Sowohl als Verdichter als auch als Motor verwendbare Schraubenmaschine. Die Erfindung bezieht sich auf eine so wohl als Verdichter, als auch als Motor ver wendbare Schraubenmaschine mit zwei oder mehreren, von einem Gehäuse umschlossenen zusammenarbeitenden Schraubenrädern, die zusammen mit dem Gehäuse in sich abge schlossene Arbeitsräume bilden, deren Grösse sich bei der Drehung der Schraubenräder ändert und in welchen das Arbeitsmittel unter Aufnahme von Leistung komprimiert wird bezw. unter Abgabe von Leistung ex pandiert.
Gemäss der Erfindung laufen die Schrau benräder, von denen das eine Zähne mit kon vexen und das andere solche mit konkaven Flanken besitzt, mit einer Umdrehungszahl um, welche am grössten Umfang der Schrau benräder eine Geschwindigkeit von 25 bis 300 Meter pro Sekunde ergibt, wobei die Schraubenräder eine zylindrische Form be sitzen, durch Zahnräder miteinander in Be wegungsverbindung stehen und sowohl unter sieh, als auch gegenüber der Gehäusewand Spiel besitzen, und wobei ein Teil -der dem Hochdruckende der Maschine zugewandten Seite der Schraubenräder durch eine Wand abgedeckt ist.
Die Forderung der Schaffung von ge= schlossenen Arbeitsräumen, deren Inhalt sich bei der Drehung der Schraubenräder ändert, könnte auch mit Hilfe konischer Schrauben räder erfüllt werden, bei welchen sich die Arbeitsräume nach der Seite des geringeren Durchmessers hin verkleinern. Konische Schraubenräder erfordern aber grosse Abmes sungen und bedingen daher grossen Material verbrauch und 'verhältnismässig schwere Aggregate. Die Erfindung ergibt die Mög lichkeit, zylindrische Schraubenräder zu ver wenden, deren Länge geringer ist als die Ganghöhe der Schraubengewinde.
Die Erfindung wird nachstehend unter Hinweis auf die beiliegende Zeichnung näher erörtert, die ein Ausführungsbeispiel einer Schraubenmaschine gemäss der Erfindung zeigt. Fig. 1 zeigt den Verdichter im Achsial- längsschnitt nach der Linie 1-1 der Fig. 2, Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 der Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 der Fig. 2, Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie 4-4 der Fig. 2.
Der in der Zeichnung dargestellte Ver dichter besitzt zwei zylindrische Schrauben räder 12 und 14, die von einem gemeinsamen Gehäuse 16 eingeschlossen sind, welches sich dem äussern Umfang der Schraubenräder un ter Einhaltung eines geringen Spielraumes anschliesst. Auf der linken Seite des Ver dichters besitzt das Gehäuse einen Flansch 18, an dem der Einlassstutzen 20 ange schraubt ist. Der Einlassstutzen ist mit Hilfe von Rippen 22 bezw. 24 mit im wesentlichen zylindrischen Gussstücken 26, 28, 30 ver bunden, welche auf der Innenseite Kugel lager 32 und 34 aufnehmen. Die Gewinde der Schraubenräder besitzen eine konstante Steigung.
Das Schraubenrad 12 ist an seinem linken Ende mit Hilfe von Schrauben 36 mit einem Endstück 38 festverschraubt, welches im Kugellager 32 gelagert ist. Auf der rechten oder Hochdruckseite ist das Schraubenrad 12 in einem Kugellager 40 gelagert, welches vom Gehäuse 16 getragen wird. Neben dem Kugellager 40 ist ein Zahnrad 42 angeordnet, das zusammen mit den Kugellagern durch eine Mutter 44 gegen achsiale Verschiebung gesichert ist und mit einem Zahnrad 46 zu sammenarbeitet, das auf dem rechten Ende des Schraubenrades 14 sitzt.
Zu beiden Sei ten des Kugellagers 32 sind mit dem Guss- stück 26 Ringe 48 und 50 verschraubt, die als Ölfänger ausgebildet sind, um zu ver hindern, dass Schmieröl aus dem Raum 52 austritt. Ähnliche Ölfänger sind auch auf der Hochdruckseite angeordnet, und zwar derart, dass das Kugellager 40 und das Zahn rad 42 von den Ölfängern 54 und 56 einge schlossen sind.
