WO1997005389A1 - Spiralverdichter, insbesondere zum einsatz bei der drucklufterzeugung für schienenfahrzeuge - Google Patents
Spiralverdichter, insbesondere zum einsatz bei der drucklufterzeugung für schienenfahrzeuge Download PDFInfo
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- F04C27/005—Axial sealings for working fluid
Definitions
- Spiral compressor in particular for use in compressed air generation for rail vehicles
- the invention relates to a scroll compressor according to the preamble of claim 1.
- the object of the invention is to design a preferably completely oil-free scroll compressor with a one-sided scroll arrangement with a large intake volume flow and also with large compression ratios so that the aforementioned problems of high axial forces are taken into account; in particular, in spite of the required volume and compression sizes, the compressor should be able to run free of high axial forces and thus be as wear-free as possible.
- the pressure chambers fed by the compression pockets of the scroll compressor create in a very simple manner a device by means of which the very high axial forces acting on the bearings can be counteracted; it is therefore possible to compensate for these axial forces.
- the function of the pressure chambers is ensured in particular with dry running properties of the seals delimiting the pressure chambers, since there is only a low relative speed between the spirals, that is to say also in the region of the pressure ring and the annular disk forming the pressure chambers with the pressure ring.
- the drawing shows a scroll compressor 1 provided with a one-sided scroll arrangement, which has an arrangement according to the invention for compensating for the high compressors acting against the bearings of the compressor Has axial forces.
- the scroll compressor 1 is provided with a housing 3 in which two interlocking spirals run, namely a spiral 7 driven by a shaft 5 and a spiral 9 dragged by the spiral 7.
- the two spirals each perform a pure rotational movement; due to the purely rotary movement of the spirals, no unbalance forces occur, provided the spirals are balanced in each case.
- the relative movement of the two spirals to one another which is required for a compression effect, is generated by the axes of rotation 11 and 13 of both spirals being at a certain distance from one another. Furthermore, the dragged spiral 9 is encompassed by a pressure ring 15, which is screwed to the driven spiral 7 (via fastening means, not shown) or is connected in some other way.
- an "anti-rotation mechanism” acts in the form of a forced guidance between the two spirals, which consists, for example, of three of the towed ones Spiral 9 carried support rollers 17, which run at the same angular distance from each other holes 19 in the pressure ring 15. Accordingly, three support rollers arranged at an angular distance of 120 ° from each other are assigned to three bores 19 arranged at the same angular distance from one another.
- the driven shaft 5 of the spiral 7 runs in a bearing 29, while the shaft 31 of the trailed spiral 9 runs in a bearing 33.
- a device for axial force compensation is provided according to the invention. This device consists of pressure chambers 35, which are provided between the inside of the pressure ring 5 and an annular disk 37 attached to the rear of the spiral 9.
- the pressure chambers 35 are the very low volumes which each exist between the annular disk 37 and the facing inner surface of the pressure ring 15.
- the size and shape of the pressure chambers is determined by dry-running seals 39, which seal the pressure chambers against outside air, ie against the outside air volume between cooling air inlet 40 and cooling air outlet 41 of the spiral 9.
- three pressure chambers 35 are provided between the bores 19 at the same angular distance of 120 ° to one another, each of which is supplied with compressed air from the compression pockets 45 of the spirals via bores 43.
- a pressure builds up in these due to the pressure supply of the pressure chambers 35 described above, which presses the two scrolls towards one another, since the pressure ring 15 is connected to the scroll 7 and the annular disk 37 in the rear region of the scroll 9 thereof is carried, for example, by radial spiral ribs 47 connected to the spiral 9 or by the bearing journals of the support rollers 17, which penetrate the annular disc 37 at an angular distance from one another, as can be seen in the upper section of the drawing.
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Abstract
Bei einem mit großen Ansaugvolumenströmen und großem Verdichtungsverhältnis arbeitenden, vollständig ölfreien Spiralverdichter (1), insbesondere zum Einsatz bei der Drucklufterzeugung für Schienenfahrzeuge, sind bei einseitiger Spiralenanordnung Maßnahmen zur Kompensation der hohen, auf die Spirallager wirkenden Axialkräfte vorgesehen; zu diesem Zweck sind unter axialem Abstand zwischen den Spiralen (7, 9) des Spiralverdichters (1) durch Verdichtungstaschen (45) gespeiste Druckkammern (35) vorgesehen, mittels welchen die ineinanderlaufenden Spiralen gegenseitig abgestützt sind. Vorzugsweise sind die Druckkammern (35) zwischen einem mit der antreibenden Spirale (7) verbundenen Druckkranz (15) und einer Ringscheibe (37) der unter Zwangsführung geschleppten zweiten Spirale (9) ausgebildet, derart, daß den auf die Lager (29, 33) der beiden Spiralen einwirkenden Axialkräften axialgerichtete Gegenkräfte kompensierend entgegenwirken.
