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Die Erfindung betrifft eine Maschine zum Entspannen oder komprimieren von im Wesentlichen gasförmigen Medien, umfassend ein Maschinengehäuse und mindestens einen in dem Maschinengehäuse in einer Schraubenläuferbohrung angeordneten und sich zwischen einer Niederdruckseite und einer Hochdruckseite der Schraubenläuferbohrung erstreckenden sowie mit dem im Wesentlichen gasförmigen Medium zusammenwirkenden Schraubenläufer, welcher durch Rotation um eine Schraubenachse entweder das im Wesentlichen gasförmige Medium von der Niederdruckseite zur Hochdruckseite fördert und dabei komprimiert oder von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite fördert und dabei entspannt und welcher im Maschinengehäuse beiderseits mittels jeweils einem Lagersatz gelagert ist, wobei jeder Lagersatz mindestens ein Radiallager und mindestens einer der Lagersätze mindestens ein axial wirkendes Lager aufweist, welches den mindestens einen Schraubenläufer axial gegen eine axiale Verschiebung aus seiner Betriebsposition in Richtung der Niederdruckseite abstützt, sowie eine mit dem Schraubenläufer gekoppelte oder koppelbare Motor-/Generatoreinheit.
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Derartige Maschinen sind aus dem Stand der Technik bekannt.
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Bei diesen besteht das Problem, dass die axial wirkenden Lager die Schraubenläufer lediglich axial gegen eine Verschiebung in Richtung der Niederdruckseite abstützen, jedoch nicht in Richtung der Hochdruckseite, so dass bei einem Ein- oder Ausschaltvorgang oder einer Betriebsunterbrechung oder einer falschen Drehrichtung das Problem besteht, dass die Schraubenläufer hochdruckseitig an dem Maschinengehäuse unter Reduzierung des üblicherweise vorhandenen Dichtspalts zur Anlage kommen, sich dadurch erwärmen und folglich Schaden nehmen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Maschine der eingangs beschriebenen Art derart zu verbessern, dass derartige Probleme nicht mehr auftreten.
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Diese Aufgabe wird bei einer Maschine der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der mindestens eine Schraubenläufer mit mindestens einem axialen Stützlager versehen ist, welches den mindestens einen Schraubenläufer derart axial abstützt, dass eine hochdruckseitige Stirnseite des mindestens einen Schraubenläufers berührungsfrei zu einer dieser Stirnseite zugewandten Stirnwand des den mindestens einen Schraubenläufer aufnehmenden Maschinengehäuses geführt ist.
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Dabei ist die hochdruckseitige Stirnseite des Schraubenläufers durch eine Stirnseite oder einen Abschluss einer Schraubenkontur des Schraubenläufers gebildet.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist somit darin zu sehen, dass durch das vorgesehene axiale Stützlager die Möglichkeit besteht, einen Mindestdichtspalt zwischen der Stirnseite des Schraubenläufers und der Stirnwand des Maschinengehäuses auch bei ungünstigen Betriebszuständen aufrecht zu erhalten und somit eine Beschädigung der Schraubenläufer und/oder des Gehäuses durch Berührungen zwischen der Stirnseite des Schraubenläufers und der Stirnwand des Maschinengehäuses zu verhindern.
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Dabei könnte bei der erfindungsgemäßen Lösung das mindestens eine axiale Stützlager in dem Maschinengehäuse in axialer Richtung stationär angeordnet sein, wobei die Anordnung des axialen Stützlagers dann voraussetzen würde, dass dies sehr präzise in dem Maschinengehäuse positioniert ist, um den geforderten Mindestdichtspalt zwischen der Stirnseite des Schraubenläufers und der Stirnwand des Maschinengehäuses aufrecht zu erhalten.
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Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass das mindestens eine axiale Stützlager in dem Maschinengehäuse in axialer Richtung bewegbar und in Richtung der Niederdruckseite kraftbeaufschlagt angeordnet ist.
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Diese Lösung hat den Vorteil, dass durch die Kraftbeaufschlagung des bewegbar angeordneten Stützlagers das Stützlager in der Lage ist, derart auf den mindestens einen Schraubenläufer einzuwirken, dass dieser durch das axial wirkende Lager in Richtung der Niederdruckseite so geführt ist, dass im Wesentlichen keinerlei axiales Spiel vorhanden ist, so dass der mindestens eine Schraubenläufer in allen Betriebszuständen in seiner vorgesehenen Betriebsstellung mit dem vorgesehenen hochdruckseitigen Mindestdichtspalt in dem Maschinengehäuse geführt ist.
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Hinsichtlich der Kraftbeaufschlagung des mindestens einen Stützlagers wären die unterschiedlichsten Möglichkeiten denkbar.
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Beispielsweise könnte ein Verschiebeantrieb, beispielsweise betätigt durch Öldruck, auf das Stützlager wirken.
