DE3422389A1

DE3422389A1 - Stroemungsmaschine in spiralbauweise

Info

Publication number: DE3422389A1
Application number: DE19843422389
Authority: DE
Inventors: Tetsuya Arata; Sumihisa Ibaraki Kotani; Hiroaki Kuno; Takao Shimizu Mizuno; Akira Murayama; Masao Shiibayashi; Kazutaka Shimizu Suefuji; Takahiro Tamura; Yoshikatsu Shizuoka Tomita; Naoshi Uchikawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-06-17
Filing date: 1984-06-15
Publication date: 1984-12-20
Also published as: JPS601395A; US4557675A; KR850000602A; KR880001333B1; JPH0226074B2

Description

Strömungsmaschine in Spiralbauweise

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine in Spiralbauweise, die dahingehend verbessert ist, daß sie stabil mit hoher Leistung über einem weiten Bereich von Betriebsbedingungen arbeitet.

Ein luftdichter Spiralkompressor für einen kälteerzeugenden Kreisprozess als ein Ausführungsbeispiel für eine Strömungsmaschine in Spiralbauweise hat einen Kompressionsmechanismus in Spiralbauweise und einen Antriebsmotor für den Antrieb des Mechanismus, wobei der Kompressionsmechanismus und der Motor luftdicht in einem gemeinsamen Gehäuse eingeschlossen sind. Der Kompressionsmechanismus in Spiralbauweise wird von einem stationären Volutenelement bzw. Spiralelement und einem umlaufenden bzw. Orbital-Volutenelement bzw. Orbitalspiralelement gebildet, das eine umlaufende Bewegung bzw. eine Orbitalbewegung bezüglich des stationären Spiralelements ausübt. Dabei sorgt eine mit dem Antriebsmotor verbundene Kurbelwelle für die Orbitalbewegung des Orbitalspiralelements, wobei diese Hauptbauteile von einem Rahmen getragen sind. Eines der wesentlichen Erfordernisse eines solchen luftdichten Spiralkompressors besteht darin, eine interne Leckage des unter Kompression stehenden Fluids zu verhindern. Wenn der Fluiddruck des Kompressors zunimmt, steigt auch die Axialkraft, die von dem komprimierten Fluid erzeugt wird und so wirkt, daß die beiden Spiralelemente axial voneinander getrennt werden, in entsprechendem Ausmaß, wodurch in ungünstiger Weise die Neigung des Fluids zunimmt, im Inneren von der 0 Hochdruckseite zur Niederdruckseite im Leckstrom zu gelangen.

Eine Lösung dieses Problems ist aus der US-PS 4 365 941 bekannt. Bei einem solchen Kompressor in Spiralbauweise wird Fluid mit Mitteldruck unter Kompression zur Rück-

seite der Stirnplatte des Orbitalspiralelements geleitet, um eine axiale Schubkraft auszuüben, wodurch das Orbitalspiralelement axial in engen Kontakt mit dem stationären Spiralelement gedrückt wird.

Bei einer anderen, aus der US-PS 3 884 599 bekannten Lösung wirkt kontinuierlich ein hoher Fluiddruck auf die Rückseite der Stirnplatte des Orbitalspiralelements, um dieses in engen Kontakt mit dem stationären Spiralelement zu halten.

Diese Lösungen sind jedoch aus den nachstehenden Gründen nicht zufriedenstellend: Bei der erstgenannten Lösung wird der auf die Rückseite des Orbitalspiralelements aufzubringende Druck von einem vorher festgelegten Abschnitt der Kompressionskammer abgeleitet, die zwischen den Spiralwänden der Spiralemente gebildet wird. Deshalb wird dieser Druck allein durch den Ansaugdruck des Kompressors bestimmt, d.h. unabhängig vom Förderdruck des Kompressors. Wenn deshalb der Abgabedruck des Kompressors steigt, steigt die axiale trennende Kraft, die die beiden Spiralelemente axial voneinander trennen möchte, dementsprechend, um die Axialkraft zu überwinden, die von dem Fluiddruck erzeugt wird, der auf die Rückseite der Stirnplatte des Orbitalspiralelements wirkt. Demzufolge vergrößert sich der Spalt zwischen der axialen Stirnseite der Spiralwand des Orbitalspiralelements und der Stirnplatte des stationären Spiralelements, was eine Innenleckage von Fluid unter Kompression ermöglicht, wodurch der volumetrische Wirkungsgrad verringert wird, Was die Kompressionsleistung des Kompressors ernsthaft beeinträchtigt. Der erhöhte Wert des inneren LeckageStroms an Fluid steigert entsprechend die Leckage an Schmieröl, die im Fluid suspendiert ist, so daß das Antreibsdrehmoment des Kompressors aufgrund einer Zunahme des Reibungswiderstands erhöht wird, der sich aus dem Fehlen von Öl ergibt, das den Ölfilm zwischen

