DE2553222C3 - Regelbarer Schraubenverdichter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen regelbaren Schraubenverdichter mit in einem Gehäuse durch zwei achsparallele ineinander schneidende Bohrungen gebildetem und dabei durch zwei dazu senkrechte Stirnwände stirnseitig abgeschlossenem Arbeitsraum, mit zwei darin miteinander kämmenden Schraubenrotoren, von denen der eine als Rippen- und der andere als Nutenrotor ausgebildet ist, und mit einer Einrichtung, bei der durch axiale Verschiebung eines vom Fördergas berührten Verdichterteils der Förderstrom geregelt wird, indem ein Teil des schon in den Zahnlücken bzw. -nuten der Schraubenrotoren befindlichen Gases vor Beginn der Verdichtung in den Saugraum rückführbar ist.

Eine Regelung des Volumenstromes ist bei Verdichtern fast immer erforderlich, weil der erzeugte Volumenstrom des Verdichters nur in seltenen Fällen dem Verbrauch entspricht und man das überschüssige Druckgas nicht nutzlos in die Atmosphäre ablassen will. Der Volumenstrom kann durch Veränderung der Antriebsdrehzahl des Verdichters beeinflußt werden. Dieses Verfahren beschränkt sich jedoch in der Praxis nur auf Verdichter, die durch Verbrennungsmotoren angetrieben werden, da bei einem Elektroantrieb in den meisten Fällen Drehstrommotoren mit festgelegter Drehzahl verwendet werden. Für die mit konstanter Drehzahl angetriebenen Verdichter werden deshalb besondere Steuereinrichtungen verwendet. So sind Steuereinrichtungen zur stufenlosen Regelung des Volumenstromes von Schraubenverdichtern bekannt (DE-OS 16 28 382, DE-OS 16 28 385 und CH-PS 1 88 949), bei denen eine Schiebersteuerung verwendet wird. Diese Einrichtungen bestehen im wesentlichen aus einem Steuerschieber, der umfangsseitig an den im Eingriff arbeitenden Schraubenrotoren neben dem Eingriffsbereich angeordnet ist. Der Schieber ist so ausgestaltet, daß die Querschnittsform des Gehäuses nicht verändert wird. Durch Verstellen des Schiebers in Richtung zur Auslaß-Seite hin wird ein Raum freigegeben, durch den das bereits angesaugte Gas wieder zur Ansaugseite zurückströmen kann, je weiter der Schieber geöffnet wird, desto geringer wird dadurch die tatsächlich angesaugte GaEmenge. Die Steuerkante ίο des Steuerschiebers wird gleichfalls zur Druckseite hin verschoben, so daß das eingebaute Druckverhältnis für einen genügend großen Regelbereich in etwa gleichbleibender Größe erhalten bleibt Die betätigung des Steuerschiebers erfolgt pneumatisch, hydraulisch oder mechanisch. Das Teillastverhalten der' beschriebenen stufenlos wirkenden Schieberregelung ist in der Zeichnung (Fig. 1) durch den Linienzug zwischen den Punkten 1 und 2 dargestellt Hierbei ist gegenüber der eingezeichneten Ideal-Linie, die als Gerade zwischen den Punkten 1 und 6 verläuft und welche den geringsten Arbeitsbedarf für den verminderten Volumenstrom angibt, eine mehr oder weniger große Abweichung vorhanden, welche besonders bei geringer werdenden Prozentzahlen deutlich wird. Man entlastet daher

y> bereits bei einem Volumenstrom von weniger als ca. 20% durch Abblasen in die Atmosphäre oder durch Entspannen des Druckgases in der Ansaugleitung. Bei Wegfall des Gasgegendruckes und bei völlig geöffnetem Steuerschieber, also ohne innere Verdichtung, beträgt der Arbeitsbedarf bei Nullförderung (der sogenannte Leerlauf) in Punkt 3 nur noch ca. 10% gegenüber dem Arbeitsbedarf bei Vollförderung (Punkt 1).

Die beschriebene Einrichtung zur Regelung des Volumenstromes bei Schraubenverdichtern hat sich jedoch nicht allgemein durchsetzen können, weil sie einen hohen konstruktiven Aufwand erfordert und somit teuer ist.