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Eine besonders einfache und zweckmäßige Lösung sieht vor, dass das mindestens eine Stützlager mit einer in der axialen Richtung wirkenden elastischen Federkraft beaufschlagt ist, so dass die Federkraft insbesondere permanent auf den mindestens einen Schraubenläufer in Richtung der Niederdruckseite wirkt.
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Insbesondere besteht damit die Möglichkeit, dass das mindestens eine Stützlager in axialer Richtung derart auf den Schraubenläufer einwirkt, dass das axial wirkende Lager durch das Stützlager in Richtung der Niederdruckseite ständig vorgespannt ist und somit insgesamt eine präzise axiale Führung des mindestens einen Schraubenläufers gegeben ist.
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Eine besonders einfache Lösung sieht vor, dass das Stützlager durch ein Tellerfederpaket beaufschlagt ist.
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Hinsichtlich des Orts der Einwirkung des Stützlagers auf den mindestens einen Schraubenläufer wurden bislang keine näheren Angaben gemacht.
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So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass das mindestens eine Stützlager auf einen den mindestens einen Schraubenläufer lagernden Lagerzapfen wirkt.
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Dabei könnte das Stützlager auf verschiedenen Seiten des Schraubenläufers wirksam sein.
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Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass das mindestens eine Stützlager auf den auf der der Motor-/Generatoreinheit abgewandten Seite des mindestens einen Schraubenläufers angeordneten Lagerzapfen wirkt.
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Beispielsweise hat dies zur Folge, dass bei einem niederdruckseitigen Antrieb des Schraubenläufers das Stützlager auf den hochdruckseitig angeordneten Lagerzapfen wirkt.
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Weiter sieht eine konstruktiv besonders vorteilhafte Lösung vor, dass das mindestens eine Stützlager in einem der Motor-/Generatoreinheit abgewandt angeordneten Lagergehäuse des Maschinengehäuses angeordnet ist.
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Ferner sieht eine günstige Lösung vor, dass das mindestens eine Stützlager auf einen über die Hochdruckseite des Schraubenläufers überstehenden Lagerzapfen einwirkt.
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Grundsätzlich bestünde die Möglichkeit, das mindestens eine Stützlager an dem Zapfenabschnitt des Schraubenläufers anzuordnen, an dem auch der Lagersatz angeordnet ist.
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Eine raumsparende Lösung sieht jedoch vor, dass das mindestens eine Stützlager an einem Aufnahmezapfen angeordnet ist.
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Ein derartiger Aufnahmezapfen lässt sich in einfacher Weise relativ zu dem den Lagersatz tragenden Lagerzapfen flexibel gestalten, so dass insbesondere die Möglichkeit besteht, den Aufnahmezapfen mit dem auf diesem angeordneten Stützlager raumsparend anzuordnen.
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Eine zweckmäßige Lösung sieht dabei vor, dass der Aufnahmezapfen an einem Ende eines Lagerzapfens angeordnet ist.
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Besonders günstig ist es dabei, wenn der Aufnahmezapfen eine radiale Ausdehnung zur jeweiligen Schraubenachse aufweist, die geringer als die des Lagerzapfens ist.
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Ferner ist es zur Abstützung des mindestens einen Stützlagers günstig, wenn der Aufnahmezapfen eine Flanschfläche aufweist, auf welche das Stützlager einwirken kann, um den mindestens einen Schraubenläufer der entsprechenden Richtung zu beaufschlagen.
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Prinzipiell könnte der Aufnahmezapfen einstückig an den Lagerzapfen angeformt sein.
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Besonders vorteilhaft ist jedoch eine Lösung, bei welcher der Aufnahmezapfen in das Ende des Lagerzapfens eingesetzt ist.
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In diesem Fall lässt sich insbesondere die erfindungsgemäße Lösung bei vorhandenen Maschinen oder vorhandenen Konstruktionen in einfacher Weise nachrüsten.
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Dabei könnte der Aufnahmezapfen durch jede Art von Fügen in das Ende des Lagerzapfens eingesetzt und mit diesem verbunden werden.
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Eine besonders einfache und vorteilhafte Lösung sieht jedoch vor, dass der Aufnahmezapfen in das Ende des Lagerzapfens eingeschraubt ist.
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Um ferner sicherzustellen, dass der Aufnahmezapfen möglichst optimal relativ zum Lagerzapfen zentriert ist ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Aufnahmezapfen relativ zu dem Lagerzapfen durch einen Zentrierkonus fixiert ist.
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Ein derartiger Zentrierkonus ist beispielsweise sowohl am Aufnahmezapfen und/oder als konische Zentrierfläche am Lagerzapfen vorgesehen, so dass die beiden konischen Flächen eine optimale Zentrierung des Aufnahmezapfens erlauben.