Description
Spiralverdichter, insbesondere zum Einsatz bei der Drucklufterzeugung für Schienenfahrzeuge
Die Erfindung betrifft einen Spiralverdichter nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1.
Bei der Drucklufterzeugung, insbesondere bei der ölfreien Drucklufterzeugung in Schienenfahrzeugen, sind infolge der großen, zu erzeugenden Luftmengen und der extrem rauhen Bedingungen besondere Anforderungen an die Verdichtertechnik zu stellen. Selbst unter rauhen Umgebungsbedingungen (Temperatur, Schwingungen, Stöße etc.) ist stets volle Betriebsfähigkeit zu gewährleisten.
In zunehmendem Maße wird im Bereich der Schienenfahrzeuge ölfreien Spiralverdichtern erhöhte Aufmerksamkeit gewidmet, insbesondere um den Anfall ölhaltigen Kondensats zu vermeiden und um die Wartung zu vereinfachen. Aufgrund der gegenüber heutigen handelsüblichen, ölfreien Spiralverdichtern im Schienenfahrzeugeinsatz stark zu vergrößernden Leistung (z.B. Ansaugvolumen¬ strom von ca. 1600 l/min) und der damit verbundenen hohen Belastungen des Spiralverdichters ist eine einfache Vergrößerung derartiger Verdichter nicht möglich, insbesondere im Hinblick auf die sehr hohen Axialkräfte, welche die Neigung besitzen, die Spiralen des Verdichters auseinanderzudrücken. Bei sogenannter einseitiger Spiralanordnung ist insbesondere die Abstützung derartiger Axialkräfte problematisch, da sehr große Lager erforderlich sind. Verschärft wird diese Problematik durch die geforderte ölfreie Verdichtung, aufgrund welcher die Reibleistung der Lager nur sehr schwer abführbar ist. Verdichter mit einseitiger Spiralanordnung wurden bis dato aus den vorgenannten Gründen im Schienenfahrzeugbereich als nicht einsetzbar angesehen.
Davon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen vorzugsweise vollständig ölfrei arbeitenden Spiralverdichter mit einseitiger Spiralanordnung bei großem Ansaugvolumenstrom als auch bei großen Verdichtungsverhältnissen so auszugestalten, daß den vorgenannten Problemen hoher Axialkräfte Rechnung getragen wird; im besonderen soll trotz der geforderten Volumen- und Verdichtungsgrößen ein von hohen Axialkräften freier und somit möglichst verschleißfreier Lauf des Verdichters ermöglicht sein.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale nach dem Kennzeichnungsteil des Patentanspruches 1.
Bei einseitiger Anordnung der Spiralen, nämlich der antreibenden und der geschleppten Spirale, ist durch die von den Verdichtungstaschen des Spiralverdichters gespeisten Druckkammern in sehr einfacher Weise eine Vorrichtung geschaffen, mittels welcher den sehr hohen, auf die Lager wirkenden Axialkräften entgegengewirkt werden kann; es ist mithin eine Kompensation dieser Axialkräfte erzielbar. Trotz der hohen Umlaufgeschwindigkeiten der beiden Spiralen ist die Funktion der Druckkammern bei insbesondere Trocken laufeigenschaften der die Druckkammern begrenzenden Dichtungen sichergestellt, da nur eine geringe Relativgeschwindigkeit zwischen den Spiralen, also auch im Bereich des Druckkranzes und der mit dem Druckkranz die Druckkammern bildenden Ringscheibe besteht.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in weiteren Patentansprüchen aufgeführt.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte einzige Zeichnung erläutert. Diese zeigt in Schnittansicht den Spiralverdichter nach der Erfindung.
In der Zeichnung ist ein mit einer einseitigen Spiralanordnung versehener Spiralverdichter 1 dargestellt, welcher eine erfindungsgemäße Anordnung zur Kompensation der hohen, gegenüber den Lagern des Verdichters wirkenden
Axialkräfte aufweist. Der Spiralverdichter 1 ist mit einem Gehäuse 3 versehen, in welchem zwei ineinandergreifende Spiralen laufen, nämlich eine mittels einer Welle 5 angetriebene Spirale 7 und eine durch die Spirale 7 geschleppte Spirale 9. Die beiden Spiralen führen jeweils eine reine Rotationsbewegung aus; durch die rein rotatorische Bewegung der Spiralen treten keine Unwuchtkräfte auf, sofern die Spiralen jeweils in sich ausgewuchtet sind.