den Stirnflächen der Spiralwände und den gegenüberliegenden Stirnplatten bildet. Demzufolge wird die auf den Antriebsmotor ausgeübte Last nachteilig gesteigert. Das Schmieröl wird gewöhnlich durch einen ölkanal zugeführt, der axial durch die Kurbelwelle geht. Das durch diesen ölkanal hochkommende öl wird in einen Raum abgegeben, der zwischen dem oberen Ende der Kurbelwelle und einer Lagernabe an der Rückseite des Orbitalspiralelements ausgebildet ist. Das öl wird dann auf die die Schmierung erfordernden Abschnitte verteilt, beispielsweise auf den Berührungsbereich zwischen den Spiralelementen. Deshalb kann eine übermäßige interne Leckage an schmierendem öl eine Aufwärtsverschiebung der Kurbelwelle aufgrund der Verringerung des Öldrucks in dem erwähnten Raum verursachen. Die Aufwärtsverschiebung der Kurbelwelle bringt ihre Stirnfläche für das Tragen eines Ausgleichsgewichts in Kontakt mit der Stirnfläche der Lagernabe, die an der Rückseite des Orbitalspiralelements ausgebildet ist, woraus sich ein erhöhter Reibungswiderstand und somit eine größere Leistungsanforderung für den Antriebsmotor und ein schneller Verschleiß der Kontaktflächen ergeben.

Bei der zweiten Lösung wird die Axialkraft zum Anpressen des Orbitalspiralelements in innigen Kontakt mit dem stationären Spiralelement allein durch den Förderdruck des Kompressors bestimmt. Wenn deshalb der Druck auf der Niederdruckseite des kälteerzeugenden Kreisprozesses abgesenkt wird, um den Ansaugdruck des Kompressors zu verringern, wird der Innendruck des Kompressors abgesenkt, um so die axiale trennende Kraft zu verringern, die zwischen den beiden Spiralelementen wirkt. Demzufolge nimmt die axiale Preßkraft, die von dem Fluiddruck erzeugt wird, der auf die Rückseite des Orbitalspiralelements wirkt, zu, was seinerseits den Widerstand merklich erhöht, der von der Reibung zwischen den beiden Spiralelementen verursacht wird, was eine größere Leistungseingabe seitens des treibenden Motors erforderlich macht.

Zur Beseitigung dieser Probleme hat man bereits einen Kompressor mit einem begrenzten Betriebsdruck arbeiten lassen und Schmierölnuten in den axialen Stirnflächen der Spiralwände der beiden Spiralelemente ausgebildet, um den Widerstand gegen Verschleiß und die Abdichtungsleistung zu steigern, wie dies beispielsweise aus der US-PS 3 994 633 bekannt ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb darin, eine Strömungsmaschine in Spiralbauweise zu schaffen, die mit hoher Leistung über eine weiten Bereich von Betriebsbedingungen stabil arbeiten kann, ohne daß eine Begrenzung des Arbeitsdrucks und eine spezielle Antifriktions- und Dichtungsbauweise der axialen Stirnflächen der Spiralwände der Spiralelemente erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Strömungsmaschine in Spiralbauweise mit einem Orbitalspiralelement und einem stationären Spiralelement, von denen jedes eine Stirnplatte und eine Spiralwand aufweist, die senkrecht von einer der Seiten der Stirnplatten vorstehen, wobei das Orbitalspiralelement und das stationäre Spiralelement so zusammengefügt sind, daß ihre Spiralwände ineinandergreifen, so daß Kompressionsräume mit sich änderndem Volumen von den Stirnplatten und den Spiralwänden des Orbitalspiralelements und des stationären Spiralelements gebildet werden, das Orbitalspiralelement eine Orbitalbewegung bezüglich des stationären Spiralelements derart ausführt, daß die Kompressionsräume fortschreitend radial nach innen bewegt werden, während ihre Volumina abnehmen, und das Orbitalspiralement eine Gegendruckkammer aufweist, die auf seiner Rückseite ausgebildet ist und mit den Kompressionsräumen mit sich veränderndem Volumen über Druckausg3,eichsöffnungen in Verbindung : steht, die in dem Orbitalspiralelement ausgebildet sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jede der Spiralwände

