SE508087C2 - Par av samverkande skruvrotorer, skruvrotor samt skruvrotormaskin försedd med dylika skruvrotorer - Google Patents

Description

20 25 30 35 508 087 2 liksom även andra övergripande aspekter såsom blåshålets storlek, kontaktkrafterna, den volumetriska kapaciteten, termisk expansion, vibrationsalstring samt tillverknings- tekniska krav. Därtill kommer vissa matematiskt betingade begränsningar på profilerna. För vissa kompressorer är vissa aspekter mer betydelsefulla än andra och vid andra kompres- sorer kan det finnas anledning att prioritera andra aspekter.

En optimal profil representerar vanligtvis en kompromiss mellan olika krav som följd av de nämnda aspekterna där kompromissen är beroende av vilka av dessa som är viktigast i det aktuella fallet.

På grund av den avgörande betydelsen av utform- ningen av rotorprofilerna i en skruvrotormaskin och på grund av den komplexa avvägningen mellan de aspekter som måste be- aktas finns ett stort antal beviljade patent inriktade just på rotorprofilerna allt sedan Lysholm på 30-talet presente- rade och fick patent på den första praktiskt användbara skruvkompressorn av detta slag.

Det finns många olika sätt på vilket rotorprofil- erna definieras i patentlitteraturen beroende på vilken eller vilka problemställningar patentet är inriktat på och på grund av den komplicerade formen hos dessa profiler. Profilerna definieras således som en kurvskara, en kombination av sådana, genom några viktiga parametrar, genom gränser för vissa karaktäristika hos profilen, genom uttryck som implicit definierar profilen eller på annat sätt. Profilerna kan vidare indelas i olika kategorier enligt olika kriterier såsom symmetriska eller asymmetriska profiler eller såsom cirkulära, punktgenererade eller linjegenererade profiler.

Föreliggande uppfinning är i första hand relaterad till att åstadkomma en profil med en optimal utformning av kontaktbandet under beaktande av de ovan nämnda krav som bör ställas för detta.

Att möta dessa krav och samtidigt ta hänsyn till de övriga aspekter som diskuterats leder till följande principi- ella problem: Kontaktbandets bredd måste begränsas då ett mindre 10 15 20 25 30 35 508 087 3 tillverkningsfel annars skulle flytta kontaktbandet till om- råden där relativhastigheten mellan rotorytorna är stor samt ytbelastningen på materialet överskrides. Detta skulle innebära försämrad verkningsgrad samt haveririsk på grund av ytmaterialbrott.

Då dessutom kontaktbandets utbredning i huvudsak ligger i längsriktningen, och ändlägena i planet är mycket svåra att definiera i praktiken uppstår stora svårigheter att mäta och bedöma produktionsutfallet. Detta innebär stora kostnader för mätning av profilerna.

Vidare medför den i planet och längs kontaktbandet gradvisa övergången från ytfrigång till kontakt att omkring- liggande ytor avlägsnar vätskeskiktet från de ytor som senare går in i kontaktbandet. Detta innebär sämre smörjning med slitage och vibrationer till följd.

Dessa problem vidhäftas samtliga punkt- eller linjegenererade profiler utom de symmetriska. En symmetrisk profil lider i stället av andra brister som dålig verknings- grad m.m.

Då de nämnda problemen har uppenbarats har man antagit ett antal åtgärder för att lösa dessa. Då materialbe- lastningen har blivit för stor kan man använda hårdare eller härdade material, vilket är dyrbart. Man har också utvecklat profiler med lägre överfört moment samt större, linjegene- rerade kontaktband. Detta har inneburit större risk för vibrationer då kontakten ibland släpper på grund av pulser i momentet. Dessutom riskerar man kontakt på oönskade profil- delar vid tillverkningsfel eller rotorutböjning. §gggm_§§_lí§_§0¶y§r förut känt ett par rotorer av det aktuella slaget där man sökt åstadkomma ett förbättrat utförande av rotorlobernas flankprofiler där man speciellt inriktat sig på kontaktbandets utformning. Således illustre- ras ett kontaktband bildat av en konkav cirkelbåge på den förelöpande honrotorflanken och en med denna samverkande komplementär konvex cirkelbåge på den efterlöpande han- rotorflanken. Denna profilkonstruktion har den nackdelen att den kan utnyttjas endast för honrotordriven kompressor. 10 15 20 25 30 35 508 087 4 Vidare har cirkelbågarna enligt denna konstruktion radie- centra definierade till rullningspunkten, dvs. rullnings- vinkeln till kontakt = 0. Ändamålet med föreliggande uppfinning är mot denna bakgrund att åstadkomma rotorer med lobprofiler som löser de ovan nämnda problemen utan de nackdelar som vidhäftats tidigare försök att göra detta.