Die für eine Verdichtungswirkung erforderliche Relativbewegung beider Spiralen zueinander wird erzeugt, indem die Rotationsachsen 11 und 13 beider Spiralen einen gewissen Abstand zueinander aufweisen. Fernerhin ist die geschleppte Spirale 9 von einem Druckkranz 15 umgriffen, welcher mit der angetriebenen Spirale 7 (über nicht dargestellte Befestigungsmittel) fest verschraubt oder auf sonstige Weise verbunden ist. Um die Funktion des sogenannten „co-rotating"-Prinzips beider Spiralen zu gewährleisten, d.h. um jederzeit die korrekte Relativstellung der beiden Spiralen zueinander sicherzustellen, wirkt zwischen den beiden Spiralen ein „Antirotationsmechanismus" in Form einer Zwangsführung, welche z.B. aus drei von der geschleppten Spirale 9 getragenen Stützrollen 17 besteht, die in unter gleichem Winkelabstand zueinander angeordneten Bohrungen 19 im Druckkranz 15 laufen. Demnach sind drei unter einem Winkelabstand von jeweils 120° zueinander angeordneten Stützrollen drei unter gleichem Winkelabstand zueinander angeordnete Bohrungen 19 zugeordnet. Da sich der Druckkranz 15 mit der angetriebenen Spirale 7 dreht, nimmt dieser mittels der Wandungen der Bohrungen und die Stützrollen 17 die Spirale 9 mit, d.h. diese wird geschleppt, wobei die beiden Spiralen infolge der Versetzung der Rotationsachsen 11 und 13 innerhalb des Freiheitsgrades der Bohrungen „orbitierende" Bewegungen zueinander ausführen. Diese orbitierenden Bewegungen der Spiralen zueinander erzeugen zwischen diesen im Volumen sich verändernde Spiraltaschen, welche zur Verdichtung des über den Ansaugkanal 21 angesaugten Gas- bzw. Luftvolumens beitragen. Die verdichtete Luft wird durch eine im Zentrum der Spirale 9 liegende Axialbohrung 23 und einen Druckstutzen 25 aus dem Verdichtungsraum 27 ausgeschoben. Die angetriebene Welle 5 der Spirale 7 läuft in einem Lager 29, während die Welle 31 der geschleppten Spirale 9 in einem Lager 33 läuft.
Bei einem Spiralverdichter der vorstehend beschriebenen einseitigen Spiralenanordnung ist es bei komplett ölfreiem Lauf erwünscht, ein großes Verdichtungsverhältnis zu erreichen, ohne daß es infolge der daraus resultierenden Axialkräfte an den Spiralen zu einer zu starken Belastung der Lager kommt. Um diesem Problem zu begegnen, ist gemäß der Erfindung eine Vorrichtung zur Axialkraftkompensation vorgesehen. Diese Vorrichtung besteht aus Druckkammern 35, welche zwischen der Innenseite des Druckkranzes 5 und einer auf der Rückseite der Spirale 9 angebrachten Ringscheibe 37 vorgesehen sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Druckkammern 35 um die sehr niedrigen Volumina, welche jeweils zwischen der Ringscheibe 37 und der zugewandten Innenfläche des Druckkranzes 15 bestehen. Die Größe und die Formgebung der Druckkammern ist durch trockenlaufende Dichtungen 39 bestimmt, welche die Druckkammern gegenüber Außenluft d.h. gegenüber dem Außenluftvolumen zwischen Kühllufteintritt 40 und Kühlluftaustritt 41 der Spirale 9 abdichten. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind unter gleichem Winkelabstand von 120° zueinander jeweils zwischen den Bohrungen 19 befindlich drei Druckkammern 35 vorgesehen, welche jeweils über Bohrungen 43 mit Druckluft aus den Verdichtungstaschen 45 der Spiralen versorgt werden.
Bei Betrieb des Spiralverdichters baut sich infolge der vorstehend beschriebenen Druckversorgung der Druckkammern 35 in diesen ein Druck auf, welcher die beiden Spiralen einander zugewandt drückt, da der Druckkranz 15 mit der Spirale 7 verbunden ist und die Ringscheibe 37 im rückwärtigen Bereich der Spirale 9 von dieser getragen wird, z.B. durch mit der Spirale 9 verbundene, radiale Kühlrippen 47 bzw. durch die Lagerzapfen der Stützrollen 17, welche unter Winkelabstand zueinander die Ringscheibe 37 durchsetzen, wie in der oberen Schnitthälfte der Zeichnung ersichtlich ist. Da die Spiralen 7 und 9 mittels der vorstehend beschriebenen Vorrichtung zur Axialkraftkompensation aufeinander zugewandt gedrückt werden, werden die Lager 29 und 33 in gleichem Maße von Axialkräften entlastet, weshalb ölfrei arbeitende Spiralverdichter der beschriebenen Art auch mit großem Verdichtungsverhältnis bei großem Ansaugvolumen arbeiten können.