eine Anzahl der Windungen von wenigstens zwei hat und daß die Positionen der Druckausgleichsöffnungen in Ausdrücken des Spiralwandwinkels f\, der Spiralwände so gewählt werden, daß sie der folgenden Bedingung genügen:

Jd > λ > >d - 2π

wobei Ad der Spiralwandwinkel der Spiralwände ist, wenn das Volumen der Kompressionsräume auf ein Minimum reduziert ist.

Bei dieser Anordnung wird der in die Gegendruckkammer auf der Rückseite des Orbitalspiralelements über die Druckausgleichsöffnungen eingeführte Druck sowohl von dem Förderdruck des Kompressors als auch vom Druck während der Kompression beeinflußt. Da der Druck des Fluids unter Kompression von dem Saugdruck des Kornpressors, wie erwähnt, bestimmt wird, wird die axiale Andrückkraft zum Andrücken des Orbitalspiralelements in Kontakt mit dem stationären Spiralelement bei der Strömungsmaschine in Spiralbauweise gemäß der Erfindung von zwei Faktoren bestimmt, nämlich dem Ansaugdruck und dem Förderdruck. Deshalb wird auch dann, wenn das Kompressionsverhältnis des Kompressors aufgrund einer Änderung im Ansaugdruck und/oder Förderdruck verändert wird, der in der Gegendruckkammer wirkende Druck der Änderung des Innendrucks des Kompressors folgend verändert, so daß die Stirnplatte des Orbitalspiralelements stabil mit einer mäßigen Kraft, die nicht zu groß und nicht zu klein ist, angedrückt werden kann.

Es ist deshalb möglich, eine hohe Leistung und einen stabilen Betrieb der Strömungsmaschine in Spiralbauweise über eine weiten Bereich von Betriebsbedingungen zu erhalten, ohne daß eine Begrenzung des Arbeitsdrucks erforderlich ist und ohne daß spezielle Lagerungs-c und Abdichtungsmaßnahmen an den Stirnflächen der Spiral-

wände der beiden Spiralelemente erforderlich werden.

Erfindungsgemäß kann jede Druckausgleichsöffnung jede gewünschte Position innerhalb des Bereichs einnehmen, der durch Jd > λ> Jd - 2 ir !" angegeben ist, wobei jede Druckausgleichsöffnung an einer Stelle in der Nähe der Spiralwand des Orbitalspiralelements so ausgebildet ist, daß sie einen Durchmesser hat, der im wesentlichen gleich der Breite der Spiralwand des stationären Spiralelements oder kleiner als diese Breite ist. Wenn die Position der Druckausgleichsöffnung näher an die Position /\d '—- kommt, wird die Gegendruckkammer in Verbindung mit dem Kompressionsraum über einen längeren Zeitraum gehalten, wodurch der Druck in der Gegendruckkammer stärker durch den Druck im Kompressionsraum als durch den Förderdruck beeinflußt wird. Das bedeutet, daß der Mittelwert des auf die Rückseite des Orbitalspiralelements wirkenden Drucks näher dem Druck des Fluids unter Kompression liegt. Wenn im Gegensatz dazu die Position der Druckausgleichsöffnung näher zur Position ^.d - 2 Vf gelangt, wird der Druck in der Gegendruckkammer stärker von dem Abgabedruck als in dem Fall beeinträchtigt, in welchem die öffnung eine Position in der Nähe der Position /\,d einnimmt. Demzufolge steigt der Mittelwert des Anpreßdrucks, um eine größere Kraft zu erzeugen, mit der das Orbitalspiralelement in Kontakt mit der Stirnplatte des stationären Spiralelements gedrückt wird.