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Eine konstruktiv besonders günstige Lösung sieht vor, dass der Aufnahmezapfen einen geringeren Durchmesser aufweist als ein den Lagersatz, insbesondere das Radiallager und/oder das axial wirkende Lager tragender Zapfenabschnitt des Lagerzapfens.
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Hinsichtlich der Dimension des Stützlagers wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der einzelnen Ausführungsbeispiele keine näheren Angaben gemacht.
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So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass das mindestens eine Stützlager so dimensioniert ist, dass die von diesem aufzunehmenden Stützkräfte im Bereich von 10 % bis 80 % der Stützkräfte des axial wirkenden Lagers liegen.
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Hierdurch lässt sich insbesondere ein raumsparender kostengünstiger und aufgrund geringer Verlustleistung reibungsarmer Einbau realisieren.
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Eine noch vorteilhaftere Dimensionierung sieht vor, dass das mindestens eine Stützlager bezogen auf die jeweilige Schraubenachse eine radiale Ausdehnung aufweist, die im Bereich von 20 % bis 70 % der radialen Ausdehnung des axial wirkenden Lagers liegt.
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Im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung ist es auch möglich pro Schraubenläufer zwei Stützlager entweder beide hochdruckseitig oder beide niederdruckseitig oder eines hochdruckseitig und eines niederdruckseitig vorzusehen.
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Noch besser ist es, wenn das Stützlager bezogen auf die jeweilige Schraubenachse eine radiale Ausdehnung aufweist, die im Bereich von 30 % bis 60 % der radialen Ausdehnung des axial wirkenden Lagers liegt.
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Eine weitere vorteilhafte Dimensionierung sieht vor, dass das Stützlager einen Lagerinnendurchmesser aufweist, der kleiner ist als ein Innendurchmesser des axial wirkenden Lagers, insbesondere in der Größenordnung von 20 % bis 80 % des Innendurchmessers des axial wirkenden Lagers liegt.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Expansions-/Kompressionsmaschine sieht vor, dass diese zwei in Schraubenläuferbohrungen angeordnete Schraubenläufer aufweist, die mit ihren Schraubenkonturen ineinandergreifen, wobei mindestens einem der Schraubenläufer ein Stützlager zugeordnet ist.
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Besonders günstig ist es jedoch, wenn jedem Schraubenläufer mindestens ein Stützlager zugeordnet ist.
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Ferner sieht eine vorteilhafte Dimensionierung vor, dass das mindestens eine Stützlager einen Lagerinnendurchmesser aufweist, der kleiner ist als ein Innendurchmesser des Radiallagers, insbesondere im Bereich von 20 % bis 80 % des Innendurchmessers des Radiallagers der Lagersätze liegt.
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Die vorstehende Beschreibung erfindungsgemäßer Lösungen umfasst somit insbesondere die durch die nachfolgenden durchnummerierten Ausführungsformen definierten verschiedenen Merkmalskombinationen
- 1. Maschine zum Entspannen oder Komprimieren von im Wesentlichen gasförmigen Medien, umfassend ein Maschinengehäuse (10) und mindestens einen in dem Maschinengehäuse (10) in einer Schraubenläuferbohrung (52, 54) angeordneten und sich zwischen einer Niederdruckseite (62) und einer Hochdruckseite (64) der Schraubenläuferbohrung (52, 54) erstreckenden sowie mit dem im Wesentlichen gasförmigen Medium zusammenwirkenden Schraubenläufer (36, 38), welcher durch Rotation um eine Schraubenachse (52, 54) entweder das im Wesentlichen gasförmige Medium von der Niederdruckseite (62) zur Hochdruckseite (64) fördert und dabei komprimiert oder von der Hochdruckseite (64) zur Niederdruckseite (62) fördert und dabei expandiert und welcher im Maschinengehäuse (10) beiderseits mittels jeweils einem Lagersatz (92, 94, 96, 98) gelagert ist, wobei jeder Lagersatz (92, 94, 96, 98) mindestens ein Radiallager (102) und mindestens einer der Lagersätze (96, 98) mindestens ein axial wirkendes Lager (104) aufweist, welches den mindestens einen Schraubenläufer (36, 38) axial gegen eine axiale Verschiebebewegung aus seiner Betriebsposition in Richtung (112, 114) der Niederdruckseite (62) abstützt, sowie eine mit dem mindestens einen Schraubenläufer (36, 38) gekoppelte oder koppelbare Motor-/Generatoreinheit (132), dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Schraubenläufer (36, 38) mit mindestens einem axialen Stützlager (212, 214) versehen ist, welches den mindestens einen Schraubenläufer (36, 38) derart axial abstützt, dass eine hochdruckseitige Stirnseite (122, 124) des mindestens einen Schraubenläufers (36, 38) berührungsfrei zu einer dieser Stirnseite (122, 124) zugewandten Stirnwand (126, 128) des den mindestens einen Schraubenläufer (36, 38) aufnehmenden Maschinengehäuses (10) geführt ist.
