PL202371B1 - Bliźniacze wirniki śrubowe do wbudowania w maszynach wyporowych dla ośrodków ściśliwych - Google Patents

Abstract

W znanych wykonaniach maszyn wyporowych dla osrodków sci sliwych pracuj a jednozwojne bli zniacze wirniki srubowe ze skokiem zmniejszaj acym si e w sposób ci agly w celu uzyskania wewn etrznego spr ezania. W niektórych wypadkach to dzia lanie jest wzmocnione lub uzupe lnione za pomoc a zmiany profili czo lowych. Zadanie pomp o zwartej budowie z mo zliwie krótkimi wirnikami oraz cz esty technologiczny wymóg szybkiego demonta zu korpusu w celach czyszczenia stawiaj a jednak ze w tym miejscu granice dla k atów opasania lub dla zmiany profili czo lo- wych, co z drugiej strony prowadzi do ekstremalnych sto- sunków skokowych sruby lub do niezadowalaj acych wska z- ników spr ezania. Wynalazek rozwi azuje te problemy dzi eki zastosowaniu wirników srubowych (2) ze zoptymalizowa- nym, przedzia lami monotonicznym przebiegiem skoku ( ?w 1 , ?w 3 ) i zale znej od wyboru zmianie profilu czo lowego przy sta lych srednicach. Przy takim samym zapotrzebowa- niu na miejsce s a poprawione mo zliwo sci zasysania i przy tylko czterech opasaniach bez trudu s a osi agane wska zniki spr ezania 3,0 i wi eksze. Maszyny wyporowe wyposa zone w takie bli zniacze wirniki srubowe zapewniaj a optymalne warunki w odniesieniu do zapotrzebowania na energi e, temperatury, przestrzeni do wbudowania, obs lugi przy mo zliwo sci zastosowa n w przemy sle chemicznym i technice pó lprzewodników. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku są bliźniacze wirniki śrubowe do wbudowania w maszynach wyporowych dla ośrodków ściśliwych, zwłaszcza pompach, których wirniki są wykonane jako jednozwojowe śruby o zmiennym skoku i w tym celu są określone, aby znajdowały się w równoległoosiowym, przeciwbieżnym zewnętrznym zazębieniu o kącie opasania wynoszącym co najmniej 720° i tworzyły w kierunku osiowym w korpusie sekwencję komór bez połączeń otworami powodującymi przedmuchy, przy czym ich profil czołowy składa się z łuku kołowego rdzeniowego, wklęsłego boku w kształcie cykloidy, łuku kołowego zewnętrznego i następnego boku.

W niemieckim dokumencie patentowym DE 87685 przedstawiono maszynę określoną jako mechanizm wyporowy o kołach śrubowych, w której wirniki śrubowe są wykonane o zmiennym skoku śruby. Maszyna jest zdatna do użycia nie tylko jako silnik, lecz także jako pompa. W celu dodatkowego zwiększenia wzrostu objętości komór roboczych w kierunku rozprężającego się ośrodka - przy pracy jako silnik - w zależności od wyboru wirniki są wykonane jako stożkowe.

W niemieckim dokumencie patentowym DE 609405 jest opisana chł odziarka do powietrza ze sprężarką i rozprężaczem, która posiada obydwie pary śrub o zmiennym skoku i głębokości zazębienia. Powierzchnie obwiedniowe wirników są ukształtowane stożkowo.

Obydwie wcześniej wspomniane maszyny mają tę wadę, że wymagają stożkowego cylindra, w wyniku czego wirniki mogą być montowane i demontowane tylko z jednej strony. Zwię ksza to koszty przy montażu i demontażu maszyn, co jest bardzo niekorzystne, w szczególności przy pracach konserwacyjnych i pracach polegających na czyszczeniu.

Europejskie zgłoszenie patentowe EP 0697523 dotyczy śrubowej maszyny wyporowej, w której współdziałające ze sobą wirniki mają niejednakowe, określone jako „męski” i „żeński” profile śrubowe, tak zwane profile S.R.M. o ciągłej zmianie skoku śruby. Przy tym profil czołowy zmienia się w taki sposób, że kąt głowy zęba względnie długość łuku kołowego zewnętrznego jest funkcją monotonicznie rosnącą w zależności od kąta opasania. Takie profile mają tę wadę, że niezawodne odgrodzenie w kierunku osiowym sekwencji komór roboczych nie jest moż liwe z uwagi na pozostają ce otwory powodujące przedmuchy. Straty próżni powodowane przez otwór powodujący przedmuchy pociągają za sobą straty współczynnika sprawności co sprawia, że w takiej maszynie co najmniej przy małych i ś rednich obrotach nie jest możliwe dobre wewnętrzne sprężanie.