Um den Reibungswiderstand zu verringern, sollte die Kraft für das Anpressen des Orbitalspiralelements in Kontakt mit dem stationären Spiralelement verringert werden. Unter diesem Gesichtspunkt wird bevorzugt, daß die Druckausgleichsöffnung eine Position in der Nähe der Position ^d einnimmt.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 im Axialschnitt ein Ausführungsbeispiel eines bekannten luftdichten Spiralkompressors,

Fig. 2 eine Draufsicht auf das Orbitalspiralelement des Kompressors von Fig. 1,

Fig. 3 die Spiralwände des Kompressors von Fig. 1 mit Kompressionsräumen mit maximalem Volumen,

Fig. 4 in einer Ansicht wie Fig. 3 die Kompressionsräume mit minimalem Volumen,

Fig. 5 in einem Diagramm die Druckänderung im Bereich um die Druckausgleichsöffnung des Orbitalspiralelements gemäß Fig. 2,

Fig. 6 eine Draufsicht auf ein Orbitalspiralelement gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Spiralkompressors,

Fig. 7 den Schnitt VII-VII von Fig. 6,

Fig. 8 die Spiralwände des Kompressors mit Kompressionsräumen von maximalem Volumen,

Fig. 9 in einer Ansicht von Fig. 8 die Kompressionsräume von minimalem Volumen und

Fig. 10 in einem Diagramm die Änderung des Drucks in dem Bereich um die Druckausgleichsöffnung des Orbitalspiralelements von Fig. 6.

Der in Fig. 1 gezeigte luftdichte Spiralkompressor 10, bei dem es sich um ein Ausführungsbeispiel einer Strömungsmaschine in Spiralbauweise handelt, bei welcher die Erfindung anwendbar ist, hat einen Kompressionsmechanismus in Spiralbauweise, der von einem stationären

Spiral- oder Volutenelement 2, einem Orbitalspiralelement bzw. umlaufenden Volutenelement 1, das eine Orbitalbewegung bezüglich des stationären Spiralelements 2 ausübt, einer Kurbelwelle 3 und einem Rahmen 4 gebildet wird. Das Orbitalspiralelement 1 ist von einem Antriebsmotor 5 antreibbar. Der Kompressionsmechanismus und der Antriebsmotor sind luftdicht in einem gemeinsamen Gehäuse 6 eingeschlossen.

Das Orbitalspiralelement 1 hat eine Stirnplatte 1a und eine Spiralwand bzw. Spiralhülle 1b, die senkrecht von einer Seite der Stirnplatte 1a vorsteht. Die Stirnplatte 1a ist auf der Rückseite mit einem Mechanimus 1c versehen, mit dem verhindert wird, daß sich das OrbitalSpiralelement 1 um seine eigene Achse dreht, sowie mit einem Zapfenlager 1d für die Aufnahme des exzen-^ trischen Kurbelzapfenabschnitts der Kurbelwelle 3. Der Raum in dem Zapfenlager 1d steht mit der Vorderseite der Stirnplatte 1a, die die Spiralwand 1b trägt, über eine ölzuführungsöffnung 1e in Verbindung, die durch die Dicke der Stirnplatte 1a gehend ausgebildet ist.

Das stationäre Spiralelement 2 hat eine Stirnplatte 2a und eine Spiralwand bzw. Spiralhülle 2b, die senkrecht von einer Seite der Stirnplatte 2a absteht. Die Stirnplatte 2a ist mit einer Ansaugöffnung 2c und einer Förderöffnung 2d versehen.

Das OrbitalSpiralelement 1 und das stationäre Spiralelement 2 sind so zusammengefügt, daß ihre Spiralwände Ib und 2b so ineinandergreifen, daß dazwischen Kompressionsräume gebildet werden, was noch erläutert wird.

