DE3220516A1 - Trockenlaufende schraubenmaschine - Google Patents
Trockenlaufende schraubenmaschineInfo
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Description
GLAWE1 DELFS1 MOLL & PAKTWEB · : J :.": · !-"PATENTANWÄLTE 32 2 0 516
v3 EUROPEANPATENTATTORNEYS
RICHARD GLAWE KLAUS DELFS
-"■·· · DR.HNG. DIPU-ING.
ULRICH MENGOEHL
WALTERMOU. DiPL-CHEM. DR. RER NAT
DIPL-PHYS. DR. RER. NAT HEINRiCHNIESUHR
ÖFF BEST DOLMETSCHER DIPL-PHYS. DR. PHIL HABIL.
Prof. Dr. Ing.
Karl Bammert
Karl Bammert
13J 8000 MÜNCHEN 26 2000 HAMBURG 13
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MÜNCHEN
A 75
A 75
Trockenlaufende Schraubenmaschine
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine trockenlaufende Schraubenmaschine
für die Verdichtung oder Expansion von gasförmigen Medien, mit Kämmeingriff zwischen einem schraubenförmige
Rippen aufweisenden Hauptläufer und einem schraubenförmige
Nuten aufweisenden Nebenläufer, von denen der eine Läufer mit einem Leistungsantrieb oder -abtrieb verbunden ist und
ein Teil der zugeführten oder abgeführten Leistung zum bzw. vom anderen Läufer übertragen wird.
Schraubenmaschinen der vorstehend genannten Art, die auch als außenachsige Rotationskolbenmaschinen bezeichnet
werden, werden verwendet als Kompressoren, wobei Antriebsleistung zugeführt wird, um ein Gas zu verdichten,
·oder als Expansionsmotoren, wobei ein im Arbeitsraum expandierendes
Gas die beiden Läufer dreht und Antriebsleistung von einem der Läufer abgenommen werden kann.
Nach dem bisherigen Stand der Entwicklung werden grundsätzlich zwei Bauarten von Schraubenmaschinen unterschieden ,
nämlich trockenlaufende Schraubenmaschinen und Schraubenmaschinen mit Einspritzung. Bei den trockenlaufenden Maschinen
wird in den Arbeitsraum nur das zu verdichtende oder zu entspannende gasförmige Medium gegeben. Bei trockenlaufenden
Maschinen sind die fellen der beiden Läufer grundsätzlich durch ein Gleichlaufgetriebe miteinander verbunden, welches
die Drehung der Läufer so miteinander synchronisiert, daß die.direkte Berührung zwischen den Flanken der Läufer vermieden
wird. Die Leistungsübertragung zwischen Hauptläufer'
und Nebenläufer erfolgt somit ausschließlich über das Gleichr laufgetriebe. Dieses wurde bisher ausnahmslos für zwingend
notwendig gehalten, da eine direkte leistungsübertragende Berührung zwischen rotierenden, ungeschraierten Teilen
nach aller Erfahrung des Maschinenbaues zu einem alsbaldigen Fressen und Stillstand der Teile führen müßte und daher
bei Maschinen für den praktischen Einsatz nicht zulässig ist. Die Nachteile, die sich bei Verwendung eines
Gleichlaufgetriebes ergeben, nämlich höherer Bauaufwand,
erhöhter Platzbedarf, Leistungsverlust und Geräuschentwicklung durch das Gleichlaufgetriebe selbst sowie geringere
Verdichtungsleistung durch den ständig vorhandenen Spalt zwischen den sich nicht berührenden Läufern, wurden in Kauf
genommen.