Eine andere bekannte Steuereinrichtung zur stufenlosen Regelung des Volumenstromes bei Schraubenverdichtem ist in den »DEMAG-Nachrichten«, Heft 182 v. 1966, auf den Seiten 18 201-18 209 beschrieben. Die Steuereinrichtung besteht im wesentlichen aus einem Drosselorgan, das in der Ansaugleitung des Schraubenverdichters vorgesehen ist. Bei dieser Drosselregelung vermindert sich jedoch der Arbeitsbedarf bei geringer werdendem Volumenstrom nur wenig, wie aus F i g. 1 ersichtlich ist. Bei völlig geschlossener Drossel ergibt sich die Nullförderung des Verdichters. Der Arbeitsbedarf beträgt hierbei in Punkt 4 noch immer ca. 75%

in gegenüber voller Last, also wesentlich mehr als bei der Schieberregelung, weil trotz Entlastung des Kompressors das eingebaute innere Druckverhältnis erhalten bleibt und damit eine entsprechende Verdichtungsarbeit aufgebracht werden muß.

Bei der vorbeschriebenen Schieber- sowie Drosselregelung ist kein besonderer Druckbehälter für die stufenlose Regelung des Volumenstromes erforderlich. In den Teillastbereichen beider Regelarten ergeben sich jedoch die bereits erwähnten Verluste gegenüber der

Ideal-Linie. Die Verluste können vermieden werden, wenn ein den Erfordernissen entsprechend großer Druckbehälter als Puffervolumen zwischen Verdichter und Verbraucher vorgesehen und lediglich mit Vollförderung (Punkt 1) und Stillstand (Punkt 6) gefahren wird.

Diese sog. Aussetz- oder Stillstand-Regelung stellt zwar das wirtschaftliche Optimum dar, weil bei Vollförderung der Verdichter mit dem spezifisch niedrigsten Arbeitsbedarf läuft und bei Stillstand keinerlei Verluste zu

decken sind, ist jedoch aus wirtschaftlichen Gründen nicht immer anwendbar.

Verkleinert man nämlich das Druckbehältervolumen, um einen vertretbaren Anschaffungspreis zu erreichen, ergeben sich häufigere Ein- und Ausschaltvorgänge des Verdichteraggregates. Bei dem oft angewendeten Antrieb durch Elektromotoren kommt es hierbei zu schädlichen Erwärmungen, so daß nun notgedrungen nicht zwischen Vollförderung (Punkt 1) und Stillstand (Punkt 6) fahren kann, sondern den Motor durchlaufen läßt und den Kompressor bei Nullförderung im Leerlauf betreibt Bei Schieberregelung und Entlastung entspricht dies dem Punkt 3, bei Drosselregelung und Entlastung dem Punkt 5. Dabei kommt es — um einen wirtschaftlichen Betrieb eines Schraubenverdichters, der mit der sog. Durchlaufregelung ausgestattet ist, zu erreichen — entscheidend darauf an, daß der Arbeitsbedarf besonders bei längeren Nullförderzeiten so gering wie möglich ist

Es sind auch Zahnradpumpen mit mindestens zwei miteinander kämmenden Zahnrädern bekannt bei denen eine Regelungsmöglichkeit durch axiales Verschieben eines Zahnrads gegenüber dem anderen besteht Hierbei wird die für die Förderung wirksame Zahnbreite der Zahnräder verändert So zeigt die 2> US-PS 26 84 636 eine Pumpe für Flüssigkeiten, wobei eines der beiden stirnverzahnten Räder in verschieblichen Lagerschilden gelagert ist, die im Gehäuse gleitend angeordnet sind.

Eine ähnliche Anordnung weist eine ölpumpe nach to der FR-PS 13 95 842 auf, bei der die stirnverzahnten Zahnräder zueinander in axialer Richtung verstellbar sind. Hierbei wird das verstellbare Zahnrad im Gehäuse mit Hilfe von an das Zahnrad stirnseitig angeschlossene Scheiben in die gewünschte Lage verstellt. j >

Es ist auch ein in der DE-PS 5 14 956 beschriebener umsteuerbarer Pfeilradmotor bekannt. Jeder Läufer besteht aus drei Teilen, wobei die axiale Verschieblichkeit des jeweils mittleren Teiles durch pneumatische Kraft erreicht wird. Dabei sind an der jeweils nicht benutzten Läuferseite Überströmkanäle angeordnet, durch die die Abluft in die Atmosphäre geleitet wird. Durch diese Anordnung kann die Drehrichtung der Maschine geändert werden. Eine Regelung des Volumenstromes ist bei dieser Maschine nicht möglich. v>

Aufgabe der Erfindung ist es, einen regelbaren Schraubenverdichter der eingangs genannten Art mil einer Steuereinrichtung zur Regelung des Volumenstromes zu schaffen, die es bei einem sehr einfachen Aufbau ermöglicht, im Leerlauf mit einem wesentlich kleineren Arbeitsaufwand des Verdichters zu arbeiten. Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Schraubenteil des hauptsächlich als Dichtungsrotor dienenden Nutenrotors übe- das normale Mindestaxialspiel hinaus deutlich kürzer als die v-, durch den Abstand der Stirnwände voneinander bestimmte Länge des Arbeitsraums ausgebildet und im Arbeitsraum axial verschiebbar angeordnet ist.