Der Rahmen 4 ist mit einer Aussparung 4a versehen, deren Größe ermöglicht, daß die Stirnplatte 1a des Orbitalspiralelements 1 eine Orbitalbewegung darin ausübt, wobei die

Stirnplatte 1a des Orbitalspiralelements 1 in der Aussparung 4a aufgenommen ist und das stationäre Spiralelement 2 und der Rahmen 4 starr miteinander zum Halten des Orbitalspiralelements dazwischen verbunden sind. Der Rahmen 4 ist weiterhin mit einem Lager 4c für die Lagerung der Kurbelwelle 3 und mit Schenkeln oder Stützen 4d zum Tragen des Motors 5 versehen.

Der Rahmen 4 und das stationäre Spiralelement 2 sind zusammen als Einheit in dem Gehäuse 6 so angeordnet, daß der Raum im Gehäuse 6 in zwei Abschnitte unterteilt wird, nämlich in einen oberen Abschnitt und einen unteren Abschnitt. Die Anordnung ist so getroffen, daß das Schmieröl und das Gas fast überhaupt nicht durch die Spalte hindurchgehen können, die zwischen dem Gehäuse und dem Einheitskörper gebildet werden, der aus dem Rahmen 4 und dem stationären Spiralelement 2 besteht. Im äußeren Umfang des Rahmens 4 und des stationären Spiralelements 2 ist ein Abgabe- bzw. Förderkanal 7 vorgesehen, der eine Verbindung zwischen dem oberen und dem unteren Abschnitt des Raums im Gehäuse 6 bildet.

Die Kurbelwelle 3 ist mit einem axialen Schmierölkanal 3a versehen, durch den Schmieröl 11 vom Boden des Gehäuses 6 hochgesaugt und dem Zapfenlager 1d und dem Lager 4c aufgrund einer Druckdifferenz zugeführt wird.

An der Rückseite des Orbitalspiralelements 1 ist eine Gegedruckkammer 4b ausgebildet. Die Gegendruckkammer 4b wird von der Stirnplatte 1b des Orbitalspiralelements 1 und dem Rahmen 4 begrenzt und steht mit dem vorher erwähnten Raum oder der Kompressionskammer 12, die zwischen den Spiralwänden 1b, 2b und den Stirnplatten 1a, 2a der beiden Spiralelemente gebildet wird, über Druckausgleichsöffnungen 1f in Verbindung, die im Orbitalspiralelement 1 ausgebildet sind.

Wenn im Betrieb der Motor 5 für den Antrieb der Kurbel-

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welle 3 erregt wird, führt das Orbitalspiralelement T bezüglich des stationären Spiralelements 2 durch die Einwirkung der Kurbelwelle 3 und den Drehsperrmechanimüs 1c eine Orbitalbewegung aus, so daß die zwischen den beiden Spiralelementen 1 und 2 gebildeten Kompressionsräume fortschreitend radial nach innen bewegt werden, wobei ihre Volumina verringert werden, wodurch das durch die Ansaugöffnung 2c angesaugte Gas komprimiert und durch die Förderöffnung 2d abgegeben wird. Das aus der Förderöffnung 2d abgeführte Gas wird über den Förderkanal 7 weitergeführt und aus dem Gehäuse 6 über ein Förderrohr 13 herausgedrückt. Das komprimierte Gas wird dann in einem kälteerzeugenden Kreisprozess zirkulieren gelassen und zur Ansaugöffnung 2c des Kompressors zurückgeführt.

Während des Betriebs des Kompressors erzeugt das unter Kompression befindliche Gas im Kompressor eine axiale trennende Kraft, die so wirkt, daß die beiden Spiralelemente 1 und 2 voneinander weg in Axialrichtung getrennt werden. Die Trennung der Spiralelemente 1 und voneinander weg kann jedoch dadurch vermieden werden, daß das Orbitalspiralelement 1 gegen das stationäre Spiralelement 2 gedrückt wird, und zwar dadurch, daß der Druck in der Gegendruckkammer 4b auf einem Niveau gehalten wird, das höher ist als der Ansaugdruck, jedoch niedriger als der Förderdruck.