Auf der Niederdruckseite des Verdichters sind neben dem Kugellager 32 auf dem End- stück 38 mit Diohtungsrmgen versehene Scheiben 58 und 60 angebracht, die zusam men mit einer am feststehenden Teil 26 be festigten, ebenfalls mit Dichtungsringen ver- eehenen Scheibe 62 eine Labyrinthdichtung bilden.
Eine weitere Labyrinthdichtung 64 ist zwischen den einander zugekehrten, zy lindrischen Flächen des umlaufenden End stückes 38 und des feststehenden Teils 26 vorgesehen. Der Raum zwischen den beiden Dichtungen steht mit einem Stutzen 66 in Verbindung, welcher durch eine nicht darge stellte Leitung an die Hochdruckseite des Verdichters angeschlossen ist, so dass der Raum zwischen den Dichtungen ständig unter dem vom Verdichter erzeugten Druck steht.
Das durch den Stutzen 66 in der Rich tung des Pfeils 68 eingeführte Druckmittel durchströmt unter Entspannung die beiden Labyrinthdichtungen und übt dabei auf das Endstück 38 einen in achsialer Richtung nach rechts gerichteten Druck aus, der dem durch die Verdichtung entstehenden, auf das Schraubenrad wirkenden, nach links gerich teten Achsialdruck entgegenwirkt bezw. die sen Druck bei geeigneter Bemessung der ra dialen Fläche des Endstückes 38 vollkommen ausgleicht.
Dieser Druckausgleich ist unab hängig von der augenblicklichen Kompressor leistung und von der Höhe des Enddruckes im Verdichter, weil sowohl der auf das Schraubenrad infolge der Verdichtung des Arbeitsmittels ausgeübte Achsialdruck, als auch der auf das Endstück 38 wirkende Druck sich in gleichem Masse mit dem Ver- dichterenddruck ändern.
Nach Durchströmung des Labyrinths fliesst das Druckmittel teils in Richtung ,des Pfeils 70 und teils durch eine Öffnung im feststehenden Teil 26 in der Richtung des Pfeils 72 ab.
Das Endstück 38, das Schraubenrad 12, sowie die rechte Endwelle 74 des Schrauben rades sind hohl ausgebildet. In dem so ge schaffenen Hohlraum ist ein Rohr 76 unter gebracht und durch angeschweisste Klötzchen 78 sowie Abstandsringe 80 in einer solchen Lage gehalten, dass zwischen dem Rohr und den innern Wänden der Hohlräume ein @ge- wisser Zwischenraum gebildet wird. Die zu letzt beschriebene Einrichtung dient zur Kühlung des Schraubenrades sowie der Lager. Das Gehäuse 16 ist auf der rechten Seite durch einen Deckel 82 abgeschlossen, durch den zwei Düsen 84 und 86 durchge führt sind.
Die Düse 84 reicht in das Innere des Rohres 76 und dient zur Zuführung von Kühlflüssigkeit für das Schraubenrad 12. Die durch die Düse 84 eingeführte Kühlflüssig keit fliesst zunächst im Innern des Rohres 76 in der Richtung der Pfeile 88, kehrt an dem linken Ende des Rohres 76 um, weil der Hohlraum im Endstück 38 an der linken Seite durch eine Schraube 90 abgeschlossen ist, und fliesst dann in der Richtung der Pfeile 92 an der Aussenseite des Rohres 76 zurück und gelangt schliesslich in den Raum 94, von wo sie durch die Auslassöffnung 96 nach aussen geführt wird. Der Raum 94 ist durch eine Wand 97 nach links abgeschirmt.
Etwaige an der Welle nach links eindrin gende Flüssigkeit wird durch Fliehkraftwir- kung von dem Flansch 99 abgesehleudert.
Das linke Lager 34 des Schraubenrades 14 ist in achsialer Richtung gegenüber dem Lager 32 des Schraubenrades 12 versetzt, um eine möglichst raumsparende Unterbringung eines Entlastungskolbens für das Schrauben rad 14 zu ermöglichen. Auch das Lager 84 ist zu beiden Seiten von Ölfängern 98 und 100 begrenzt.