Es werden also ein oder beide Rotoren des Schraubenverdichters während des Betriebes zur w> Ansaugseite hin verschoben, so daß auf der Druckseite innerhalb des Gehäuses ein freier Raum gebildet wird. Zwischen diesem Raum und der Saugseite wird über die vorhandenen Zahnlückenräume eine Verbindung hergestellt. Damit ist die Nullförderung im Leerlauf ohne b^r> innere Verdichtung möglich. Das nach den einschlägigen Bestimmungen in der Druckleitung erforderliche Rückschlagventil verhindert das Rückströmen des Druckgases von der Verbraucherseite her. Wenn die Vollförderung wieder eingeleitet werden soll, werden die Rotoren wieder in die Ausgangsstellung gebracht. Da die innere Verdichtung bei Nullförderung im Leerlauf völlig aufgehoben wird und genügend große Oberströmquerschnitte zur Saugseite hin eröffnet werden, ergeben sich zum einen keine Verdichtungsverluste und zum anderen werden die Rückströmverluste auf ein geringes Maß reduziert Wegen des geringen Arbeitsbedarfes im Leerlauf eignet sich die Steuereinrichtung auch als Anfahrhilfe beim Start eines Verdichteraggregates. Bei Vollförderung wird der Wirkungsgrad des Schraubenverdichters nicht beeinträchtigt

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der kurzer ausgebildete Nutenrotor mit Hilfe eines in einem an eine Druckmittelquelle angeschlossenen Zylinder geführten Kolbens axial verschiebbar.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es zweckmäßig, wenn der Kolben einseitig mit Druckmittel beaufschlagbar ist und unter der Wirkung einer Rückstellfeder steht

Im folgenden wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

F i g. 1 zunächst, wie schon erwähnt, ein Diagramm der Abhängigkeit des Arbeitsbedarfs vom Volumenstrom, bei in bekannter Weise regelbaren Schraubenverdichtern,

Fig.2 dann einen Schraubenverdichter mit den erfindungsgemäßen Merkmalen im horizontal geführten Längsschnitt in der Betriebsstellung bei Vcllförderung und

Fig.3 den Schraubenverdichter gemäß Fig. 2, jedoch in der Betriebsstellung bei Nullförderung im Leerlauf.

In Fig. 1 ist ein Diagramm dargestellt, das einen Vergleich des Teillastverhaltens der Drossel- sowie Schieberregelung mit dem Verlauf der Ideal-Linie zwischen dem Stillstand und der Vollförderung bei den erwähnten bekannten Einrichtungen zeigt.

In Richtung der Abszissen-Achse sind die Werte des Volumenstroms in Prozenten gegenüber der Vollförderung, in Richtung der Ordinatenachse die Werte des Arbeitsbedarfes in Prozenten der Vollförderung bei den einzelnen Regelungsarten eingetragen.

Der Punkt 6 entspricht der Nullförderung bei Stillstand, der diagonal gegenüberliegende Punkt 1 entspricht der Vollförderung.

Wie Fig.2 zeigt, kämmen im Hohlraum des Gehäuses 3, dem Arbeitsraum, ein Rippenrotor 1 und ein Nutenrotor 2 im Außeneingriff miteinander. Der über ein Ritzel 4 angetriebene Rippenrotor 1 ist im Lagerschild 5 an der Ansaugseite des Verdichters im Rollenlager 6, welches als Loslager ausgebildet ist, und auf der Druckseite in einer Lagerkombination aus einem Rollenlager 7 und einem Vierpunktlager 8, welches das Festlager darstellt, gelagert. Der Nutenrotor 2 ist mit seinen Wellenstummeln einenends im ortsfesten Rollenlager 14 und anderenends in einer Kombination, bestehend aus einem ortsfesten Rollenlager 15 und einem axial verschiebbaren Kugellager 13, gelagert. Die Länge des schraubenförmigen Teiles des Nutenrotors 2 ist über das konstruktionsbedingte Axialspie! hinaus um ein Maß »X« kürzer als die Länge des schraubenförmigen Teiles des Rippenrotors 1 bzw. durch den Abstand der Hohlraumstirnwände bestimmte Länge des doppelzylindrischen Arbeitsraumes im Gehäuse 3. Damit die Verschiebung des Rotors 2 innerhalb des Gehäuses 3 um

das Maß »X« möglich ist, sind die Innenringe der Rollenlager 14 und 15 entsprechend breit ausgebildet.