Detta har enligt uppfinningen ernåtts genom att ett par samverkande skruvrotorer av det i patentkravets 1 ingress angivna slaget uppvisar de speciella särdrag som anges i kravets kännetecknande del, genom en skruvrotor enligt patentkravet 14 och genom att en skruvrotormaskin såsom anges i patentkravet 15 är försedd med ett par av sådana skruv- rotorer.

Tack vare att kontaktbandet bildas av de båda sam- verkande cirkelbågsformiga flanksegmenten under de angivna villkoren erhålles en i planet momentant utvecklad kontakt- yta mellan de två rotorerna. Kontaktbandets planprojektion blir då enkel att uppfatta och mäta. Ãndpunkterna blir klart definierade och spel kan anläggas ända fram till ändpunkt- erna utan risk för ensam anliggning vid en ändpunkt.

Vidare minskar känsligheten för tillverkningsfel då änd- punkterna lätt slits ned till kontaktbågarna. Profilen "nöter in sig" utan att riskera överdrivna belastningar. Detta innebär mindre stränga krav på toleranser och billigare produktion. Den konkava ytan fungerar dessutom som ett uppsamlingsspår för den vätska som av gravitationsfältet transporteras längs rotorernas ytor. Detta ger en bättre smörjning av kontakten och en lägre vibrationsnivå, något som också befrämjas av att spel kan anläggas ända fram till kontaktbandets ändpunkter så att ej fenomenet med att frigående ytor avlägsnar vätskefilmen från de ytor som skall gå i kontakt uppstår. Då vidare risken för oönskade ut- bredningar av kontaktytorna reduceras kan maximal yta användas till momentöverföringen mellan rotorerna. På detta sätt minimeras ytbelastningarna i rotormaterialet.

Som en effekt av dessa fördelar kan mindre viskösa 10 15 20 25 30 35 5Û8 087 s vätskor än olja användas som smörjmedel. Vatten går utmärkt att använda vid kompression av luft från 1 bar till 8 bar med denna profil, vilket ger miljövänlig och högeffektiv kompres- sion.

Genom att vidare rullningsvinkeln till kontakt blir större än 0 som en följd av de angivna villkoren för krök- ningsradien så elimineras de begränsningar som vidhäftas konstruktionen enligt den ovannämnda EP 149 304 och möjlighet uppnås att anpassa radielängd, segmentvinkel och kontaktkraft för aktuella förhållanden i beroende av smörjmedel, moment- överföring och andra driftsbetingelser.

Vid en föredragen utföringsform av uppfinningen är det samverkande flanksegmentet på honrotorlobens flank åt- minstone i sina ändar cirkelbågformat, vilket skapar bästa förutsättningar för god samverkan med motsvarande segment på hanrotorloben. Därvid bör det helst vara samma radie på båda segmenten, vilket ger ett optimalt utnyttjande av uppfin- ningens fördelar i det att ytorna därmed är anpassade till varandra så långt som möjligt.

Enligt en föredragen utföringsform är det speciella flanksegmentet anordnat på hanrotorlobens förelöpande flank vilket gör det möjligt att utnyttja uppfinningens fördelar vid hanrotordrivning (male-drive), något som är av stor be- tydelse. Vid ett sådant utförande måste segmentets radie vara mindre än skillnaden mellan hanrotorns ytterradie och dess delningsradie. Det har visat sig vara fördelaktigt att radien därvid bör ligga i intervallet 0,2 till 0,9, företrädesvis 0,65 - 0,70, gånger nämnda radieskillnad.

Alternativt kan flanksegmentet vara anordnat på hanrotorlobens efterlöpande flank så att rotorerna blir lämpliga för honrotordrivning (female-drive). Radien för segmentet är därvid större än den ovan nämnda radieskill- naden. Lämpligtvis är intervallet 1,1 - 2,0, företrädesvis 1,30 - 1,35 gånger nämnda radieskillnad.

Uppfinningen kan med fördel tillämpas vid linje- genererad profil, dvs. en flankprofil där profilkurvan åtminstone på visst eller vissa avsnitt är genererad av en 10 15 20 25 30 35 508 087 6 punkt på den lobflank på den andra rotorn då denna roterar, varvid nämnda punkt samtidigt tänkes förflytta sig kontinu- erligt längs lobflanken på den andra rotorn.