Desgleichen sind das Lager 102 auf der Hochdruckseite des Schrauben- rades 14 sowie das Zahnrad 46 von Öl- fängern 104 und 106 eingeschlossen, um ein Eindringen von Schmieröl sowohl nach der Seite des verdichteten Mittels hin, als auch in. den Raum 94 zu verhindern. Die Ölfänger 54 und 104 dienen gleichzeitig dazu, den die Lager 40 und 102 sowie die Zahnräder ent haltenden Raum 120 vor der Einstrahlung des verdichteten heissen Mittels zu schützen.
Die Einrichtung zur Verminderung oder zum Ausgleich des Achsialdruckes des Schraubenrades 14 ist in folgender Weise angeordnet. Auf dem linken Wellenende 108 des Schraubenrades 14 ist eine mit ringför migen Dichtungsleiste versehene Scheibe 110 mittels einer den Hohlraum der Welle 108 verschliessenden Schraube 112: befestigt. Ein auf dem feststehenden Teil 28 aufge setzter Deckel 114 besitzt auf der Innen seite entsprechende Dichtungsleisten, die zu sammen mit den Dichtungsleisten der Scheibe 110 eine Labyrinthdichtung 113 bil den.
Durch eine Öffnung 116 im Deckel 114 wird Druckmittel, zweckmässig von dem im Verdichter selbst verdichteten Mittel zuge führt, welches einen dem Achsialdruck des Schraubenrades 14 entgegenwirkenden Druck auf die Scheibe 110 ausübt. Dieser Druck ändert sich bei Änderung der Verdichter leistung wieder in Übereinstimmung mit dem Verdichterenddruck, so dass auch hier eine selbsttätige Anpassung des Gegendruckes an den Achsialdruck des Schraubenrades er folgt.
Das entspannte Druckmittel tritt durch die Öffnung 115 aus.
Die Kühlung des Schraubenrades 14, so wie der beiden Lager 34 und 102 erfolgt in gleicher Weise wie die oben beschriebene Kühlung des Schraubenrades 12 und der da zugehörigen Lager. Die Kühlflüssigkeit strömt durch die Düse 86 in das innere Rohr 118 und an der Aussenseite dieses Rohres zu rück in den Raum 94, von wo aus sie zu sammen mit der im Schraubenrad 12 erwärm ten Kühlflüssigkeit durch die Auslassöffnung 96 abfliesst. Die von der Kühlflüssigkeit be strichene Innenfläche des Hohlraumes der Welle bezw. des Schraubenrades 14 ist ge wellt, um die wirksame Kühlfläche zu ver grössern.
Um zu verhindern, dass ein Teil des ver- dichteten und, erwärmten Arbeitsmittels in den die Lager 40 und 102: sowie die Zahn räder 42, 46 enthaltenden Raum 120 gelangt, kann letzterer durch eine Leitung 122 unter Druck gesetzt werden. Als Druckmittel hier für wird zweckmässig im Verdichter ver dichtete, vor Einführung in den Raum 120 gekühlte Luft oder dergleichen verwendet.
Neben der beschriebenen Innenkühlung ist noch eine Kühlung für das Gehäuse vor gesehen, das zu diesem Zwecke auf der Hochdruckseite hohl ausgebildet ist, so dass Kühlflüssigkeit durch den Hohlraum 124 um laufen kann. Diese Einrichtung dient nicht so sehr der eigentlichen Kühlung als vielmehr dazu, die betreffenden Teile auf möglichst unveränderter Temperatur zu halten, so dass die ,Spielräume zwischen den :Schraubenrädern und dem Gehäuse sehr klein @ bemessen wer den können.
Die die Achsialdrücke aufnehmenden Lager 40 und 102 sind auf der Hochdruck seite des Verdichters angeordnet. Dadurch wird die Kühlung und Einstellung der Schraubenräder in ihrer heissen Zone, als im Gebiete der grössten Wärmedehnungen er leichtert und das hier vorhandene Achsial- spiel zwischen Schraubenrädern und Gehäuse am sichersten beherrscht, während.
die im übrigen auf der Länge des Läufers auftreten den Längsdehnungen einen freien Dehnungs ausgleich nach der Eintrittsseite der Schrau benräder erfahren. Die die beiden Schrauben räder 12 und 14 verbindenden Zahnräder 42 und 46, die zweckmässig mit schrägen Zäh nen ausgeführt sind, sind so nahe wie mög lich an die die Achsialdrücke aufnehmenden Lager herangerückt, damit sie unabhängig von Temperaturschwankungen stets genau eingestellt bleiben.