Das Schmieröl, das dem Zapfenlager 1d und dem Lager 4c über die Ölkanäle 3a in der Kurbelwelle 3 zugeführt worden ist, wird in die Gegendruckkammer 4b durch die Druckdifferenz zwischen dem Innendruck des Gehäuses 6 und dem Druck in der Gegendruckkammer 4b gedrückt. Das Öl wird dann aus dem erwähnten Kompressionsraum 12 über die Druckausgleichsöffnung 1f abgeführt, die in dem Orbitalspiralelement 1 ausgebildet ist. Andererseits wird ein Teil des dem Zapfenlager 1d zugeführten Schmieröls dem

Gleitabschnitt 1g der Stirnplatte des Orbitalspiralelements 1 über die ölzuführöffnung 1e zugeführt und an eine Saugkammer 2e abgegeben.

In den Fig. 2 bis 4 ist der Spiralwinkel der Spiralwand 1b des Orbitalspiralelements 1 durch /L dargestellt. Der Spiralwandwinkel der Spiralwand 1b, bei dem der Raum 20 mit maximalem Volumen gebildet wird, wird durch Λ s dargestellt, während der Spiralwandwinkel der Spiralwand 1d, bei dem der Raum 30 ein minimales Volumen hat, durch Λ d dargestellt wird. In Fig. 3 sind mit 21 und 22 die Punkte bezeichnet, an denen die Spiralwand 1b des Orbitalspiralelements 1 und die Spiralwand 2b des stationären Spiralelements 2 miteinander in Kontakt gebracht werden, wenn der Raum 20 mit maximalem Volumen gebildet wird. Der Punkt 21 fällt mit dem Punkt /\ s an der Spiralwand 1b des Orbitalspiralelements 1 von Fig. 2 zusammen. Man sieht, daß die beiden Kompressionsräume des maximalen Volumens gleichzeitig symmetrisch zueinander gebildet werden.

Gemäß Fig. 4 stehen die Spiralwand 1b und die Spiralwand 2b an einem weiteren Paar von Punkten 31 und 32 in Kontakt. In diesem Zustand bilden die Spiralwände den Raum mit minimalem Volumen. Der Punkt 31 fällt mit dem Punkt A d auf der Spiralwand 1b von Fig. 2 zusammen, während der Koinzidenzpunkt 32 sich in der Stellung Ad - 2 Tf befindet. Es werden gleichzeitig zwei Kompressionsräume mit minimalem Volumen gebildet. Es sei hier angenommen, daß die Druckausgleichsöffnungen 1f, die die Verbindung zwischen der Gegendruckkammer 4b und der Kompressionskammer 12 zwischen den beiden Spiralelementen 1 und 2 herstellen, innerhalb eines Bereichs angeordnet sind, der gegebenen ist durch λα <; λ < >s. In diesem Fall wird der Druck in der Kompressionskammer 12 innerhalb des Bereichs verändert, der dem Bereich zwischen ^, ^und λ- ^{+ 2} "^** ⁱⁿ Ausdrücken des Spiral-

wandwinkels der Spiralwand 1b entspricht, wie dies aus Fig. 5 zu ersehen ist. In diesem Fall wird der mittlere Druck während eines ganzen Kreisprozesses der Orbitalbewegung von dem Mittelwert des schraffierten Bereichs 40 ausgedrückt. Demzufolge wird der Mitteldruck durch den Ansaugdruck bestimmt, so daß die axiale trennende Kraft, welche die Spiralelemente 1 und 2 axial voneinander trennen möchte, erhöht wird, wenn der Abgabedruck bzw. Förderdruck zunimmt.

Wenn die Druckausgleichsöffnungen innerhalb des oben erläuterten Bereichs angeordnet sind, nimmt deshalb die axiale trennende Kraft zu, wenn der Förderdruck des Kompressors gesteigert wird, so daß die beiden Spiralelemente axial voneinander getrennt werden und große Spalte zwischen den axialen Stirnseiten der Spiralwände 1b, 2b und den gegenüberliegenden Stirnplatten 2a, 1a bilden, wodurch die Menge des internen Fluidleckstroms sowie die Menge des von der Gleitfläche 1g der Stirnplatte 1a des Orbitalspiralelements 1 in die Saugkammer 2e abgegebenen Schmieröls zunimmt. Als Folge verringert sich der volumetrische Wirkungsgrad des Kompressors und es steigt der Bedarf für die Eingabeleistung in unwirtschaftlicher Weise, wodurch die Leistungsfähigkeit des Kompressors ernsthaft beeinträchtigt wird. Die übermäßige Abgabe von Schmieröl von der Gleitfläche 1g der Stirnplätte des Orbitalspiralelements 1 führt zu einem wesentlichen Abfall des Drucks, der auf die Stirnseite des Kurbelzapfenabschnitts der Kurbelwelle 3 wirkt, so daß sich die Kurbelwelle 3 nach oben bewegen kann, wodurch ein nicht beabsichtigter Kontakt zwischen der Kurbelwelle 3 und dem Orbitalspiralelement 1 verursacht wird.

