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DE20013338U1 - Verdichter - Google Patents

Verdichter

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DE20013338U1
DE20013338U1 DE20013338U DE20013338U DE20013338U1 DE 20013338 U1 DE20013338 U1 DE 20013338U1 DE 20013338 U DE20013338 U DE 20013338U DE 20013338 U DE20013338 U DE 20013338U DE 20013338 U1 DE20013338 U1 DE 20013338U1
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Description

Die Erfindung betrifft einen Verdichter mit einem Gehäuse und wenigstens einem in dem Gehäuse drehbar mittels einer Welle gelagerten Rotor, der ohne Berührung mit dem Gehäuse rotiert.
Verdichter bedürfen im allgemeinen der Kühlung, um die beim Verdichtungsprozeß anfallende Wärme abzuführen. Auf eine direkte Kühlung der Rotoren und Wellen wird zumeist aus Kostengründen verzichtet. Die Kühlung der Rotoren erfolgt dann nur indirekt über den Fördermedienstrom und über das direkt
gekühlte Gehäuse.
Wegen der direkten Kühlung des Gehäuses, beispielsweise durch eine Luftströmung oder einen Wassermantel, und die nur indirekte Kühlung der Rotoren tritt im Betrieb eine hohe Temperaturdifferenz zwischen Gehäuse und Rotoren auf. Diese Temperaturdifferenz muß bei der Auslegung der Spalte berücksichtigt werden. Der größeren Temperaturdehnung der Rotoren wird durch vergrößerte Spalte im kalten Zustand Rechnung getragen. Der Unterschied der Spaltgröße im kalten Zustand zur Spaltgröße im Betriebszustand, d.h. bei einer
Temperaturdifferenz in der Größenordnung von 100° K, wird als Spaltreduzierung bezeichnet. Um ein Anlaufen der Rotoren unter allen Umständen zu verhindern, werden die Spaltweiten für die maximale thermische Belastung festgelegt, die sich durch die unterschiedlichen Druckverhältnisse und Drehzahlen ergibt. Die Berücksichtigung der Spaltreduzierung führt dann zu einer Bemessung der Spaltweiten im kalten Zustand. Man ist aber bestrebt, die Spalte möglichst klein zu halten, um Rückströmungen zu minimieren und den volumetrischen sowie den isentropen Wirkungsgrad zu maximieren.
Diese Überlegungen führen in der Praxis zur Verwendung von Werkstoffen mit geringer Wärmedehnung. Als Standardwerkstoff wird für Gehäuse Gußeisen mit Lamellengraphit und für die Rotoren Gußeisen mit Kugelgraphit verwendet. Der Wärmedehnungskoeffizient beträgt jeweils o*= 10,5*6/K. Bei Verwendung von Gußeisen für Gehäuse und Rotoren und einem Außendurchmesser der Rotoren von beispielsweise 100 mm ergibt sich für die Spaltreduzierung ein Wert von etwa 0,1 mm. Damit können befriedigende Wirkungsgrade erzielt werden. Die Verwendung eines Materials wie Aluminium kommt hingegen nicht in Betracht, da wegen der mehr als doppelt so großen Wärmedehnung die entsprechenden Werte der Spaltreduzierung bei etwa 0,24 mm liegen würden, so dass die Spaltweiten im kalten Zustand mehr als doppelt so groß sein müßten, wodurch die Spaltverluste enorm vergrößert würden.
Durch die Erfindung wird ein Verdichter geschaffen, der trotz Verwendung von Aluminium-Werkstoffen geringe Spaltweiten und einen entsprechend hohen Wirkungsgrad aufweist. Gemäß der Erfindung besteht der Rotor aus einem pulvermetarlogisch hergestellten, siliziumhaltigen Aluminium-Werkstoff und das Gehäuse besteht im wesentlichen aus Aluminium. Unter Aluminium für das Gehäuse wird im wesentlichen reines Aluminium oder eine Aluminium-Legierung mit dem typischen relativen großen Wärmedehnungskoeffizienten von etwa 23,8 &khgr; 10"6/K verstanden. Der pulvermetarlogisch hergestellte, silizimhaltige Aluminium-Werkstoff hat hingegen typischerweise einen Wärmedehnungskoeffizient von nur 16 &khgr; 10"6/K. Geht man wiederum von einem Rotordurchmesser von 100 mm aus, so ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Werkstoffkombination bei einer
Temperaturdifferenz von 100° K eine Spaltreduzierung, die wie folgt berechnet wird:
L.
Die Spaltreduzierung ist mit einem Wert von 0,113 mm somit kaum größer als der entsprechende Wert bei Verwendung von Gußeisen für Gehäuse und Rotoren.
Die Verwendung von Aluminium anstelle von Gußeisen erbringt erhebliche Vorteile, insbesondere ein geringeres Gewicht, kürzere Bearbeitungszeiten, Korrosionsbeständigkeit, geringere Herstellungskosten.
Bei der bevorzugten Ausführungsform ist auf den Oberflächen der Rotoren
eine Isolierschicht aufgebracht. Durch diese Isolierschicht wird der Wärmeübergang von dem kompremierten Fördermedium auf die Rotoren vermindert. Der Wärmestrom wird verstärkt über die Welle des Rotors abgeführt.
Die verminderte Erwärmung der Rotoren durch die Isolierschicht führt zu einer geringeren Wärmedehnung und läßt daher kleinere Spaltweiten zu, wodurch der
Wirkungsgrad gesteigert wird.