- 2. Maschine nach Ausführungsform 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Stützlager (212, 214) in dem Maschinengehäuse (10) in axialer Richtung bewegbar und in Richtung der Niederdruckseite (62) kraftbeaufschlagt angeordnet ist.
- 3. Maschine nach Ausführungsform 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Stützlager (212, 214) in axialer Richtung derart auf den Schraubenläufer (212, 214) einwirkt, dass das axial wirkende Lager (104) durch das Stützlager (212, 214) in Richtung der Niederdruckseite ständig vorgespannt ist.
- 4. Maschine nach Ausführungsform 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Stützlager (212, 214) mit einer in der axialen Richtung wirkenden elastischen Federkraft beaufschlagt ist, so dass die Federkraft auf den mindestens einen Schraubenläufer (36, 38) in Richtung (112, 114) der Niederdruckseite (62) wirkt.
- 5. Maschine nach einer der Ausführungsformen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Stützlager (212, 214) durch ein Tellerfederpaket (256) beaufschlagt ist.
- 6. Maschine nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Stützlager (212, 214) auf einen den mindestens einen Schraubenläufers (36, 38) lagernden Lagerzapfen (230) einwirkt.
- 7. Maschine nach Ausführungsform 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Stützlager (212, 214) auf den auf der der Motor-/Generatoreinheit (132) abgewandten Seite des mindestens einen Schraubenläufers (36, 38) angeordneten Lagerzapfen (230) wirkt.
- 8. Maschine nach Ausführungsform 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Stützlager (212, 214) in einem der Motor-/Generatoreinheit abgewandt angeordneten Lagergehäuse (18) des Maschinengehäuses (10) angeordnet ist.
- 9. Maschine nach einer der Ausführungsformen 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Stützlager (212, 214) auf einen über die hochdruckseitige Stirnseite des Schraubenläufers (36, 38) überstehenden Lagerzapfen (230) einwirkt.
- 10. Maschine nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Stützlager (212, 214) an einem Aufnahmezapfen (224) angeordnet ist.
- 11. Maschine nach Ausführungsform 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmezapfen (224) an einem Ende eines Lagerzapfens (230) angeordnet ist.
- 12. Maschine nach Ausführungsform 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmezapfen (224) eine Flanschfläche (246) aufweist, auf welche das Stützlager (212, 214) wirkt.
- 13. Maschine nach einer der Ausführungsformen 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmezapfen (224) in das Ende des Lagerzapfens (230) eingesetzt ist.
- 14. Maschine nach einer der Ausführungsformen 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmezapfen (224) relativ zu dem Lagerzapfen (230) durch einen Zentrierkonus (234, 236) zentriert ist.
- 15. Maschine nach einer der Ausführungsformen 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmezapfen einen geringeren Durchmesser aufweist als ein den jeweiligen Lagersatz (92, 94, 96, 98), insbesondere das Radiallager (102) und/oder das axial wirkende Lager (104), tragender Zapfenabschnitt (93, 95, 97, 99) des Lagerzapfens (230).
- 16. Maschine nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Stützlager (212, 214) so dimensioniert ist, dass die von diesem aufzunehmenden Stützkräfte im Bereich von 10 % bis 80 % der Stützkräfte des axial wirkenden Lagers (104) liegen.
- 17. Maschine nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Stützlager (212, 214) bezogen auf die jeweilige Schraubenachse (52, 54) eine radiale Ausdehnung aufweist, die im Bereich von 10 % bis 80 % der radialen Ausdehnung des axial wirkenden Lagers (104) liegt.
- 18. Maschine nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Stützlager (212, 214) einen Lagerinnendurchmesser aufweist, der kleiner ist als ein Innendurchmesser des axial wirkenden Lagers (104) des jeweiligen Lagersatzes (92, 94, 96, 98).
- 19. Maschine nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Stützlager (212, 214) einen Lagerinnendurchmesser aufweist, der kleiner ist als ein Innendurchmesser des Radiallagers (102) der Lagersätze (92, 94, 96, 98).
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger Ausfü h ru ngsbeispiele.
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In der Zeichnung zeigen:
- 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Maschine zum entspannen und/oder komprimieren von gasförmigen Medien;
- 2 einen Schnitt längs Linie 2-2 in 1;
- 3 eine schematische Darstellung eines Kreisprozesses mit Einsatz einer erfindungsgemäßen Maschine zum Entspannen von gasförmigen Medien;
- 4 eine schematische Darstellung eines Kältemittelkreislaufs mit einer erfindungsgemäßen Maschine zum Komprimieren von gasförmigen Medien;
- 5 eine vergrößerte Darstellung eines Bereichs A in 1 und
- 6 eine nochmals vergrößerte Darstellung des in 5 dargestellten Bereichs mit Darstellung eines erfindungsgemäßen Stützlagers.