Ovan nämnda och andra fördelaktiga utförinsformer av uppfinningen anges i de osjälvständiga patentkraven.

Uppfinningen förklaras närmare genom efterföljande detaljerade beskrivning av föredragna utföríngsformer av den- samma under hänvisning till medföljande ritningar av vilka figurerna 1 - 3 illustrerar en skruvkompressor uppbyggd enligt allmänt känd teknik och dess principiella funktionssätt förklaras i anslutning därtill fig. 4 visar ett par samverkande rotorlober i snitt vinkelrätt mot rotorns axlar enligt en utföringsform av upp- finningen, fig. 5 är ett snitt motsvarande fig. 4, men visande rotorerna i ett annat vridningsläge, fig. 6 är ett snitt motsvarande fig. 4, men visande rotorerna i ett tredje vridningsläge, fig. 7 är en förstoring av en detalj i fig. 5.

Kompressorn innefattar ett par i varandra ingrip- ande skruvrotorer 1 och 2 som arbetar i ett arbetsrum be- gränsat av två ändväggar 3, 4 och en mantelvägg 5 som sträcker sig mellan dessa, vilken mantelvägg har en inre form som i huvudsak motsvarar formen hos två varandra skärande cirkulära cylindrar såsom framgår av fig. 2. Vardera rotor 1, 2 har ett flertal lober 6 respektive 7 och mellanliggande spår som sträcker sig skruvlinjeformigt längs hela rotorn.

Den ena rotorn 1 är av hanrotortypen med huvuddelen av vardera lob belägen utanför rotorns delningscirkel och den andra rotorn 2 är av honrotortypen med huvuddelen av vardera lob belägen innanför rotorns delningscirkel. Honrotorn 2 har normalt fler lober än hanrotorn 1, och en vanlig lobkom- bination är 4 + 6. Luft (eller gas) av lågt tryck suges in till kompressorns arbetsrum genom en inloppsport 8, komprimeras sedan i de V-formiga kamrar som bildas mellan rotorerna och arbetsrummets väggar. Vardera kammare förflyttar sig åt höger i fig. 1 då rotorerna roterar, och 10 15 20 25 30 35 7 volymen hos en arbetskammare minskar kontinuerligt under senare delen av dess cykel då kommunikationen med inlopps- porten 8 avskurits. Därvid komprimeras luften och den komprimerade luften lämnar kompressorn genom en utloppsport 9. Det inbyggda tryckförhållandet hos kompressorn bestämmes av dess inbyggda volymsförhållande, dvs. förhållandet mellan en arbetskammares volym i det ögonblick kommunikationen med inloppsporten 8 stängs och arbetskammarens volym i det ögonblick den börjar kommunicera med utloppsporten 9.

Kompressionscykeln illustreras schematiskt i fig. 3, som visar mantelväggen utvecklad i ett plan, varvid de båda vertikala linjerna representerar cusperna, dvs. de linjer längs vilka de cylindrar som bildar arbetsrummet skär varandra. De lutande linjerna representerar de tätningslinjer som bildas mellan lobtopparna och mantelväggen, vilka linjer rör sig i pilens C riktning då rotorerna roterar. Den skuggade ytan A representerar en arbetskammare just efter det att den avskurits från kommunikation med inloppsporten 8 och den skuggade ytan B en arbetskammare som har börjat öppna mot utloppsporten 9. Det framgår av figuren att vardera kammares volym ökar under fyllnings- och insugningsfasen då kammaren kommunicerar med inloppsporten 8 och därefter minskar.

I fig. 4 visas ett skruvrotorpar enligt en ut- föringsform av uppfinningen. Rotorerna roterar såsom pilarna indikerar med hanrotorn som den drivande rotorn. Hanrotorns ytterradie betecknas med R, och dess delningsradie med Rnp.

Hanrotorlobens 6 förelöpande flank betecknas med 14 och dess efterlöpande flank med 15, honrotorlobens 7 förelöpande flank med 16 och dess efterlöpande flank med 17. Hanrotorlobens 6 förelöpande flank 14 har ett profilsegment 11 som sträcker sig mellan punkterna 12 och 13 och som är en cirkelbåge. På honrotorlobens 7 efterlöpande flank 17 finns ett motsvarande cirkelbågformat flanksegment 10 som samverkar med hanrotor- lobens 6 cirkelbågformade flanksegment 11 så att ett kontakt- band bildas där drivmoment från hanrotorn 1 överföres till honrotorn 2.