Der Antrieb des beschriebenen Verdich ters erfolgt am Endflansch 126, der durch die Schraube 90 mit dem Endstück 38 ver bunden ist und die Labyrinthscheiben 58 und 60, sowie die Innenlaufringe des Kugellagers 32 gegen achsiale Verschiebung sichert.
Das zu verdichtende Mittel, zum Beispiel Luft, wird in Richtung der Pfeile 128 ange saugt und verlässt den Verdichter durch den aus den Fig. 2 und 3 ersichtlichen Austritts stutzen 130. Wie in Fig. 1 der Deutlichkeit halber in etwas übertriebenem Masse darge stellt ist, ;sind die beiden Schraubenräder 12 und 14 zueinander, sowie im Verhältnis zu dem sie umgebenden Gehäuse so angeordnet, dass sich zwischen: den Schraubenrädern so wie zwischen ihnen und dem Gehäuse stets Spielräume befinden.
Um die gegenseitigen Abstände zwischen Schraubenrädern und Ge häuse einwandfrei aufrecht erhalten zu kön- nen, ist eine sehr sorgfältige Ausführung der Lagerung und des Zahnradgetriebes not wendig. Die Übertragung der Bewegung des von aussen angetriebenen Schraubenrades 12 auf das zweite Schraubenrad 14 erfolgt also nur durch Vermittlung der Zahnräder, nicht aber durch unmittelbaren Eingriff der beiden Schraubenräderprofile, weil zwischen letzte ren stets ein Spielraum vorhanden ist.
Die Zahnräder können natürlich auch an geeig neter 'Stelle innerhalb des Gehäuses 1,6 an geordnet sein. Um die Einhaltung der beab sichtigten Spielräume sicherzustellen, genügt es nicht, eine Verstellung der Schraubenräder in radialer Richtung zu verhindern, sondern es muss:
auch dafür gesorgt werden, dass keine gegenseitigen Achsialverschiebungen der Schraubenräder auftreten können. Zu diesem Zwecke kann neben sorgfältiger Aus führung der Lager 40 und 102 auch ein gewisser Ausgleich durch Änderung des Druckes geschaffen werden, den das bei 68 und 116 zugeführte Druckmittel auf das Endstück 38 bezw. den Entlastungskolben 110 ausübt.
Die Schraubenräder 12 und 14 sind zylindrisch ausgebildet und mit einem drei gängigen Gewinde versehen. Die auf der Druckseite des Verdichters gelegenen Stirn- flächen der Schraubenprofile und die zwi schen diesen Profilen eingeschlossenen Ar beitsräume liegen nicht vollkommen frei nach dem Austrittsstutzen hin, sondern sind durch radiale Wände 132, 134 teilweise ab gedeckt,
so dass eine unmittelbare Verbin dung von den zwischen den Schraubenrädern eingeschlossenen Räumen zum Austritts- stutzen hin nur längs eines bestimmten Teils des Umfanges der Läufer besteht, und zwar im dargestellten Beispiel längs des Teils J.36-138-140 (Fig. 2). Der übrige Teil des Umfanges ist teils durch die radialen Ge häusewände 132, 134 und teils durch beson dere Schieber 142 und 144, deren Zweck weiter unten erläutert wird, abgedeckt.
Betrachtet man nun einen bestimmten, von zwei aufeinanderfolgenden Gängen einer Schraube, den angrenzenden Teilen der an- lern Schraube und dem Gehäuse eingeschlos senen Raum, so wandert dieser Raum infolge der Drehung der Schraubenräder in achsialer Richtung von der Saugseite nach der Druck seite hin, ohne dass sich zunächst der Inhalt des Raumes und der Druck des darin einge schlossenen Arbeitsmittels ändern.