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Expansions-/Kompressionsmaschine, dargestellt in den 1 und 2 umfasst ein als Ganzes mit 10 bezeichnetes Maschinengehäuse, gebildet aus einem Schraubenläufergehäuse 12, an welches sich auf einer Seite ein Motor-/Generatorgehäuse 14 anschließt, das durch einen Gehäusedeckel 16 auf einer dem Schraubenläufergehäuse 12 gegenüberliegenden Seite verschlossen ist.
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Auf einer dem Motor-/Generatorgehäuse 14 gegenüberliegenden Seite schließt sich an das Schraubenläufergehäuse 12 ein Lagergehäuse 18 an, das auf seiner dem Schraubenläufergehäuse 12 gegenüberliegenden Seite durch einen Lagergehäusedeckel 22 verschlossen ist.
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In dem Schraubenläufergehäuse 12 sind Schraubenläuferbohrungen 32, 34 vorgesehen, in denen Schraubenläufer 36, 38 angeordnet sind, die mit ihren Schraubenkonturen 42, 44 ineinander greifen und mit Wandflächen 46, 48 der Schraubenläuferbohrungen zusammenwirken, um bei einer Rotation um die jeweiligen Schraubenachsen 52, 54 zwischen den Schraubenkonturen 42, 44 und den Wandflächen 46, 48 eingeschlossene Kammern 56 zu bilden, wobei diese Kammern 56 im Anschluss an eine sich an die Schraubenläuferbohrungen anschließenden Niederdruckseite 62 das größtmögliche Volumen aufweisen und im Anschluss an eine Hochdruckseite 64 das geringste Volumen aufweisen.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel liegt dabei die Niederdruckseite 62 auf einer dem Motor-/Generatorgehäuse 14 zugewandten Seite des Schraubenläufergehäuses 12, wobei die Niederdruckseite 62 durch eine das Motor-/Generatorgehäuse 14 durchsetzende Gasführung 72 mit einem Niederdruckanschluss 74 des Maschinengehäuses 10 verbunden ist, und wobei der Niederdruckanschluss 74 vorzugsweise nahe dem Gehäusedeckel 16 angeordnet ist, so dass die zwischen dem Niederdruckanschluss 74 und der Niederdruckseite 62 verlaufende Gasführung 72 möglichst das Motor-/Generatorgehäuse 14 über seine ganze Länge durchsetzt.
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Die Hochdruckseite 64 liegt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf einer dem Lagergehäuse 18 zugewandten Seite des Schraubenläufergehäuses 12 wobei sich an die Hochdruckseite 64 ein Hochdruckkanal 82 anschließt, der das Lagergehäuse 18 und den Lagergehäusedeckel 22 durchsetzt und bis zu einem Hochdruckanschluss 84 des Maschinengehäuses 10 führt, der beispielsweise in dem Lagergehäusedeckel 22 angeordnet ist.
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Wie in 1 und 2 dargestellt, sind die Schraubenläufer 36 und 38 um die jeweiligen Schraubenachsen 52 und 54 in dem Gesamtgehäuse 10 drehbar gelagert, wobei für jeden der Schraubenläufer 36, 38 ein niederdruckseitiger Lagersatz 92 beziehungsweise 94 vorgesehen ist und für jeden der Schraubenläufer 36, 38 ein hochdruckseitiger Lagersatz 96, 98 vorgesehen ist.
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Jeder der Lagersätze 92, 94, 96, 98 umfasst jeweils mindestens ein Radiallager 102 und zusätzlich umfasst einer der Lagersätze 92, 94, 96, 98 für jeden der Schraubenläufer 36, 38, beispielsweise der jeweilige hochdruckseitige Lagersatz 96, 98, noch mindestens ein axial wirksames Lager 104.
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Die Lagersätze 92, 94, 96, 98 sind insbesondere jeweils auf einen Lagerzapfenabschnitt 93, 95, 97, 99 des jeweiligen Schraubenläufers 36, 38 angeordnet.