Cirkelbågen 11 på hanrotorlobens 6 förelöpande 10 15 20 25 30 35 508 087 8 flank 14 har sitt centrum Am på hanrotorns delningscirkel Q” och en radie R4 som är mindre än skillnaden mellan hanrotorns ytterradie R" och dess delningsradie R”. R1 är i det visade exemplet ca 2/3 av Rfl-Rfip. Motsvarande cirkelbåge 10 på hon- rotorlobens 7 efterlöpande flank har sitt centrum på hon- rotorns delningscirkel C” och samma radie R, som cirkelbågen 11. Vardera av cirkelbågarna har en utsträckning på ca 1/2 radian.

I det visade exemplet är hanrotorloben 6 försedd med ett cirkelbågformat segment 18 även på sin efterlöpande flank 15. Den har sitt centrum på hanrotorns delningscirkel C", och en radie R; som är större än skillnaden mellan R, och RW, närmare bestämt 4/3 av RM-Rflp. R; är således ungefär dubbelt så stor som Rv Motsvarande cirkelbåge 19 på hon- rotorlobens 7 förelöpande flank 16 har sitt centrum på hon- rotorns delningscirkel C" och samma radie R; som cirkelbågen 18. vardera av cirkelbågarna 18, 19 har en utsträckning på ca 1/4 radian. Eftersom R; är ungefär dubbelt så stor som R1 är cirkelsegmenten 18 och 19 ungefär lika långa som cirkelseg- menten 10 och 11.

Rotorparet är således utfört med cirkelsegment enligt uppfinningen på vardera lobs båda flanker. Den med pilar indikerade rotationsriktningen representerar han- rotordrivning, varvid momentet överföres från hanrotorn till honrotorn genom det kontaktband som bilas av cirkelsegmenten 10 och 11 då de har vridits till ingrepp med varandra, en position som i det illustrerade fallet inträffade ßH° före läget i fig. 4. Detta ingreppsläge visas i fig. 5.

Vid honrotordrivning är rotationsriktningen samma som den i fig. 4 indikerade, varvid moment överföres från honrotorn till hanrotorn då de har vridits till ingrepp med varandra, en position som i det i fig. 6 illustrerade fallet inträffar ßn° före läget i fig. 4. Detta ingreppsläge visas i fig. 6.

I fig. 5 visas ingreppsläget då cirkelsågsegmenten 10, 11 anligger mot varandra vid hanrotordrivning. Båda 10 15 20 25 30 35 508 087 9 cirkelsegmentens centrumpunkter Am och A" sammanfaller då i rullpunkten D.

I fig. 6 visas på motsvarande sätt ingreppsläget då cirkelsegmenten 18, 19 anligger mot varandra vid honrotor- drivning. Båda cirkelsegmentens centrumpunkter Am och A” sammanfaller då i rullpunkten D. ' I fig. 7 visas i förstorad skala flanksegmenten 10 och ll i samverkan med varandra. Med heldragna linjer åskåd- liggöres ett utförande där båda flanksegmenten 10, 11 är obrutna cirkelbågar med samma radie. Alternativt kan endera eller båda flanksegmenten vara "urholkade“, i respektive mittparti såsom genom en fördjupning 10a på segmentet 10 eller genom en avhyvling 11a på segmentet 11.

Claims (15)

10 15 20 25 30 35 508 087 10 PATENTKRAV

1. Ett par samverkande skruvrotorer (1, 2) där vardera rotor (1, 2) är försedd med skruvlinjeformigt förlöpande lober (6, 7) och mellanliggande spår, genom vilka rotorerna står i ingrepp med varandra, varvid den ena rotorn är en hanrotor (1) där vardera lob (6) i ett snitt vinkelrätt mot rotoraxlarna (On, OF) har en förelöpande lobflank (14) och en efterlöpande lobflank (15), vilka båda är i huvudsak konvexa och den andra rotorn är en honrotor (2) där vardera lob (7) i nämnda snitt har en förelöpande (16) och en efterlöpande (17) lobflank, vilka båda är i huvudsak konkava och varvid vardera lob på han- och honrotorn har en asymmetrisk profil i nämnda tvärsnitt, k ä n n e t e c k n a t av att åtminstone den ena (14, 15) av en hanrotorlobs flanker uppvisar ett cirkelbåg- format flanksegment (11, 18), vilket åtminstone i vardera ände av segmentet är cirkelbågformat med för vardera cirkel- bågsformade del av segmentet samma radie (R1, R2) och sammanfallande krökningscentra (Am, Au) vilken radie (RHIQ avviker från skillnaden mellan hanrotorns ytterradie (RM) och dess delningsradie (RW) och att den med nämnda ena flank (14, 15) samverkande honrotorlobsflank (17, 16) uppvisar ett flanksegment (10, 19) anordnat att samverka med nämnda flank- segment (11, 18) på hanrotorloben.

