螺杆压缩的制造方法

螺杆压缩的制造方法
【专利摘要】螺杆压缩机的螺杆转子对具有相互非接触啮合的双齿螺杆转子(2)和三齿螺杆转子(3)。与双齿螺杆转子相关的包角至少为800度。转子头部的平均圆周速度达到至少30米/秒的范围。在横截面中，两个螺杆转子都设有圆弧部(36.K和36.F，以及37.K和37.F)和摆线齿廓面(38和39)，在双齿螺杆转子(2)中摆线齿廓面基本高于其轮齿节圆(6)并具有凸状设计，在三齿螺杆转子(3)中摆线齿廓面低于其轮齿节圆(7)并具有凹状设计，即凹陷的。优选地，每个螺杆转子的横截面为对称的，使得在每个横截面中，轮廓面的重心位于各自转子的枢轴点(M.2或M.3)。
【专利说明】螺杆压缩机

【背景技术】
[0001] 在工业压缩机技术中无油润滑压缩机变得越来越重要。由于基于环境保护法规的 承诺日益增加，还有操作和处理成本的增加，W及对输送介质的纯度的更高要求，现有的有 油润滑压缩机，如液环式压缩机、回转式滑片粟W及油或水喷射螺杆压缩机正越来越多地 被无油润滑机器所取代。该些机器包括无油螺杆式空压机、爪粟、隔膜粟、柱塞粟、润旋机和 真空罗茨粟。然而，该些机器的共同之处在于，仍然无法在低廉的价格水平和令人满意的压 缩效率的基础上，满足人们对可靠性和耐用性W及尺寸和重量方面的期望。
[0002] 为了改善该种情况，现有的无油润滑螺杆压缩机是一种替代，因为作为典型的双 轴位移机，它们仅需W-种非常简单的方式，即所谓的"粟螺杆"，实现所要求的阶段数便可 提供高压缩能力，每个位移转子有几个串联连接的封闭的具有一些包裹物的工作腔室，但 是工作腔室中无需工作流体介质。此外，两个反向旋转的螺杆转子的非接触式晒合允许更 高的转子速度，使得（与尺寸有关）额定吸入能力和输送速率有所增加。无油润滑螺杆压 缩机可用于真空W及正压力的应用场合；其在正压力的应用中的功耗自然显著较高，因为 在正压力范围内，最终的压力肯定高于2己（绝压），最高达15己甚至更高，必须克服更大 的压力差。
[0003] 在PCT的专利文献W0 00/12899中描述了一种用于无油润滑螺杆位移机的简单的 转子冷却系统，其中每个转子上设有圆锥形转子钻孔，冷却剂（优选为油）被引入到钻孔 中，从而持续带走在压缩过程中产生的部分压缩热。在专利文献PCT/EP2008/068364中，该 种方法得W发展，冷却剂通过内部的冷却剂（油）粟输送W冷却粟壳体，通过单独的热交换 器形成优选的共同的冷却剂循环，W带走在输送介质的压缩过程中所吸收的那部分热量， 并且带走散热损失，W在所有工作条件下保持转子对和周围粟壳体之间的间隙值。该些专 利文献中有利地在压缩过程中通过相关的工作腔室/核也组件的热平衡影响散热效果，从 而大大提高效率和可靠性。然而，压缩性能W及容量仍然可W被改进，并且该种改进不仅针 对于无油润滑的位移机的更复杂的应用，因为目前由输送气体的入口和排放出口之间的各 个串联连接的工作腔室的内部泄漏引起的损失仍然过高。该种情况亟待改进。
[0004] 本发明的目的在于，显著改善无油润滑的双轴旋转位移机的效率和压缩效率，该 位移机用于在真空压力和正压力的应用中运输和压缩气体输送介质。