Zwischen dem ortsfesten Lager 15 und dem axial verschiebbaren Lager 13 ist eine aus zwei Tellerfedern 16 bestehende Rückstellfeder angeordnet, die in Fi g. 3 im ausgedehnten Zustand gezeichnet ist. Das Vierpunktlager 13 ist an einem Kolben 11 angeschlossen, der innerhalb einej Zylindtrs 12 verschiebbar ist. Der 7ylinderraum des Zylinders 12 ist über eine Hohlschraube 9 an eine nicht dargestellte Druckmittelleitung bzw. Druckmittelquelle angeschlossen. Die Hohlschraube 9 dient außerdem ah einstellbarer Anschlag für den Kolben 11 und wird mit Hilfe einer Mutter 10 in der gewünschten Lage festgestellt. Die Fig.2 zeigt die Stellung der Rotoren bei Vollförderung.

Bei Nullförderung (F i g. 3) wird der Nutenrotor 2 durch Betätigung des Kolbens 11 in Richtung zur Saugseite hin verschoben, so daß zwischen der Stirnwand des schraubenförmigen Teils des Rotors 2 und der druckseitigen Stirnwand des Arbeitsraumes ein zylindrischer Raum mit der Länge »X« vorhanden ist. Dabei wirkt der Druck im Zylinder 12 gegen die Druckkraft der Rückstellfeder 16. In diesem Zustanc liegen die Teller der Feder 16 dicht aneinander, so da£ die Feder ein Distanzelement bildet, das die Verschie bung des Rotors 2 in Richtung zur Ansaugseite hir s begrenzt. Die Lagerung der Wclienstummel des Rotor« 2 ist so ausgestaltet, daß zwischen der Stirnseite des schraubenförmigen Teils des Rotors 2 und dei ansaugseitigen Stirnwand des Arbeitsraumes gerade da; minimale, konstruktionsbedingte Axialspiel besteht. Die

ίο Dichtwirkung zwischen Rotor und Stirnwand ist jedoch vorhanden. Demgegenüber ist die Dichtwirkung des Nuten-otors an der druckseitigen Stirnfläche des Arbeitsraumes in dieser Stellung des Rotors 1 aufgehoben und das Druckgas sowie die auch weitet angesaugten Gasmengen können über die dann offener Schraubengänge der Rotoren 1 und 2 zur Ansaugseite gelangen.

Die Wege, die sich hierbei in den Nuten des. Nutenrotcrs 2 eröffnen, sind mit a, b, c bezeichnet Mindestens ein mit d bezeichneter Weg erföffnet siel· dabei auch zwischen zwei Schraubengängen de; Rippenrotors 1.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Regelbarer Schraubenverdichter mit in einem Gehäuse durch zwei achsparallele ineinander schneidende Bohrungen gebildetem und dabei durch zwei dazu senkrechte Stirnwände stirnseitig abgeschlossenem Arbeitsraum, mit zwei darin miteinander kämmenden Schraubenroloren, von denen der eine als Rippen- und der andere als Nutenrotor ausgebildet ist, und mit einer Einrichtung, bei der durch axiale Verschiebung eines vom Fördergas berührten Verdichterteils der Förderstrom geregelt wird, indem ein Teil des schon in den Zahnlücken bzw. -nuten der Schraubenrotoren befindlichen Gases vor Beginn der Verdichtung in den Saugraum rückführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schraubenteil des hauptsächlich afc Dichtungsrotor dienenden Nutenrotors (2) über das normale Mindestaxialspiel hinaus deutlich kürzer als die durch den Abstand der Stirnwände voneinander bestimmte Länge des Arbeitsraums ausgebildet und im Arbeitsraum axial verschiebbar angeordnet ist.

2. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kürzer ausgebildete Nutenrotor (2) mit Hilfe eines in einem an eine Druckmittelquelle angeschlossenen Zylinder (12) geführten Kolbens (11) axial verschiebbar ist.

3. Schraubenverdichter nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (11) einseitig mit Druckmittel beaufschlagbar ist und unter der Wirkung einer Rückstellfeder (16) steht.