W niemieckim opisie zgłoszeniowym DE 19530662 ujawniono ssącą pompę śrubową z zewnętrznie zazębiającymi się elementami śrubowymi, w której skok elementów śrubowych w celu spowodowania sprężenia przeznaczonych do oddawania gazów zmniejsza się w sposób ciągły od ich końca wlotowego do ich końca wylotowego. Zęby wirnika śrubowego mają kształt epitrochoidy i/lub krzywej Archimedesa. Ta maszyna ma tę wadę, że osiągalny wewnętrzny wskaźnik sprężania przy wskazanych stosunkach geometrycznych jest przeciętny. Ponadto brak zmiany profilu czołowego ustala i tak niewysoki stosunek sprężania i z powodu zmniejszenia głębokości szczeliny między zewnętrzną średnicą śruby i korpusem w kierunku końca śruby prowadzi do zwiększonego wskaźnika nieszczelności.

W niemieckim opisie zgłoszeniowym DE 4445958 opisano sprężarkę śrubową z przeciwbieżnie obracającymi się, zazębiającymi się zewnętrznie elementami śrubowymi. Zwoje gwintu elementu śrubowego od końca w kierunku osiowym do odległego od niego drugiego końca w kierunku osiowym zmniejszają się w sposób ciągły. Jako profil zaproponowano profil prostokątny lub profil trapezowy. Wada takich kształtów geometrycznych profilu polega na tym, że pracują one dostatecznie bezstratnie tylko, jeżeli, jak to sformułowano we wspomnianej publikacji, głębokość zazębienia w stosunku do średnicy jest mała. Taka maszyna posiada zatem duże wymiary zewnętrzne i duży ciężar. Następną wadą takich kształtów geometrycznych profilu jest to, że jeżeli ma być uzyskany zadowalający wewnętrzny wskaźnik sprężania, są potrzebne skrajnie duże zmiany skoku śruby. Jak we wspomnianym niemieckim opisie zgłoszeniowym DE 19530662, także tutaj brak zmiany profilu czołowego utrwala ten mankament i prowadzi to do zwiększonego wskaźnika nieszczelności z powodu zmniejszenia głębokości szczeliny między zewnętrzną średnicą śruby i korpusem w kierunku końca śruby.

Następne publikacje, jak na przykład szwedzki dokument patentowy SE 85331, niemieckie dokumenty patentowe DE 2434782 i DE 2434784 dotyczą maszyn śrubowych o osiach wewnętrznych o zmiennym skoku ś rub lub zmieniających się profilach czołowych. Wszystkie te maszyny posiadają tę wadę, że koszt ich budowy jest wysoki i że w każdym wypadku także od strony ssącej potrzebne są uszczelnienia dynamiczne.

PL 202 371 B1

Następnie istnieje kilka publikacji, na przykład niemieckie dokumenty patentowe DE 2934065, DE 2944714, DE 3332707 i australijski dokument patentowy AU 261792, które opisują dwuwałowe sprężarki z wirnikami podobnymi do śrub. Tam wirniki i w niektórych wypadkach korpusy są złożone z umieszczonych w kierunku osiowym jedna za drugą profilowanych tarcz o róż nej gruboś ci i/lub zarysie i takim sposobem powodują wewnętrzne sprężanie. Wszystkie maszyny z wirnikami podobnymi do śrub mają tę wadę, że ich współczynnik sprawności w stosunku do tych maszyn z wirnikami w kształcie śrub jest mniejszy, ponieważ w wyniku budowy podobnej do stopni powstają przestrzenie szkodliwe i strefy zawirowań. Ponadto w wypadku wirników podobnych do śrub, należy spodziewać się kłopotów z zachowaniem niezmienności ich kształtów, ponieważ podczas pracy rozgrzewają się.

Biorąc za punkt wyjścia ten stan techniki, celem wynalazku jest opracowanie bliźniaczych wirników śrubowych, które nie posiadają wyżej wspomnianych wad.

Te problemy zostały rozwiązane według wynalazku dzięki temu, że skok śruby przebiega przedziałami monotonicznie i jest zdefiniowany jako zmienna zależna od kąta opasania, że skok śruby w pierwszym obszarze częściowym od końca śruby od strony ssącej wzrasta i po jednym opasaniu osiąga największą wartość, że skok śruby w drugim obszarze częściowym przylegającym do pierwszego obszaru częściowego zmniejsza się i po jednym opasaniu przed końcem śruby od strony ciśnieniowej osiąga najmniejszą wartość i że skok śruby w trzecim obszarze częściowym przylegającym do drugiego obszaru częściowego zasadniczo jest stały.