Diese Nachteile sind nicht vorhanden bei der zweiten Bauart von Schraubenmaschinen, den Schraubenmaschinen mit
■ Einspritzung, die sich vor allem in den letzten zwei Jahrzehnten durchgesetzt haben. Bei dieser Bauart v/ird zur
Schmierung, Kühlung und Spaltabdichtung der Läufer in den Arbeitsraum Öl oder eine andere Schmier-Kühlflüssigkeit
eingespritzt, und zwar in erheblichen Kengen, die bis zum Mehrfachen des Massenstroms des gasförmigen Arbeitsmediuns
betragen kann. Die auf diese Weise intensiv geschmierten
, und gekühlten Läufer können sich direkt leistungsübertragend
berühren und ein Gleichlaufgetriebe wird nicht verwendet. Gegenüber den trockenlaufenden Maschinen hat diese Bauart
den Vorteil des geringeren Bauaufwandes und eines höheren erreichbaren Verdichtungs- oder Expansionsdruckes aufgrund
der verbesserten Kühlung und gegenseitigen Abdichtung der Läufer. Ein beträchtlicher Nachteil der Schraubenmaschinen
mit Einspritzung besteht jedoch darin, daß das Arbeitsmedium mit dem Öl bzw. der Kühl-Schmierflüssigkeit vermischt
und verschmutzt v/ird und daß aufwendige und häufig nur unbefriedigend wirksame Maßnahmen zur nachträglichen
Abtrennung der Flüssigkeit vom Arbeitsmedium notwendig
sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schraubenmaschine zu schaffen, die einfacher und weniger
aufwendig ist als die bisherigen trockenlaufenden Haschinen
mit Gleichlaufgetriebe, gleichwohl aber die mit der Öleinspritzung verbundenen Nachteile nicht aufweist.
"l
' Diese Aufgabe wird bei einer trockenlaufenden Schraubenmaschine
der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Leistungsübertragung vom einen
auf den anderen Läufer direkt über die sich ohne Einführung eines Schmiermittels in den Arbeitsraum trocken berührenden
Flanken der Schraubenrippen und Schraubennuten der nicht durch ein GIeichlaufgetriebe synchronisierten Läufer
erfolgt.
Es hat sich bei Versuchen überraschenderweise gezeigt, daß die von der Fachwelt bisher ausnahmslos befolgte Regel,
eine trockenlaufende Maschine mit einem die direkte Flankenberührung
der Läufer verhindernden GIeichlaufgetriebe zu
betreiben, unnötig ist und daß eine trockenlaufende Maschine mit unmittelbarer, leistungsübertragender Flankenberührung
zwischen den Läufern, entgegen aller Erwartung, über längere Zeit ohne Auftreten von Verschleißerscheinungen u. dgl. betriebsfähig
ist.
'" COPY
Die durch die Erfindung erzielte Vereinfachung gegenüber
den bisherigen trockenlaufenden Maschinen mit Gleichlaufgetriebe, aber auch gegenüber den öleingespritzten
Schraubenmaschinen ist offensichtlich. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Schraubeismaschine aber auch überraschenderweise
betriebssicherer als die bisherigen Maschinen mit Gleichlaufgetriebe. Bei Maschinen mit Gleichlaufgetriebe
kommt es immer wieder vor, daß geringe Verschiebungen im Gleichlaufgetriebe zu einer Fehisynchronisation
zwischen den Läufern führen, wobei es doch zur ■ Flankenberührung der Läufer und damit zu Zwangskräften
zwischen den gegenseitigen Eerührungssteller, und den
Läuferflanken einerseits und im Gleichlaufgetriebe andererseits
kommt. Die hierbei auftretenden Kräfte können wesentlich größer sein als die für die normale Leistungsübertragung
benötigten Kräfte, und sie führen zu Preß-, Verschleiß- und Überhitzungserscheinungen und zur Schädigung
der Maschine. Diese bei Phasenfehlemder Synchronisieruni
auftretenden Erscheinungen haben bisher offensichtlich den Fachmann in seiner Auffassung bestärkt, daß eine exakte,
berührungsfreie Synchronisierung der Läufer unbedingt erforderlich ist. Bei der erfindungsgemäßen Maschine können dagegen
solche durch Synchronisierungsfehler verursachten
Nachteile und Schädigungen nicht auftreten,infolgedessen sind die durch direkte Flankenberührung der Läufer zu übertragenden
Kräfte lediglich diejenigen, die für die Ücer-
JNCOMPLETE COpV
- 5 - ORIGINAL INSPECTED
tragung eines Teils der Leistung vom einen auf den anderen
Läufer erforderlich sind. Es wurde gefunden, daß diese Kräfte so gering sind und sich zudem über einen großen Teil der
Länge der Läufer verteilen ,Väaß die Druckbelastung an den
Berührungsstellen hinreichend gering ist und übermäßige Verschleiß- und Freßerscheinungen trotz trockener Berührung
auch im längeren Betrieb nicht auftreten.