[0005] 根据本发明，该目的是该样实现的，无油润滑螺杆压缩机作为双轴位移机，用于真 空压力和正压力，转子对在位于压缩机的工作腔室外部的同步装置的驱动下获得反向旋转 并具有一定的旋转角度，该转子对由双齿螺杆转子和相晒合的H齿螺杆转子组成，其包角 至少800度，但优选大于1160度，最有利地大于2600度，对于特别高的压力差的情况，包 角甚至大于3500度，因为压缩能力越高包角应该越大，由此，螺杆转子高速运行，W获得至 少30米/砂，更好地为45米/砂，但是最有利的是高于60米/砂或者甚至更好地大于80 米/砂的转子头部的平均圆周速度，因为圆周速度越大，螺杆压缩机的效率等级就越高，由 此两个螺杆转子都具有摆线齿廓面，在双齿转子中摆线齿廓面被设计为基本高于其轮齿节 圆，并且摆线齿廓面是凸状的，即W球根状突出，在H齿转子中摆线齿廓面被设计通常低于 其轮齿节圆，并且摆线齿廓面是凹状的，即凹陷的，因此每个螺杆转子的横截面优选为对称 的，使得每个横截面的重也位于转子的枢轴点，由此，由于所谓的内部压缩比，入口侧工作 腔室的容积比在出口侧大，是该样实现的，螺杆转子对任一入口侧的横截面具有比出口侧 的横截面大的工作腔室的横截面，该至少要在一个螺杆转子中实施，但优选为在两个螺杆 转子中，在转子的纵向轴线方向，通过预设的齿根圆半径缩短，使得与其晒合的转子的齿根 圆半径增大，或者转子对的主轴螺距减小使得入口处比排放出口处增大的多，由此，在更高 的内压条件下，即超过约3倍，横截面面积的减小伴随着螺距的减小，从而优选地形成在转 子纵向轴线方向上的横截面的变化，W使得转子的外直径呈现圆锥形，每个螺杆转子具有 至少一个恒定的直角齿锥值，由此，优选地，必须在每个螺杆转子的入口区设置具有恒定的 直径值的圆柱形区域，由此，在入口区，优选设计齿廓面使得H齿螺杆转子上的齿廓面长度 上延伸，优选摆线，也高于其轮齿节圆，该意味着，在轮齿系统中，双齿转子上的齿廓面也必 须低于其轮齿节圆而长度上延伸，并且同样优选地，螺杆转子设有用于散热的内部转子流 体冷却装置，压缩机壳体也设有用于散热的流体冷却系统，从而用于转子对W及压缩机壳 体的冷却剂优选在一个共同的冷却回路中使用，从而使螺杆转子的设计参数（如头部轮廓 的齿距角和每个转子的齿顶圆半径）被设计成使得双齿螺杆转子的转子平均温度相对于 H齿螺杆转子的转子平均温度偏离小于25%，更好的是小于10%，该是通过转子参数的设 计实现的，从热力学角度，每个转子都通过气体侧的热吸收表面、材料中的热传递和散热的 冷却剂接触内部转子冷却圆锥形的表面建立起热平衡，从而导致各转子的转子平均温度也 相对于周围的压缩机壳体的温度的偏离小于25%，更好的是相对于螺杆转子的最高平均温 度的偏离小于10%，由此，该壳体的平均温度取决于压缩机壳体的冷却剂接触表面的尺寸 和冷却剂流动参数，尤其是涉及到冷却剂质量流量和冷却剂的温度水平，并通过对螺杆转 子的平均温度的适应W实现温度差的更好的最小化要求，除了每个冷却圆锥直径的路径和 调节质量流量规则，每个螺杆转子有的特别影响热传导的其他可能，可选地在内部转子冷 却圆锥的每个钻孔对称地设置细长的凹部，使得该些凹部都低于各自的螺杆转子齿，其可 W通过钻削加工在工业上可靠地生产。根据本发明，还建议当齿顶圆半径被选择时，通过头 部轮廓的齿距角，双齿螺杆转子上的转子齿距角肘角优选地设计为使得该齿距角肘角大于 每个转子的双面压缩机壳体的孔径角。此外，根据本发明，每个螺杆转子刚性安装在其自身 的巧架轴上，由此，每个巧架轴的功能包括提供冷却剂、外部同步W及安装。如果通过正齿 轮进行同步，本发明还建议将安装在双齿螺杆转子上的齿轮侧转子的外径设计为大于双齿 螺杆转子的同步齿轮的外径，使得双齿螺杆转子作为旋转单元可W被完整地安装并最终达 到平衡。多个齿廓面特别是在转子的纵向轴线方向上有所不同，它们在工业上的生产通过 在车床上沿转子纵向轴线方向旋转单个的点序列螺旋线相继完成，该在结合后最终形成齿 廓面。根据经验，为了减少重量和压缩过程中更好的散热，建议螺杆转子对在钢巧架轴上由 具有高导热性的材料制成，优选为铅合金，由此，压缩机壳体同样优选为铅合金。