20
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung zweier Ausführungsformen des Verdichters und aus den beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 schematisch einen geöffneten Klauenverdichter mit Blick auf die Rotoren;
Fig. 2 eine entsprechende Ansicht einer Ausführungsvariante; und
Fig. 3 eine weitere Ausfuhrungsvariante.
Der in Fig. 1 beispielshalber gezeigte Verdichter hat einen allgemein mit 10 bezeichnetes Gehäuse mit einer inneren Kammer 12, die aus zwei einander überschneidenden Teilzylindern gleicher Größe besteht. In der Kammer 12 sind zwei Rotoren 14, 16 in Form von zweiflügeligen Wälzkolben aufgenommen. Jeder Rotor 14, 16 sitzt auf einer entsprechenden Welle 18, 20. Die zueinander parallelen Wellen 18, 20 sind durch ein (nicht gezeigtes) Getriebe synchronisiert. Die Rotoren
14, 16 laufen im inneren der Kammer 12 ohne gegenseitige Berührung und ohne Berührung mit der Wandung der Kammer 12. Sie wälzen sich ineinander ab und bilden dabei Arbeitsräume variabler Größe, wobei eine innere Verdichtung stattfindet.
Die im Betrieb des Verdichters anfallende Wärme wird im wesentlichen durch Kühlung des Gehäuses 10 abgeführt. Zu diesem Zweck weist das Gehäuse 10 eine Vielzahl von Kühlrippen auf, die von einem Luftstrom umströmt werden. Die erwärmte Abluft ist in der Zeichnung durch Pfeile symbolisiert. Die Rotoren 14, 16 und die Wellen 18, 20 werden nicht direkt gekühlt. Ein Teil des Wärmestroms wird über die Wellen 18, 20 und ein anderer Teil über den Fördermedienstrom abgeführt. Um die Erwärmung der Rotoren 14, 16 im Betrieb zu reduzieren, ist ihre Oberfläche mit einer thermisch isolierenden Beschichtung versehen.
15
Das Gehäuse 10 besteht aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung, deren Wärmedehnungskoeffizient etwa 23,8 &khgr; 10*6/K beträgt. Die Rotoren 14, 16 bestehen aus einem Aluminium-Werkstoff, dessen Wärmedehnungskoeffizient etwa 16 &khgr; 10*6/K beträgt. Durch diese Werkstoffpaarung ergibt sich eine Spaltreduzierung, die - bezogen auf einen Rotordurchmesser von 100 mm - etwa 0,113 mm beträgt.
Der Aluminium-Werkstoff, aus dem die Rotoren 14, 16 bestehen, ist pulvermetarlogisch hergestellt und dispersionsverfestigt. Die Zusammensetzung des Aluminium-Werkstoffs für die Rotoren ist vorzugsweise wie folgt:
30
18,5 bis 21,5 Gew.% Silizium,
4,6 bis 5,4 Gew% Eisen,
1,8 bis 2,2 Gew.% Nickel
Rest: Aluminium
Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip ist bei den meisten Bauformen von Verdichtern mit berührungslosen Rotoren anwendbar, mit besonderem Vorteil jedoch bei zweiwelligen Verdichtern mit innerer Verdichtung,
z.B. Klauenverdichter und Schraubenverdichter. Die Erfindung erstreckt sich allgemein auf die Verwendung einer pulvermetallurgischen Al-Si-Legierung bei Rotoren von Verdichtern, Pumpen und Drehkolbenmaschinen in Kombination mit einem Gehäuse aus Aluminium, insbesondere bei Maschinen mit berührungslos arbeitenden Rotoren.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausfuhrungsvariante ist das Gehäuse aus einem Außenkörper 1 Oa, der aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, und einem darin eingegossenen Ring 10b aufgebaut. Der Ring 10b besteht aus einer pulvermetallurgischen, dispersionsverfestigten Al-Si-Legierung der oben näher beschriebenen Art. Der Ring bildet die Begrenzung der Kammer in der die Rotoren des Verdichters aufgenommen sind. An der Grenzfläche zwischen Außenkörper 10a und Ring 10b sind die beiden Werkstoffe miteinander verschmolzen, so daß ein inniger Verbund zwischen Außenkörper 10a und Ring 10b besteht. Da der Ring 10b aus einem Material von wesentlich größerer Festigkeit als das Material des Außenkörpers 10a besteht, bestimmen seine Wärmedehnungseigenschaften im wesentlichen die Wärmedehnung des Gehäuses als ganzes. Auch die Rotoren bestehen bei dieser Ausführungsform aus einer Al-Si-Legierung der oben beschriebenen Art. Der Ring ist mit angegossenen Versteifungsrippen 10c versehen, die radial auswärts gerichtet sind. In jedem Eckbereich des Gehäuses ist eine dieser Versteifungsrippen angeordnet.
Bei dieser Ausführungsform kann eine Spaltreduzierung von ca. 0,16 mm erreicht werden, wiederum bezogen auf einen Rotordurchmesser von 100 mm.
Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform hat das Gehäuse einen Lagerdeckel 22, mit zwei Lagern 24, 26 für die Wellen 18, 20. Beiderseits der Lager 24, 26 ist in dem Lagerdeckel 22 eine Versteifungsrippe 28, 30 aus einer dispersionsverfestigten Aluminiumlegierung eingegossen. Durch diese Versteifungsrippen 28, 30 wird einerseits die Lagerung der Wellen 18, 20 versteift, zum anderen wird die Wärmedehnung des Achsabstandes reduziert.