Ein weiterer Vorteil gegen den bisherig bekannten trockenlaufenden Maschinen mit Gleichlaufgetriebe besteht darin, daß
die Maschine weniger anfällig für Torsionsschwingungen an den Läuferwellen ist. Bei den bekannten Maschinen bildet das
System Rotör-Welle-Getriebe ein Schwingsystem, in dem unangenehme
Torsionsschwingungen auftreten können. Sin weiterer
Vorteil besteht darin, daß höhere Verdichtungsleistungen als bei'Maschinen mit Gleichlaufgetriebe erzielbar sind, da ein
vom Gleichlaufgetriebe ständig offengehaltener Spalt zwischen den Läufern nicht mehr vorhanden ist.
Gegenüber den Schraubenmaschinen mit Einspritzung hat
. die erfindungsgemäße Maschine alle Vorteile der trockenlau- ■
fenden Maschinen, insbesondere im Bezug auf die Reinhaltung
des Arbeitsmediums und den Wegfall aller für Zuführung,Abtrennung und Rezirkulation der Schmier- und Kühlflüssigkeit erforderlichen
Einrichtungen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung
kann eine eventuelle Verschleißgefähr an den sich direkt berührenden Läuferflanken dadurch weiter verringert
•werden, daß ein oder beide Läufer mindestens im Berührungsbereich
ihrer Flanken mit einer verschleißmindernden Schicht versehen werden. Besonders vorteilhaft ist
es, wenn die Flankenoberfläche der beiden Läufer aus unterschiedlichem Werkstoff mit einer besonders günstige
Reibverhältnisse liefernden Werkstoffpaarung bestehen. Beispiele für solche Werkstoffpaarungen sind Stahl/Grauguß,
Stahl/Bronze, Stahl/Messing, Grauguß/Bronze und Grauguß/Messing.
Eine andere Möglichkeit besteht in der TiTahl einer besonders
harten Oberflächenschicht, die ganz oder zu einem großen Teil aus Siliciumcarbit oder anderen Carbiden besteht.
Da die erfindungsgemäße Maschine eine trockenlaufende
Maschine ist, erfolgt die Kühlung der sich leistungsübertragend berührenden Läuferflanken im wesentlichen durch
das gasförmige Arbeitsmedium. Es hat sich gezeigt, daß hierdurch im Regelfall eine ausreichende Kühlung erzielt
wird, wobei zu berücksichtigen ist, daß jede Läuferflanke nur während eines Bruchteils, z. B. 60° jeder Umdrehung
Berührung mit dem anderen Läufer hat und während des restlichen Teils der Umdrehung frei vom gasförmigen Ar-
— 7 —
/O
beitsmedium umspült wird. Je nach der in der Maschine erzeugten Verdichtung oder Expansion des gasförmigen
Mediums kann über die Länge des Arbeitsraums ein beträchtlicher Temperaturunterschied des Arbeitsmediums
bestehen, wobei ein Ende der Maschine, und zwar bei Verdichterbetrieb das Eintrittsende, das das "kalte Ende"
der Maschine ist. In diesem kalten Bereich ist die vom Arbeitsmedium auf die Läufer ausgeübte Kühlwirkung besonders
gut. Es ist deshalb gemäß einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung vorgesehen, daß die leistungsübertragende
Direktberührung zwischen den Läuferflanken ausschließlich oder überwiegend in diesem kalten Bereich
des Arbeitsraumes erfolgt. Dies läßt sich durch eine entsprechende, über die Länge jedes Läufers unterschiedliehe
Verteilung des Spiels zwischen den Läufern erreiche. Beispielsweise können die Läuferflanken vom