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Die axial wirksamen Lager 104 stützen dabei die Schraubenläufer 36, 38 gegen eine Bewegung aus ihrer Betriebsstellung heraus in Richtung der Niederdruckseite 62 ab, da die Druckdifferenz zwischen der Hochdruckseite 64 und der Niederdruckseite 62 derart auf die Schraubenläufer 36, 38 wirkt, dass diese die Tendenz haben, sich in einer parallel zu den Schraubenachsen 52, 54 verlaufenden Richtungen 112, 114 von der Hochdruckseite 64 weg in Richtung der Niederdruckseite 62 zu bewegen, und somit einen in der Betriebsstellung vorgesehenen Dichtspalt zwischen einer jeweiligen Stirnseite 122, 124 des jeweiligen Schraubenläufers 36 beziehungsweise 38, das heißt insbesondere einem hochdruckseitigen Abschluss oder einer hochdruckseitigen Stirnseite 122, 124 der Schraubenkontur 42, 44, und einer hochdruckseitig die Schraubenläuferbohrungen 32, 34 abschließenden Stirnwand 126, 128 zu vergrößern.
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Die Aufrechterhaltung der Betriebsstellung und somit dieses Dichtspalts zwischen der jeweiligen Stirnseite 122, 124 des jeweiligen Schraubenläufers 36 beziehungsweise 38 mit einer vorgegebenen Breite der durch einen Ölfilm verschlossen ist, ist erforderlich um eine optimale Funktion der Maschine zu gewährleisten, und wird daher durch die Wirkung der axial wirksamen Lager 104 auf die Schraubenläufer 36, 38 vorgegeben.
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Die Schraubenläufer 36, 38, die um ihre Schraubenachsen 52, 54 rotieren, sind mit einer als Ganzes mit 132 bezeichneten elektrischen Motor-/Generatoreinheit gekoppelt, die in dem Motor-/Generatorgehäuse 14 vorgesehen ist und einen Stator 134 aufweist, der fest in dem Motor-/Generatorgehäuse 14 angeordnet ist und einen vom Stator 134 umschlossenen Rotor 136 aufweist, der auf einer sowohl den Rotor 136 als auch den Schraubenläufer 36 durchsetzenden gemeinsamen Antriebswelle 138 sitzt, die durch die Lagersätze 92 und 102 gelagert ist.
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Wie in 1 und 2 dargestellt, ist die elektrische Motor-/Generatoreinheit 132 so angeordnet, dass der Niederdruckkanal 72 zumindest abschnittsweise längs des Stators 134 verläuft, gegebenenfalls aber auch noch zwischen dem Rotor 136 und dem Stator 134 hindurchverläuft, um die elektrische Motor-/Generatoreinheit 132 mit dem niederdruckseitig geführten Gas zu kühlen.
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Der mit der elektrischen Motor-/Generatoreinheit 132 gekoppelte Schraubenläufer 36 ist seinerseits über die ineinander greifenden Schraubenkonturen 42, 44 auch mit dem Schraubenläufer 38 gekoppelt, so dass die sich ausbildenden Kammern 56 je nach Drehrichtung der Schraubenläufer 36, 38 entweder von der Hochdruckseite 64 zur Niederdruckseite 62 wandern und somit hochdruckseitig aufgenommenes Gas entspannen, das auf der Niederdruckseite dann als expandiertes Gas 62 vorliegt, oder von der Niederdruckseite 62 zur Hochdruckseite 64 wandern und dabei niederdruckseitig aufgenommenes Gas komprimieren, das an der Hochdruckseite 64 abgegeben wird.
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Diese beiden verschiedenen Betriebsweisen sind in den 3 und 4 schematisch dargestellt.
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In 3 ist ein als Ganzes mit 140 bezeichneter Kreisprozess, insbesondere ein mit einem Rankine-Zyklus arbeitender Kreisprozess, dargestellt, bei welchem ein in einem Kreislauf 142 geführtes Arbeitsmedium durch einen Verdichter 144 der durch einen Motor 146 angetrieben ist, verdichtet wird, nachfolgend einen Wärmeübertrager 148 durchströmt und durch Zufuhr von Wärme aus einem Wärmestrom 152 verdampft, wobei der Wärmestrom 152 beispielsweise mittels eines Heißwasserkreislaufs und einer Heißwasserpumpe 154 mit einem Antriebsmotor 156 dem Wärmeübertrager 148 zugeführt wird.
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Das durch Zufuhr des Wärmestroms 152 in dem Wärmeübertrager 148 verdampfte Arbeitsmedium wird daraufhin auf den Wärmeübertrager 148 folgend in dem Kreislauf 142 einer Expansionsmaschine 160 zugeführt, die gemäß der Expansions-/Kompressionsmaschine, dargestellt in 1 und 2, ausgebildet ist, wobei die Motor-/Generatoreinheit 132 als Generator arbeitet.
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Hierbei wird das verdampfte Arbeitsmedium über den Hochdruckanschluss 84 der Expansionsmaschine 160 zugeführt und tritt auf der Hochdruckseite 64 zwischen die Schraubenläufer 36, 38 ein, wird von den Kammern 56 aufgenommen und entspannt auf dem Weg der Kammern 56 zur Niederdruckseite 62, wobei sich - je nach Druck und Temperatur - auch Flüssigkeitstropfen bilden können.