Diese Probleme sind bei der Strömungsmaschine in Spiralbauweise gemäß der Erfindung vollständig beseitigt, wie sich aus dem folgenden ergibt. Erfindungsgemäß wird die

Position einer jeden Druckausgleichsöffnung 101f, die im Orbitalspiralelement 1 ausgebildet sind, in Ausdrücken des Spiralwandwinkels /j, der Spiralwand 1b so gewählt/ daß sie in den Bereich Jd > λ> Jd - 2 ir fällt, wobei /t d der Spiralwandwinkel der Spiralwand 1d ist, die den Kompressionsraum bei minimalem Volumen bildet.

Gemäß dieser Anordnung ändert sich der Druck an der Stelle des Spiralwandwinkels /i. innerhalb des Bereichs, der dem Bereich zwischen fi+ 2ÜT und /L entspricht, wie dies in Pig. 10 gezeigt ist. Da /L kleiner als /L d ist, bestimmt sich der Druck im Bereich zwischen

/L und /^d durch den Abgabedruck, während in dem Bereich zwischen /L d und /Ί, + 2 ^/VT der Druck durch den Ansaugdruck bestimmt wird. Als Folge wirkt der Mittelwert des Drucks, der durch die gestrichelte Fläche 50 in Fig. 10 veranschaulicht ist, an der Gegendruckkammer, die mit den Druckausgleichsöffnungen 101f in Verbindung steht. Somit ändert sich der Druck in der Gegendruckkammer ansprechend sowohl auf den Ansaugdruck als auch auf den Förderdruck.

Fig. 8 zeigt den Zustand, bei welchem ein Raum 60 mit maximalem Volumen zwischen den Spiralwänden der beiden Spiralelemente gebildet wird. In diesem Zustand stehen die Spiralwand 1b des OrbitalSpiralelements 1 und die Spiralwand 2b des stationären Spiralements 2 an den beiden Punkten 61 und 62 in Kontakt miteinander. Demgegenüber zeigt Fig. 9 den Zustand, bei welchem ein Raum 70 mit minimalem Volumen zwischen den Spiralwänden der beiden Spiralelemente gebildet wird. In diesem Zustand stehen die Spiralwände 1b und 2b miteinander an den beiden Punkten 71 und 72 in Kontakt.

Wenn der Förderdruck zunimmt, und dadurch die axiale trennende Kraft zwischen den beiden Spiralelementen größer

wird, wird deshalb der Druck in der Gegendruckkammer auf der Rückseite des Orbitalspiralelements 1 entsprechend gesteigert, um die Trennung der beiden Spiralelemente voneinander wirksam zu unterdrücken. Es ist somit möglich, einen stabilen Betrieb der Strömungsmaschine in Spiralbauweise über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen zu gewährleisten.

Erfindungsgemäß wird somit der auf die Rückseite des OrbitalSpiralelements wirkende Druck sowohl von dem Ansaugdruck als auch von dem Förderdruck des Kompressors bestimmt, so daß die Kraft zur Aufrechterhaltung des engen Kontakts zwischen dem Orbitalspiralelement und dem stationären Spiralelement ansprechend auf einen Abfall oder eine Steigerung der axialen trennenden Kraft, die zwischen den beiden Spiralelementen wirkt, gesteigert oder verringert wird, so daß die Strömungsmaschine in Spiralbauweise stabil bei voller Leistung über einenwaiten Bereich von Betriebsbedingungen arbeiten kann.