Korzystnie, zarysy profilu czołowego wzdłuż osi śruby są zmienne przez to, że kąt sektorowy łuku kołowego rdzeniowego i łuk kołowy zewnętrzny zmieniają się i przez to, że kształt geometryczny następnego boku zmienia się, przy czym promień koła rdzeniowego, promień koła zewnętrznego i kształt geometryczny wklęsłego boku są stałe i przy czym najbardziej zewnętrzne punkty wklęsłego boku tworzą spiralę odniesienia dla określenia przebiegu skoku.

Korzystnie również, zmiana kąta sektorowego łuku kołowego rdzeniowego i łuku kołowego zewnętrznego wzdłuż osi śruby jest określona za pomocą pod względem przestrzennym, co najmniej w przybliż eniu równoodległego przebiegu spirali odniesienia i drugiej spirali ograniczającej zewnętrznej, walcowej powierzchni wirnika.

Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania został uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia parę zazębionych ze sobą wirników śrubowych, fig. 2 - wirnik prawoskrętny, fig. 3 - wirnik lewoskrętny, fig. 4 - przekrój czołowy wirnika śrubowego o zmieniającym się profilu, fig. 5 - rozwinięcie spirali odniesienia wirnika według wynalazku, fig. 6 - przebieg skoku rozwinięcia według fig. 4, fig. 7 przebieg przekroju komory roboczej w maszynie bez zmiany i ze zmianą profilu, fig. 8a do fig. 8c przedstawiają korpus, wirnik i przekrój komory roboczej sprężarki wyposażonej w wirniki według wynalazku i fig. 9a do fig. 9p przedstawiają przekroje czołowe pary wirników, które ilustrują powstawanie przekroju komory roboczej według fig. 7.

Na fig. 1 przedstawiono przykład wykonania pary wirników śrubowych 1 i 2 znajdujących się ze sobą w równoległoosiowym, przeciwbieżnym zewnętrznym zazębieniu. Na fig. 2 i fig. 3 pokazano oddzielnie każdy z wirników 1 i 2 według fig. 1. Na tych figurach rysunku można wyraźnie zauważyć, że zewnętrzna pobocznica i rdzeń są walcowe, a zatem głębokość zazębienia na długości śruby jest stała. Na fig. 3 wymiary Ąw i Ąw pokazują, że skok śruby wzdłuż osi jest zmienny, ale że przy tym wysokość h zewnętrznej walcowej powierzchni wirnika w kształcie śruby pozostaje stała, dzięki czemu są wyeliminowane straty nieszczelności między wirnikiem i wewnętrzną ścianą korpusu w kierunku strony ciśnieniowej, które według stanu techniki występują w niepożądany sposób w niektórych wspomnianych na wstępie maszynach. Na tej figurze rysunku za pomocą oznaczenia odsyłającego 7 jest oznaczona spirala odniesienia, która jest później jeszcze bliżej omówiona, a za pomocą oznaczenia odsyłającego 8 jest oznaczona druga spirala ograniczająca zewnętrzną, walcową powierzchnię wirnika.

Na fig. 4 jest przedstawiony wirnik w przekroju pod kątem prostym do osi wirnika. Powstający w ten sposób profil czołowy posiada łuk kołowy rdzeniowy 3 o promieniu Rb stałym na całej długości śruby, który - zgodnie z kierunkiem wskazówek zegara - po kącie sektorowym γ przechodzi we wklęsły bok w kształcie cykloidy 4. Kształt geometryczny wklęsłego boku 4 na całej długości śruby jest niezmienny. Do wklęsłego boku 4 w punkcie B przylega pod kątem ostrym łuk kołowy zewnętrzny 5 o promieniu R_a stałym na całej długości śruby, który po kącie sektorowym γ w punkcie C przechodzi w następny bok 6. Ten wpada ostatecznie za pomocą stycznego przejścia w łuk kołowy rdzeniowy 3. Zmiana zarysu profilu czołowego wzdłuż osi śruby opiera się na zmianie kąta sektorowego γ oraz na zmianie kształtu geometrycznego następnego boku 6. Zmiana kąta sektorowego γ wzdłuż osi śruby jest najczęściej określona za pomocą pod względem przestrzennym co najmniej w przybliżeniu

PL 202 371 B1 równoodległego przebiegu spirali odniesienia (7 na fig. 3) utworzonej przez najbardziej zewnętrzne punkty wklęsłego boku B_a i drugiej spirali ograniczającej (punkty C) (8 na fig. 3) zewnętrznej, walcowej powierzchni wirnika.

