webs ( 75 ) of dovetail width and diameter.

Die 9 zeigt eine Queransicht des Hauptteils der Endbearbeitungsvorrichtung. Es ist eine Honbrille (76), durch welche eine Honmaschine den Kachelstrangträger (74) mit den vier aufgebockten Kachelsträngen (65) zu deren Vor- und Endprofilerzeugung in einer unter Schraubkolbensteigung ausgeführten Schraubbewegung mit überlagerter Honschwingung hindurchschraubt. Die Honbrille trägt 20 aufgeschraubte dünne Schneidplatten (77/78a/78b/79/81), deren mit Diamantkörnern besetzte, der Gewindesteigung angepasste, schmale Schneidflächen zusammen das Kachelprofil herstellen. Die Schneidplatten (77) enthalten den Kopfkreisbogen (4) der Schraubkolben (3), die Schneidplatten (78a und 78b) beide den Profilkreisbogen (6) der Schraubnuten (5), die Schneidplatten (79) je zwei radiale Trennkanten (80a und 80b) der Kacheln, und die Schneidplatten (81) je zwei Kachelbodenkreisprofile (82a und 82b), sowie je zwei schräge lineare Seitenkonturen (83a und 83b) der Schwalbenschwanzfüße. Nachdem das Kachelprofil (50) am Kachelstrang (65) angehont ist, wird er orthogonal zur Rotorachse in einzelne Kacheln genauer Länge aufgeteilt. Dazu hat der Kachelstrangträger (74) außen quer zur Achse im Kachellängenabstand periphere Rechtecknuten, in denen zum Schluß Trenn- und danach Präzisionsschleifscheiben ihn umkreisen und die Kacheln scharfkantig auf Länge schneiden.The 9 shows a transverse view of the main part of the finishing device. It is a honing glasses ( 76 ), by which a honing machine the tuftstring carrier ( 74 ) with the four jacked tile strands ( 65 ) screwed to their pre- and Endprofilerzeugung in a executed under Schraubkolbensteigung screwing with superimposed Honschwingung. The glasses wear 20 screwed thin inserts ( 77 / 78a / 78b / 79 / 81 ), their diamond grains occupied, the thread pitch adapted, narrow cutting surfaces together produce the tile profile. The inserts ( 77 ) contain the head arc ( 4 ) of the screw ( 3 ), the inserts ( 78a and 78b ) both the profile arc ( 6 ) of the screw grooves ( 5 ), the inserts ( 79 ) two radial separating edges ( 80a and 80b ) of the tiles, and the inserts ( 81 ) two tile floor profile profiles ( 82a and 82b ), as well as two oblique linear side contours ( 83a and 83b ) of the swallowtail feet. After the tile profile ( 50 ) on the tile strand ( 65 ) is honed orthogonal to the rotor axis into individual tiles of exact length. For this purpose, the tiled strand carrier ( 74 ) outside transverse to the axis in the trough pitch distance peripheral rectangular grooves in which ultimately separation and then precision grinding wheels encircle it and cut the tiles sharp-edged to length.

Literatur:Literature:

[1] Albrecht Kayser, Deutsche Patentanmeldung 10 2005 005 347.5, Rotorprofile für trockene Schraubenkompressoren[1] Albrecht Kayser, German patent application 10 2005 005 347.5, Rotor profiles for dry screw compressors
[2] Dubbel-Taschenbuch für den Maschinenbau, 17. Auflage, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, R 8.2, N. Gasparovic, Gasturbinen, Thermodynamische Grundlagen S. 76–79[2] Dubbel paperback for Mechanical engineering, 17th edition, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, R 8.2, N. Gasparovic, Gas Turbines, Thermodynamic Foundations Pp. 76-79
[3] Albrecht Kayser, Deutsche Patentanmeldung -- ---- --- ---.-, Keramischer Gegen Stromwärmetauscher[3] Albrecht Kayser, German Patent Application - ---- --- ---.-, Ceramic counter current heat exchanger

Claims

Jouleprozeßmotor mit Schraubenkompressor und Schraubenexpander, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren beider Aggregate nach 10 2005 005 347.5 profiliert sind, und zwar mit Schraubkolbenzahlen i ≥ 10 und 0 ≤ z ≤ 4.Jouleprozeßmotor with screw compressor and screw expander, characterized in that the rotors of both units are profiled according to 10 2005 005 347.5, namely with Schraubkolbenzahlen i ≥ 10 and 0 ≤ z ≤ 4.

Jouleprozeßmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Kompressor als auch der Expander als selbstständige Einzelmaschinen ausgeführt werden können.Joule process engine according to claim 1, characterized in that both the compressor and the expander as a self-employed Single machines executed can be.

Jouleprozeßmotor, nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die als Präzisionsdruckgußteile aus Aluminiumlegierung gefertigten Rotoren spiralig mit den Schraubnuten umlaufende, innen an deren Wände sowie an ein Zentralrohr angegossene Verstärkungsrippen enthalten.Joule process engine, according to claim 1 and 2, characterized in that the as Precision die casting parts made Aluminum alloy manufactured rotors spirally with the screw grooves encircling, inside on their walls and to a central tube cast reinforcing ribs included.

Jouleprozeßmotor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Rotoren eines Aggregates innen auf von dessen Gehäusestirnwänden in sie hineinragenden Stumpfwellen mit radialen Mehrflächengleitlagern und stirnflächigen Axialgleitlagern gelagelagert sind.Joule process engine according to claim 1 to 3, characterized in that both Rotors of an aggregate inside of the housing end walls in they projecting butt shafts with radial multi-surface plain bearings and end-face Axialgleitlagern are gelagelagert.

Jouleprozeßmotor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren an der Antriebsseite jeweils durch ein mit Kerbverzahnung eingesetztes Synchronzahnrad verlängert sind, das an ihrer Stelle den beschriebenen Lagerbock aufnimmt, und von denen eines einteilig mit der durch den Lagerbock hindurch nach außen geführten Antriebswelle des Kompressors, bzw. Abtriebswelle des Expanders, verbunden ist.Jouleprozeßmotor according to claim 1 to 4, characterized in that the rotors are extended on the drive side in each case by a synchronizing gear used with serration, the at their location receives the bearing block described, and one of which is integrally connected to the out through the bearing block to the outside drive shaft of the compressor, or output shaft of the expander connected.

Jouleprozeßmotor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an die Rotoren rechts und links von den Schraubkolbenpartien kurze Hohlwellen angegossen sind, auf denen doppelte Gewindewellendichtungen mit Stillstandsaufsetzdichtringen an Gegenflächen des Gehäuses den Gasabschnitt der Maschine axial abdichten.Joule process engine according to claim 1 to 5, characterized in that the Rotors to the right and left of the Schraubkolbenpartien short hollow shafts are cast on which double threaded shaft seals with Standstill contact sealing rings on counter surfaces of the housing Seal the gas section of the machine axially.

Jouleprozeßmotor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß unter den Schraubnuten zwischen den Verstärkungsrippen Kühlöl in zentrifugal gefüllten, mit Überlaufbohrkanälen tiefenmäßig festgelegten Gräben die Rotoren durchströmt.Joule process engine according to claim 1 to 6, characterized in that below the screw grooves between the reinforcing ribs cooling oil in centrifugal filled depth-controlled with overflow boreholes trenches flows through the rotors.

Jouleprozeßmotor nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuse der Schraubenaggregate inklusive der Frontwände doppelwandig aus Aluminiumlegierung gegossen und von Kühlöl durchflossen sind.Joule process engine according to the claims 1 to 7, characterized in that the housing of the screw units including the front walls poured double-walled from aluminum alloy and flowed through by cooling oil are.

Jouleprozeßmotor nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dünnes Maschinenöl simultan für die Maschinenkühlung, die Gewindewellendichtungen, die Lager- und die Getriebeschmierung zum Einsatz kommt und mittels thermostatisch geregelter Rückkühlung in engen Grenzen unter 60°C gehalten wird.Joule process engine according to the claims 1 to 8, characterized in that thin machine oil simultaneously for the Machine cooling, the thread shaft seals, bearing and gear lubrication is used and by means of thermostatically controlled recooling in narrow limits below 60 ° C is held.