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Das entspannte Arbeitsmedium wird dann einem weiteren Wärmeübertrager 172 zugeführt, in welchem das Arbeitsmedium kondensiert wird und eine Abfuhr eines Wärmestroms 174, beispielsweise durch einen Kaltwasserkreislauf erfolgt, in dem ebenfalls eine Pumpe 176 angeordnet ist, die durch einen Motor 178 angetrieben ist.
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Die Abfuhr des Wärmestroms 174 kann aber auch einen kühlenden Luftstrom erfolgen.
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Insbesondere erfolgt durch die Pumpe oder den Verdichter 144 eine isentrope, vorzugsweise ideale isentrope, Verdichtung eines von dem Wärmeübertrager 172 erzeugten flüssig gesättigten Kondensats des Arbeitsmediums und in dem Wärmeübertrager 148 erfolgt eine im Wesentlichen isobare Verdampfung des unterkühlten Systems bis zum Erreichen des dampfförmig gesättigten Zustandes, in dem dann das Arbeitsmedium der Expansionsmaschine 160 zugeführt wird, wobei hierdurch in der Expansionsmaschine 160 mechanische Arbeit entsteht, durch welche die Motorgeneratoreinheit 132 angetrieben wird und somit elektrische Energie erzeugt.
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Nachfolgend erfolgt im Wärmeübertrager 172 eine isobare, insbesondere eine vollständige isobare, Kondensation des Arbeitsmediums durch Abfuhr des Wärmestroms 174, so dass dann wiederum ein flüssig gesättigtes Kondensat dem Verdichter 144 zugeführt werden kann.
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Die in 1 und 2 dargestellte vorstehend beschriebene Expansions-/Kompressionsmaschine kann aber auch in einem Kreisprozess 180 mit einem Kältemittelkreislauf 182 eingesetzt werden, in welchem ein in einem Wärmeübertrager 184 durch Wärmeabfuhr, beispielsweise mittels eines Gebläses 184, erwärmtes Kältemittel dem Niederdruckanschluss 74 zugeführt wird, von der durch die Motor-/Generatoreinheit 132 angetriebenen Kompressormaschine dann auf dem Weg von der Niederdruckseite 62 zur Hochdruckseite 64 verdichtet wird und über den Hochdruckanschluss 84 einem Wärmeübertrager 202 zugeführt wird, der das verdichtete Kältemittel, beispielsweise mittels eines Gebläses 204 kühlt und dann einem Expansionsorgan 206 zur Expansion zuführt, von welchem das expandierte Kältemittel wieder dem Übertrager 184 zugeführt wird.
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Bei einem regulären Betrieb sowohl in dem Kreislauf 142 als auch in dem Kältemittelkreislauf 182 ist in der Expansions-/Kompressionsmaschine der Druck auf der Niederdruckseite 62 stets niedriger als der Druck auf der Hochdruckseite 64, so dass in diesen Fällen stets die Schraubenläufer 36, 38 das Bestreben haben, sich mit ihren Stirnseiten 122, 124 von den Stirnwänden 126, 128 in den Richtungen 112, 114 weg zu bewegen und den durch die axial wirksamen Lager 104 vorgegebenen Dichtspalt aufrecht zu erhalten.
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Allerdings können bei Start- oder Stoppvorgängen oder bei abgebrochenen Startvorgängen oder fehlerhafter Drehrichtung der Motor-/Generatoreinheit 132 Zustände auftreten, bei denen die in den Richtungen 112 und 114 auf die Schraubenläufer 36, 38 wirkenden Kräfte nahe Null oder gegebenenfalls sogar negativ sind.
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In diesen Fällen besteht die Möglichkeit, dass sich der Dichtspalt verkleinert und dadurch die Stirnseiten 122, 124 der Schraubenläufer 36, 38 die Stirnwände 126, 128 berühren, so dass dadurch Erwärmungen, teilweise Überhitzungen, und in Folge davon Beschädigungen an den Stirnseiten 122, 124 und/oder den Stirnwänden 126, 128 oder den Schraubenkonturen 42, 44 der Schraubenläufer 36, 38 auftreten, da die axial wirksamen Lager 104 lediglich in den Richtungen 112 und 114 wirksam sind, nicht jedoch in den den Richtungen 112 und 114 entgegengesetzten Richtungen.
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Um derartige Zustände zu vermeiden, sind den Schraubenläufern 36, 38 axiale Stützlager 212, 214 zugeordnet, welche die Schraubenläufer 36, 38 gegen eine Bewegung von der Niederdruckseite 62 zur Hochdruckseite 64 abstützen und eine Mindestgröße des Dichtspalts aufrecht erhalten.