Außer der vorgenannten Kühlluftanordnung für die Spirale 9 ist auch an der Spirale 7 ein entsprechendes Kühlsystem vorgesehen, d.h. es besteht ein Kühllufteintritt 49 und ein Kühlluftaustritt 51; desweiteren sind mit der Spirale 7 verbundene, radiale Kühlrippen 53 vorgesehen.
Bezugszeichenliste
Spiralverdichter 51 Kühlluftaustritt
Gehäuse 53 Kühlrippen
Welle
Spirale
Spirale
Rotationsachse
Rotationsachse
Druckkranz
Stützrolle
Bohrung
Ansaugkanal
Axialbohrung
Druckstutzen
Verdichtungsraum
Lager
Welle
Lager
Druckkammer
Ringscheibe
Dichtung
Kühllufteintritt
Kühlluftaustritt
Bohrung
Verdichtungstasche
Kühlrippen
Kühllufteintritt
Claims
1. Spiralverdichter, insbesondere zum Einsatz bei der Drucklufterzeugung für Schienenfahrzeuge, mit wenigstens zwei in einem Gehäuse angeordneten, ineinanderlaufenden Spiralen, deren für die Verdichtungswirkung erforderliche Relativbewegung zueinander durch eine gegenseitige Versetzung ihrer Rotationsachsen erzeugt wird , wobei die Spiralen je in einem Lager laufen, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Kompensation der von den Spiralen (7, 9) auf die Lager (29, 33) ausgeübten Axialkräfte Druckkammern (35) vorgesehen sind, mittels welchen die beiden Spiralen (7, 9) gegenseitig abgestützt sind.
2. Spiralverdichter nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) die erste der ineinandergreifenden Spiralen ( Spirale 7) trägt unter axialem Abstand einen mit ihr verbundenen und mit ihr umlaufenden Druckkranz (15) ;
b) zwischen dem Druckkranz (15) und der ersten Spirale (7) ist die zweite Spirale (Spirale 9) zwangsgeführt angeordnet; und
c) die Druckkammern (35) sind zwischen der Innenseite des Druckkranzes (15) und einer an dieser anliegenden Ringscheibe (37) gebildet und über Bohrungen (43) von Verdichtungstaschen (45) des Spiralverdichters mit Druckluft gespeist.
3. Spiralverdichter nach Anspruch 1 oder 2 , gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) die Druckkammern (35) sind je durch eine im Druckkranz eingelassene Druckkammerdichtung mit Trockenlaufeigenschaften begrenzt ; b) die Ringscheibe (37) überlappt die Druckkammern mit einer der Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden Spiralen (7,9) entsprechenden Gleitgeschwindigkeit; und
c) die Druckkammern sind über Durchlässe in der Ringscheibe und über die Bohrungen (43) mit den Verdichtungstaschen des Spiralverdichters verbunden.
4. Spiralverdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß sich die Ringscheibe (37) an mit der zweiten Spirale verbundenen, radialen Kühlrippen (47) abstützt, derart, daß durch den in den Druckkammern sich aufbauenden Druck als Reaktionskraft gegenüber dem Druckkranz (15) und der Ringscheibe (37) die auf die Lager (29,33) der Spiralen einwirkenden Axialkräfte kompensiert werden.
5. Spiralverdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch drei unter einem Winkelabstand von jeweils 120° zueinander bestehende Druckkammern zwischen der Innenfläche des Druckkranzes (15) und der zugewandten Innenfläche der Ringscheibe (37).
6. Spiralverdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spirale (7) angetrieben ist und daß die zweite Spirale (9) mittels einer Zwangsführung von der ersten Spirale (7) geschleppt ist.
7. Spiralverdichter nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch folgende Merkmale :
a) von der dem Druckkranz zugewandten Rückseite der zweiten Spirale (9) erstrecken sich drehbar gelagerte Stützrollen (17); und b) die Stützrollen (17) rollen in Bohrungen (19) ab , welche in den Druckkranz (15) eingelassen sind.
8. Spiralverdichter nach Anspruch 6 oder 7 gekennzeichnet durch drei unter einem Winkelabstand von 120° zueinander an der Rückseite der zweiten Spirale (9) angeordnete, von dieser sich erstreckende Stützrollen (17), welche in den Bohrungen (19) des mit der ersten Spirale (7) verbundenen Druckkranzes (15) abrollen.
9. Spiralverdichter nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (19) jeweils zwischen zwei Druckkammern (35) angeordnet sind.
10. Spiralverdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Stützrollen (17) je in einer elastischen Kunststoffhülse laufen oder kunststoffbeschichtet sind.
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