Na fig. 5 przedstawiono wykres rozwinięcia w spirali odniesienia wspomnianej w związku z fig. 4 w zależności od kąta opasania α. Dla porównania jest jeszcze narysowana prosta g i odpowiednie odcinki rozwinięcia spirali o stałym skoku Po, 2Po i tak dalej. Przebieg skoku jest wyraźniej widoczny, jeżeli rozpatruje się przedstawioną na fig. 6 pierwszą pochodną w' (=δ^/δ_α) rozwinięcia w. Ta wartość wj oznacza dynamiczny skok wyżej wspomnianej spirali odniesienia. Widać na tej figurze rysunku, że skok przy α = 0 zaczyna się od wartości L₀/2n, przy czym Lo jest stałą odpowiadającą średniej wysokości skoku. W pierwszym obszarze częściowym Tj. wzrasta wj i przy α = 2π osiąga maksymalną wartość [(1+A)Ł₀]/2n, przy czym A jest moderatorem amplitudy. W drugim obszarze częściowym T?, który rozciąga się od 2π do 6π skok zmniejsza się i przy α = 6π osiąga minimalną wartość [(1-A/L₀]/2n, którą zachowuje w trzecim obszarze częściowym T3 aż do końca śruby.

Na fig. 7 przedstawiono przekrój komory F w funkcji kąta opasania α, przy czym krzywa przedstawiona za pomocą linii ciągłej pokazuje przekrój komory bez zmiany profilu, a narysowana linią kreskową krzywa F_m pokazuje przekrój komory ze zmianą profilu.

Na fig. 8a jest przedstawiony przekrój korpusu przeznaczonego do zamocowania bliźniaczych wirników śrubowych według wynalazku, na fig. 8b pokazano przekrój wirników odpowiadający odtworzeniu na fig. 4, a na fig. 8c przedstawiono cieniowany kreskami przekrój komory Fo.

Na fig. 9a do fig. 9p jest przedstawione w przekrojach czołowych powstawanie przekroju komory roboczej w zależności od kąta opasania. Ten ostatni jest na figurach rysunku podany w stopniach.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Bliźniacze wirniki śrubowe do wbudowania w maszynach wyporowych dla ośrodków ściśliwych, których wirniki są wykonane jako jednozwojowe śruby o zmiennym skoku i w tym celu są określone, aby znajdowały się w równoległoosiowym, przeciwbieżnym zewnętrznym zazębieniu o kącie opasania wynoszącym co najmniej 720° i tworzyły w kierunku osiowym w korpusie sekwencję komór bez połączeń otworami powodującymi przedmuchy, przy czym profil czołowy składa się z łuku koła rdzeniowego, wklęsłego boku w kształcie cykloidy, łuku koła zewnętrznego i następnego boku, znamienne tym, że skok przebiega przedziałami monotonicznie i jest zdefiniowany jako zmienna zależna od kąta opasania, że skok śruby w pierwszym obszarze częściowym (Tj) od końca śruby od strony ssącej wzrasta i po jednym opasaniu osiąga największą wartość, że skok śruby w drugim obszarze częściowym (T?) przylegającym do pierwszego obszaru częściowego zmniejsza się i po jednym opasaniu przed końcem śruby od strony ciśnieniowej osiąga najmniejszą wartość i że skok śruby w trzecim obszarze częściowym (T3) przylegającym do drugiego obszaru częściowego zasadniczo jest stały.
2. 2. Bliźniacze wirniki śrubowe według zastrz. 1, znamienne tym, że zarysy profilu czołowego wzdłuż osi śruby są zmienne przez to, że kąt sektorowy (γ) łuku kołowego rdzeniowego (3) i łuk kołowy zewnętrzny (5) zmieniają się i przez to, że kształt geometryczny następnego boku (6) zmienia się, przy czym promień koła rdzeniowego (Rb), promień koła zewnętrznego (R_a) i kształt geometryczny wklęsłego boku są stałe i przy czym najbardziej zewnętrzne punkty wklęsłego boku tworzą spiralę odniesienia (7) dla określenia przebiegu skoku.
3. 3. Bliźniacze wirniki śrubowe według zastrz. 2, znamienne tym, że zmiana kąta sektorowego (γ) łuku kołowego rdzeniowego (3) i łuku kołowego zewnętrznego (5) wzdłuż osi śruby jest określona za pomocą pod względem przestrzennym, co najmniej w przybliżeniu równoodległego przebiegu spirali odniesienia (7) i drugiej spirali ograniczającej (8) zewnętrznej, walcowej powierzchni wirnika.