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Wie exemplarisch am Beispiel des Stützlagers 212 dargestellt, weist dieses einen Lagerinnenring 222 auf, welcher auf einem Aufnahmezapfen 224 angeordnet ist, wobei der Aufnahmezapfen 224 an einem Lagerzapfen 230, insbesondere den den jeweiligen Lageransatz 92, 94, 96, 98 tragenden Lagerzapfenabschnitt 93, 95, 97, 99 aufweisenden Lagerzapfen 230 angeordnet ist.
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Insbesondere ist der Aufnahmezapfen 224 mit einem Gewindeabschnitt 228 seinerseits in eine Gewindebohrung 226 eines Lagerzapfens 230, in diesem Fall des hochdruckseitigen Lagerzapfens 230 des Schraubenläufers 36, eingeschraubt, wobei sich diese Gewindebohrung 226 vorzugsweise von einer Stirnseite 232 des Lagerzapfens 230 koaxial zur jeweiligen Schraubenachse 52 in diesen hinein erstreckt.
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Um eine optimale Zentrierung des Aufnahmezapfens 224 zu erreichen, ist der Aufnahmezapfen 224 noch mit einem Zentrierkonus 234 versehen, welcher mit einer am Übergang von der Stirnseite 232 zur Gewindebohrung 226 vorgesehenen Konusfläche 236 zentrierend zusammenwirkt.
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Zur Abstützung des Lagerinnenrings 222 ist der Aufnahmezapfen 224 mit einer den Lagerinnenring 222 radial aufnehmenden Zentrierfläche 242 versehen und zusätzlich noch mit einem radial über die Zentrierfläche 242 nach außen überstehenden Stützflansch 244 der auf einer der Stirnseite 232 des Lagerzapfens 230 zugewandten Seite den Lagerinnenring 222 mit einer Flanschfläche 246 abstützt.
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Ferner ist jedes der Stützlager 212, 214 mit einem Lageraußenring 252 versehen, auf welchen eine Druckscheibe 254 einwirkt, die auf einer der der Flanschfläche 246 und somit beispielsweise auch der Stirnseite 232 des Lagerzapfens 230 gegenüberliegenden Seite des jeweiligen Stützlagers 212, 214, an diesem anliegt und ihrerseits, wie in 5 dargestellt, in dem Lagergehäuse 18 relativ zur jeweiligen Schraubenachse 52, 54 zentriert und in Richtung parallel zu den Schraubenachsen 52, 54 bewegbar geführt angeordnet ist.
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Diese Druckscheibe 254 wird beaufschlagt durch einen Satz von Tellerfedern 256 die auf ihrer der Druckscheibe 254 abgewandten Seite ebenfalls in dem Lagergehäuse 18, insbesondere einem in diesem vorgesehenen Sitz 258 abgestützt sind und auf die Druckscheibe 254 so einwirken, dass diese das jeweilige Stützlager 212, 214 im Bereich des Lageraußenrings 252 in Richtung des Lagerzapfens 230 beaufschlagt, so dass insgesamt durch die jeweiligen Stützlager 212, 214 jeder der Schraubenläufer 36, 38 mit einer parallel zu der jeweiligen Schraubenachse 52, 54 wirkenden Kraft beaufschlagt ist, die in den Richtungen 112, 114 wirkt.
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Die erfindungsgemäße Lösung, beispielsweise unter Verwendung des in den jeweiligen Lagerzapfen 230 stirnseitig eingesetzten Aufnahmezapfens 224, ermöglicht es somit, die Stützlager 212, 214 wesentlich kleiner zu dimensionieren als die jeweils radial auf dem Zapfenabschnitt 93, 95, 97, 99 des jeweiligen Lagerzapfens 230 aufsitzenden radial wirksamen Lager 104, so dass eine räumlich vorteilhafte Lösung geschaffen ist.
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Insbesondere sind die Stützlager 212, 214 so dimensioniert, dass deren Größe, beispielsweise der Außendurchmesser der Lageraußenringe 252 kleiner ist als ein Durchmesser des Lagerzapfens 230 und insbesondere im Bereich von ungefähr 15 % bis ungefähr 80 % der Größe der axial wirksamen Lager 104 liegt.
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Ferner sind die durch das Tellerfederpaket 256 erzeugten Kräfte in den Richtungen 112 und 114 so gewählt, dass sie im Bereich von ungefähr 2 % bis ungefähr 30 % der im Normalbetrieb der Expansion-/Kompressionsmaschine auf die Schraubenläufer 36, 38 wirkenden Kräfte Liegen.
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Die vorstehend beschriebene Expansions-/Kompressionsmaschine kann in vereinfachter Form auch nur mit einem der Stützlager 212, 214 versehen sein, wobei im Fall einer Expansionsmaschine vorzugsweise das Stützlager 214 vorhanden ist und im Fall einer Kompressionsmaschine vorzugsweise das Stützlager 212 vorgesehen ist.