Jede Druckausgleichsöffnung wird an einer Stelle in der Nähe der Spiralwand des Orbitalspiralelements so ausgebildet, daß sie einen Durchmesser hat, der im wesentlichen gleich der Breite der Spiralwand des gegenüberliegenden stationären Spiralelements ist oder kleiner als diese Breite ist. Somit wird jede Druckausgleichsöffnung von der Spiralwand des stationären Spiralelements verschlossen, wenn die Spiralwände der Spiralelemente in Kontakt miteinander bei jeder Orbitalbewegung an der Position einer jeden Druckausgleichsöffnung kommen, um die Grenze der Kompressionsräume zu bilden. Dementsprechend wird der Druck in der Gegendruckkammer sowie der Druck in der Druckausgleichsöffnungsfläche kontinuierlich verändert, wenn das Orbitalspiralelement eine Orbitalbewegung bezüglich des stationären Spiralelements ausführt. Weiterhin ist es möglich, eine

Druckleckage zwischen anexnandergrenzenden Kompressionsräumen an der Stelle jeder Druckausgleichsöffnung zu verhindern.

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15. Juni 1984 Fi/ba

Strömungsmaschine in Spiralbauweise

Patentansprüche

Strömungsmaschine in Spiralbauweise mit einem Orbitalspiralelement und einem stationären Spiralelement, von denen jedes eine Stirnplatte und eine Spiralwand aufweist, die vertikal von einer der Seiten der Stirnplatten abstehen, wobei das Orbitalspiralelement und das ortsfeste Spiralelement so zusammengefügt sind, daß ihre Spiralwände ineinandergreifen, wodurch Kompressionsräume mit sich änderndem Volumen von den Stirnplatten und den Spiralwänden des Umlaufspiralelements und des stationären Spiralelements gebildet werden, wobei das Orbitalspiralelement eine Orbitalbewegung bezüglich des stationären Spiralelements derart ausführt, daß die Kompressionsräume fortlaufend radial nach innen bewegt werden, während ihre Volumina abnehmen, und das Orbitalspiralelement eine Gegendruckkammer aufweist, die an seiner Rückseite ausgebildet ist und mit den Kompressionsräumen mit sich verringerndem Volumen über Druckausgleichsöffnungen in Verbindung steht, die im Orbitalspiralelement ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralwände (1a, 2b) eine Anzahl von Windungen von wenigstens zwei auf-

weist und daß die Positionen der Druckausgleichsöffnungen (101f) in Ausdrücken des Spiralwandwinkels ( λ. ) der Spiralwände so gewählt werden, daß sie der folgenden Bedingung genügen:

*3 > λ > Ad - 2tt

wobei λ d der Spiralwandwinkel der Spiralwände (1b, 2b) ist, wenn das Volumen der Kompressionsräume auf ein Minimum reduziert ist.
2. Strömungsmaschine in Spiralbauweise nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausgleichsöffnungen (101f) Positionen sehr nahe an denen einnehmen, die durch Λ-d ausdrückbar sind.
3. Strömungsmaschine in Spiralbauweise nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausgleichsöffnungen (101f) in der Stirnplatte (1a) des Orbitalspiralelements (1) ausgebildet sind.
4. Strömungsmaschine in Spiralbauweise nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausgleichsöffnungen (101f) an derartigen Positionen angeordnet sind, daß die Druckausgleichsöffnungen einmal von der Spiralwand (2b) des gegenüberliegenden Spiralelements (2) während eines Zyklus der Orbitalbewegung geschlossen werden,
5. Strömungsmaschine in Spiralbauweise nach Anspruch 4, dadurch gekennze ichnet, daß die Druckausgleichsöffnungen (101f) kleine öffnungen sind, die an Positionen angeordnet sind, welche etwas von der Spiralwand (1b) des Umlaufspiralelements (1) beab-r standet sind.

Strömungsmaschine in Spiralbauweise nach Anspruch 4, dadurch gekennze ichnet, daß jede der Druckausgleichsöffnungen (101f) einen Durchmesser hat, der im wesentlichen gleich der Breite der Spiralwand (2b) des gegenüberliegenden Spiralelements (2) ist und in Kontakt mit der Spiralwand (1b) des Umlaufspiralelements (1) angeordnet ist.