Claims (17)

1. Verdichter mit einem Gehäuse und wenigstens einem in dem Gehäuse drehbar mittels einer Welle gelagerten Rotor, der ohne Berührung mit dem Gehäuse rotiert, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor aus einer pulvermetallurgischen Al-Si-Legierung und das Gehäuse im wesentlichen aus Aluminium besteht.
2. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Al-Si-Legierung dispersionsverfestigt ist.
3. Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Al-Si-Legierung folgende Zusammensetzung aufweist:
18,5 bis 21,5 Gew.-% Silizium,
4,6 bis 5,4 Gew.-% Eisen,
1,8 bis 2,2 Gew.-% Nickel,
Rest: Aluminium.
4. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Al-Si-Legierung einen Wärmedehnungskoeffizient von etwa 16 . 10-6/K aufweist.
5. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium, aus dem das Gehäuse besteht, einen Wärmedehnungskoeffizient von etwa 23,8 . 10-6/K aufweist.
6. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse durch einen Luftstrom gekühlt ist.
7. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor nur über den Fördermedienstrom und die Welle gekühlt ist.
8. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei berührungslos ineinander abwälzende Drehkolben aufweist.
9. Verdichter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß er mit innerer Verdichtung arbeitet.
10. Verdichter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehkolben zwei- oder dreiflügelig ausgebildet sind.
11. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er als Schraubenverdichter ausgebildet ist.
12. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche der Rotoren eine Isolierschicht aufgebracht ist.
13. Verdichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse einen Außenkörper aus Aluminium und einen darin eingegossenen Ring aus einer dispersionsverfestigten pulvermetallurgischen Al-Si-Legierung aufweist.
14. Verdichter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß an der Grenzfläche des Ringes und des Außenkörpers deren Werkstoffe miteinander verschmolzen sind.
15. Verdichter nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring unmittelbar den Rotor umgibt.
16. Verdichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse wenigstens einen Lagerdeckel aufweist, der mit eingegossenen Versteifungsrippen aus einer dispersionsverfestigten pulvermetallurgischen Al-Si-Legierung versehen ist.
17. Verdichter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifungsrippen auf einander gegenüberliegenden Seiten der Lager angeordnet sind.
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