Sobald sich aber dieser Raum so weit nach der Druckseite hin verschoben hat, bis der vor derste Teil das Ende der Schraubenräder, also die der Druckseite zugewandte Stirnseite der Schraubenräder erreicht hat, beginnt sich der Inhalt des Raumes zu verkleinern, weil der Auslass durch die Gehäusewände 132, 134 und durch die Schieber 142 und 144 noch verschlossen ist. Die hintern, durch die Schraubenprofile gebildeten Begrenzungs wände des Raumes wandern weiter in ach- sialer Richtung gegen die Druckseite hin und der Raum wird daher allmählich kleiner. Entsprechend der Verminderung des Raumes wird die darin eingeschlossene Luftmenge verdichtet.
Die Verdichtung geht so lange vor sich, bis eine Kante eines den Raum be grenzenden Profils den Punkt 136 bezw. 140 (Fig. 2) erreicht. Von diesem Augenblicke an l@ann das verdichtete Mittel in den Aus lassstutzen<B>130</B> strömen, der, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, eine solche Form besitzt, dass das verdichtete Mittel sowohl in achsialer als auch in radialer Richtung abströmen kann, um einen möglichst grossen Auslassquerschnitt zu erhalten.
Aus dem geschilderten Vorgang bei der Verdichtung folgt, dass das Mittel auf einen umso . höheren Druck verdichtet wird, je näher die Punkte 136 und 140 beieinander liegen, und auf einen umso niedrigeren Druck, je weiter diese Punkts voneinander entfernt sind, weil im ersteren Falle der immer kleiner werdende Raum später und im letzteren Falle früher nach der Druckseite hin geöffnet wird. Dies kann in folgender Weise zur Änderung des Verdichtungsend- druckes unter sonst gleichen Verhältnissen ausgenutzt werden.
Aus der Darstellung in Fig. 2 ist ersichtlich, dass der zwischen den Punkten 136 und 140 liegende freie Umfang durch herausziehen der Schieber 142 und 144 vergrössert werden kann, und zwar der art, dass der freie Umfang von Punkt 146 bis zum Punkt 148 reicht. Wie aus Fig. 4 er sichtlich ist, besitzt der Schieber 144 eine mit Gewinde versehene Bohrung, so dass er durch Drehung der Spindel 150, die in einem aus zwei Teilen 152 und 154 bestehenden Lager drehbar, aber in achsialer Richtung nicht verschiebbar gelagert ist, herausgezogen oder eingeführt werden kann.
Der Schieber 142 ist in ähnlicher Weise durch Drehung einer in einem Lager 156, 158 gelagerten Spindel 160 verschiebbar angebracht. Im dargestell ten Ausführungsbeispiel sind zwei keilför mige Einsatzstücke 162 und 164 gezeigt, welche in der dargestellten Weise eingesetzt werden, wenn die Schieber 142 und 144 sich in geschlossener Lage befinden, und welche dem verdichteten Arbeitsmittel eine wirbel freie Abströmung ermöglichen. Diese Ein satzstücke werden durch Schrauben 166 und <B>168</B> in ihrer Lage gehalten.
Fig. 1 zeigt, dass die Schraubenräder eine Länge haben, die geringer ist als die Gang höhe der Gewinde, das heisst die einzelnen Schraubengänge erstrecken sich über weniger als<B>360'.</B> Die Schraubenräder erhalten also eine ausserordentlich geringe Abmessung in achsialer Richtung, was naturgemäss für die praktische Ausführung von grosser Bedeu tung ist. Trotzdem kann durch die Anord nung der Endwände 132, 134 eine weit gehende Verdichtung des Arbeitsmittels er halten werden.
Die beschriebene Schraubenmaschine ist in ihrer Wirkungsweise als Verdichter ge zeigt. Sie ist jedoch eine umkehrbare Ma schine und kann daher durch Vertausch der Ein- und Auslassseite auch als Motor, zum Beispiel als Gasturbine laufen. Der Einfach heit halber sind zwei zusammenarbeitende Schraubenräder gezeigt worden. Es ändert sich aber an der Wirkungsweise der Ma schine nichts, wenn sie drei oder mehr zu sammenarbeitende, durch Zahnräder unterein ander verbundene Schraubenräder enthält.
Auch im übrigen ist die Erfindung nicht an die als Beispiele angegebenen Konstruktions- einzelheiten gebunden.