DE3220516A1

DE3220516A1 - Trockenlaufende schraubenmaschine

Info

Publication number: DE3220516A1
Application number: DE3220516A
Authority: DE
Inventors: Karl Prof.Dr.-Ing. 3000 Hannover Bammert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-06-01
Filing date: 1982-06-01
Publication date: 1983-12-01
Also published as: IT1169432B; BE896887A; FR2527701A1; IT8321359A0; JPS58214601A; GB8314581D0; GB2121112A

Description

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RICHARD GLAWE KLAUS DELFS

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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

¹³J 8000 MÜNCHEN 26 2000 HAMBURG 13

J POSTFACH 162 POSTFACH 2570

^000 Hannover uebherrstr. 20 rothenbaum-

-'^υυυ ndimuvex tel.<089>22 6S48 chausseess

TELEX 5 22 S05 SPEZ TEL (040)4102003

TELECOPIER (089) 22 3938 TELEX212921 SPEZ

MÜNCHEN
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.

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' 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.

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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-

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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-

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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

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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.

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Claims

Patentansprüche

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

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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.

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