kalten zum warmen Ende hin mit zunehmend größeren Toleranzen bearbeitet sein. Auch durch eine leichte Divergenz
zwischen den beiden Läuferachsen läßt sich die gewünschte ungleiche Spielverteilung einstellen.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Schraubenmaschine als Kompressor betrieben, wobei der
Hauptläufer angetrieben wird und etwa 10 - 15 % der zugeführten Antriebsleistung auf den Nebenläufer übertragen
werden muß. Bei der bisherigen Bauart würde dies über ein ölgeschmiertes Gleichlaufgetriebe mit einem 7/irkun
BAD ORIGINAL COPY
grad von ca. 98 % erfolgen. Es entsteht somit ein Verlustleistungsanteil von 15 % x 2 % = 0,3 % der
gesainten Maschinenleistung. Diese Verlustleistung muß mit dem Schmieröl des Gleichlaufgetriebes abgeführt
werden.
3ei der erfindungsgemäßen Maschine entfällt das Gleichlaufgetriebe,und die übertragung von 15 % der
Leistung auf den Nebenläufer erfolgt durch direkte Läuferberührung. Der Wirkungsgrad dieser Leistungsübertragung
ist geringer als in einem ölgeschnierten Gleichlauf
getriebe und beträgt schätzungsweise 80 ?·:, wobei
Verbesserungen dieses Wirkungsgrades durch geeignete Flankenprofile und/oder Werkstoffwahl der Läuferflanken
möglicV: sein dürften. Es entsteht somit im Arbeitsraum
zusätzlich zu den thermodynamischen Verlusten eine durch die Leistungsübertragung verursachte Verlustleistung von
15 96 x 20%= 3 % der Gesamtleistung. Diese Verlustleistung
kann aber ohne weiteres vom Arbeitsmedium aufgenommen und abgeführt werden und führt nicht zu einer Überhitzung
der Läufer.
BAD ORIGINAL °OPY
Claims (5)
1. Trockenlaufende Schraubenmaschine für die Verdichtung
oder Expansion von gasförmigen Medien, mit Kämmeingriff zwischen einem schraubenförmige Rippen aufweisenden Hauptläufer
und einem schraubenförmige Nuten aufweisenden Nebenläufer, von denen der eine Läufer mit einem Leistungsantrieb
oder -abtrieb verbunden" ist und"ein Teil der zugeführten
oder abgeführten Leistung zum oder vom anderen Läufer übertragen wird, dadurch gekennzeichnet , daß
die Leistungsübertragung von dem einen auf den anderen Läufer
COPY
direkt über die sich ohne Einführung eines Schmiermittels in den Arbeitsraum trocken berührenden Flanken der Schraubenrippen
und Schraubennuten der nicht durch ein Gleichlaufgetriebe synchronisierten Läufer erfolgt.
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß ein oder beide Läufer mindestens im Eingriffsbereich
ihrer Flanken mit einer verschleißmindernden Schicht versehen sind. '
3. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Flankenoberflächer der Läufer mindestens im
Singriffsbereich aus verschiedenen Werkstoffen in einer reibungsmindernden
Werkstoffpaarung bestehen.
k. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Oberflächenschicht sehr hart ist und ganz
oder teilweise aus Siliciumcarbid oder anderen Carbiden besteht.
5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Flankenspiel zwischen den
Läufern am kalten Ende der Maschine kleiner als am anderen Ende ist, derart, daß die Leisungsübertragung vorwiegend am
kalten Ende der Läufer erfolgt.
r COPY
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