2. Ett par samverkande skruvrotorer enligt patent- kravet 1, vid vilket nämnda flanksegment (10, 19) av hon- rotorlobens flank (17, 16) åtminstone i vardera ände av segmentet är cirkelbågformat med för vardera cirkelbågformade del av segmentet samma radie (R4, RQ) och sammanfallande krökningscentra.

3. Ett par samverkande skruvrotorer enligt patent- kravet 2, vid vilket nämnda radie (R1, Ra) på honrotorlobens flank (17, 16) är i huvudsak samma som nämnda radie (R1,IQ) på hanrotorlobens flank (14, 15).

4. Ett par samverkande skruvrotorer enligt något av patentkraven 1 - 3, vid vilket åtminstone det ena av nämnda flanksegment (11,10; 18,19) av han- respektive honrotorlobens 10 15 20 25 30 35 508 087 11 flank utgöres av en obruten cirkelbåge.

5. Ett par samverkande skruvrotorer enligt något av patentkraven 1 - 4, vid vilket nämnda ena flank är hanrotor- lobens förelöpande flank (14) och dess nämnda radie (R4) har en längd i intervallet 0,2 till 0,9 gånger nämnda radieskill- nad (Ru - Rflfl- '

6. Ett par samverkande skruvrotorer enligt patent- kravet 5, vid vilket nämdna segment (11) omspänner en båglängd av 0,2 till 0,8 radianer, företrädesvis 0,5 radianer.

7. Ett par samverkande skruvrotorer enligt något av patentkraven 1 - 4, vid vilket nämnda ena flank är hanrotor- lobens efterlöpande flank (15) och dess nämnda radie (R2) har en längd i intervallet 1,1 till 2,0 gånger nämnda radieskill- nad (Ru _ Run) -

8. Ett par samverkande skruvrotorer enligt patent- kravet 7, vid vilket nämnda segment (18) omspänner en båg- längd av 0,1 till 0,4 radianer, företrädesvis 0,25 radianer.

9. Ett par samverkande skruvrotorer enligt något av patentkraven 1 - 4, vid vilken vardera av en hanrotorlobs flanker (14, 15) och vardera av en honrotorlobs flanker (17, 16) är utformade med respektive nämnda segment.

10. Ett par samverkande skruvrotorer enligt patent- kravet 9, vid vilket nämnda radie (R1) på hanrotorlobens förelöpande flank (14) har en längd i intervallet 0,2 till 0,9 gånger nämnda radieskillnad (Ru - RWQ och nämnda radie (RQ) på hanrotorlobens efterlöpande flank (15) har en längd i intervallet 1,1 till 2,0 gånger nämnda radieskillnad (Ru ' fär)-

11. Ett par samverkande skruvrotorer enligt patent- kravet 10, vid vilket förhållandet mellan nämnda radie på hanrotorlobens efterlöpande flank (R2) och nämnda radie på hanrotorlobens förelöpande flank (R1) är i intervallet 1,3 till 5.

12. Ett par samverkande skruvrotorer enligt något av patentkraven 1 - 11, vid vilket vardera av nämnda cirkel- 10 15 20 25 30 35 508 087 12 bågformade flanksegment (11,18; 10, 19) eller delar därav har krökningscentrum (Am,Am; Fm,Fm) beläget på respektive rotors delningscirkel (CW, CW).

13. Ett par samverkande skruvrotorer enligt något av patentkraven 1 - 12, vid vilket vardera av nämnda lober (6, 7) är åtminstone delvis linjegenererade. '

14. En skruvrotor (1, 2) av han- eller honrotortypen utförd att kunna utgöra ena rotorn i ett par skruvrotorer enligt något av patentkraven 1 - 13.

15. Skruvrotormaskin försedd med ett par samverkande skruvrotorer enligt något av patentkraven 1 - 13.