Jouleprozeßmotor nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kompressor und die Brennkammer einerseits und den Expander und den Auspuff andererseits ein keramischer Gegenstromwärmetauscher nach Anmeldung -- ---- --- ---.geschaltet ist.Joule process engine according to the claims 1 to 9, characterized in that between the compressor and the combustion chamber on the one hand and the expander and the exhaust on the other a ceramic countercurrent heat exchanger after registration - ---- --- ---.

Jouleprozeßmotor nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren des Expanders in in ihre ölgekühlten Aluminiumkerne gewindespiralig eingefrästen Schwalbenschwanznuten dicke Teppiche aus keramischen Kacheln tragen, in die sowohl die Schraubkolben als auch die Schraubnuten eingeformt und präzise eingeschliffen sind.Joule process engine according to the claims 1 to 10, characterized in that the rotors of the expander in their oil-cooled aluminum cores milled spiral thread Swallowtail grooves wear thick carpets made of ceramic tiles, formed in the both the screw and the screw grooves and precise are ground.

Jouleprozeßmotor nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Expandergehäuse um die Schraubenrotoren herum mit einer präzis ausgeschliffenen dicken Schicht aus in Schwalbenschwanznuten gehaltenen keramischen Kacheln ausgekleidet ist.Joule process engine according to the claims 1 to 11, characterized in that the expander housing to the Screw rotors around with a precisely ground thick Layer of dovetailed ceramic tiles is lined.

Apparatur zur Herstellung von Keramikkacheln für die Rotoren von Schraubenexpandern, dadurch gekennzeichnet, daß eine Intrudierform mit Bearbeitungsaufmaß für einen Strang von derartigen Kacheln inklusive ihrer Schwalbenschwanzfüße in vier dickwandige, auf einem zentralen Schaft mittels eines Hüllrohres zusammengefaßte, um 180° in Schraubkolbensteigung verwundene Halbschalen eingefräst ist, und daß die Formwände teflonbeschichtet sind.Apparatus for the manufacture of ceramic tiles for rotors of screw expanders, characterized in that a Intrudierform with machining allowance for one Strand of such tiles including their dovetail feet in four thick-walled, on a central shaft by means of a cladding tube summarized, by 180 ° in Schraubkolbensteigung milled twisted half shells is, and that the mold walls Teflon coated.

Apparatur nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bedrehung und Schleifung der als Grünlinge intrudierten und nach der Ausschiebung gebrannten Ka chelstränge an den Sohlen der Schwalbenschwanzfüße innen in eine Aufnahmetrommel acht Gewindenuten mit dem oberen Kreissegmentprofil der unbearbeiteten Kachelstränge gefräst sind, in die letztere eingelegt und mit Spezialbolzen befestigt werden.Apparatus according to claim 13, characterized that for the Bedrehung and grinding the as greenlings intruded and burned after the Ausschläiebung chelstränge to the Soles of dovetail feet in in a take-up drum eight thread grooves with the upper circular segment profile the unprocessed tile strands milled are inserted in the latter and fastened with special bolts become.

Apparatur nach Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein hohler Tragschaft außen vier schwalbenschwanzsohlenbreite und -durchmessrige Gewindestege hat, auf die vier Kachelstränge aufgebockt, aufgeklebt und mit von innen in den Tragschaft eingeschraubten Bolzen fixiert werden, daß der Tragschaft die Kachelstränge zur Honung des Endprofils mit überlagerter Honschwingung durch eine Honbrille schraubt, und daß die Gewindestege von peripheren Nuten unterbrochen sind, in denen Trenn- und Schleifscheiben die Kachelstränge aufteilen und die Kacheln auf Länge schleifen.Apparatus according to claims 13 and 14, characterized the existence hollow bearing shaft outside four has dovetail width and diameter thread ridges, on the four tiled strands jacked up, glued on and screwed into the support shaft from the inside Bolt be fixed, that the Tragschaft the tile strands for honing the final profile with superimposed Honing screw through a honing glasses screwed, and that the threaded ridges are interrupted by peripheral grooves in which separating and grinding wheels split the tile strands and the tiles on length grind.