[0006] 一心巧术术语的简要解释
[0007] 螺杆转子上的"包角"被定义为沿单个齿廓横截面之间的螺杆转子轴的所有扭转 角的总和，单个齿廓横截面是当转子的纵向轴线方向上的Z轴值增加时形成的。因此，Z轴 位置Zi的齿廓横截面与在相邻位置Zw的齿廓横截面相比，两个横截面相对于彼此扭转了 角度地ii，根据所选函数Z (地i)可W准确地得到该个从Zi到Zw的步骤中的地ii。沿螺杆 转子轴横截面的所有的扭转角的总和等于包角，其在该里与双齿转子有关并缩写为PHI. 2。 对于H齿转子，为满足轮齿系统的要求，该扭转角必须适合于传动比，因此扭转角为相同长 度的螺杆转子的给定因数。包角为阶段数的决定量度。
[0008] "阶段数"是指在转子入口侧和转子出口侧之间的螺杆转子对中的封闭的工作腔 室的数目。优选地，阶段数由转子长度的整数和所选的包角PHI.2构成。优选地，PHI.2值 集塊至至少下一个整十，即例如，从2411。到2420。。
[0009] "工作腔室"是指转子对的齿之间的封闭的空间的容积，其由周围的压缩机壳体和 齿轮传动定律中定义的齿廓接合之间的螺杆转子齿廓面间隙所限定，，由此该些晒合转子 对齿廓面被视为接触的，即接近于零间隙。然而，在实践中，晒合转子对齿廓面确实有一定 的间隙，尽管尽可能小，也会导致内部泄漏回流。"入口侧的工作腔室容积"是在粟侧的第一 个封闭的工作腔室的容积，相应地，"出口侧的工作腔室容积"是用于输送气体出口前的最 后一个工作腔室的容积。该两个容积的商为"内部压缩比"。出于实用的目的，大于3的值 可W被确定为"高内部压缩比"。工作腔室的容积由相应的工作腔室的横截面面积乘W由主 轴螺距定义的在转子轴的纵向轴线方向上工作腔室的每段长度来计算。
[0010] 特别对于螺杆转子对，"横截面"定义为每个垂直于螺杆转子轴而穿过螺杆转子对 的切面，优选地，将螺杆转子轴定义为Z轴，该样横截面便位于笛卡尔直角坐标系的x-y平 面上。螺杆转子对的轴线W固定的间距保持平行，该一间距表示螺杆压缩机的一个重要参 数，也就是所谓的"轴距"。
[0011] 两个螺杆转子的"外部同步"是必须的，因为转子对在没有工作流体介质的压缩机 的工作腔室中工作，即"无油润滑"，并且它的高速度造成其非接触运转，转子W最小可能的 面间隙相对于彼此反转运行。为了确保转子对始终非接触运转，两个螺杆转子必须始终W 很高精度的转动角驱动，转动角在几角分的范围内，其通过外部同步来完成是公知的。迄今 为止最常用的实现外部同步的方法是通过直接晒合的正齿轮，其节圆与相应的螺杆转子粟 螺杆的轮齿节圆正好一样大。然而，也存在该样的可能，例如，电子的转子对同步，其中每个 转子都由其自身电机电子地驱动而符合该转动角。
[0012] "入口区"可由包角区域的方式来描述，在入口侧，第一封闭工作腔室由连续的扭 转角形成。根据本发明的螺杆转子对中，入口区开始于720度加上在双齿螺杆转子的入口 侧的齿顶圆弧中也角ga.邸2处的入口横截面侧。
[0013] 在空气吸力中，"正压力"是指在运行中的最终压力，即大于25己的绝对压力值； 通常8己至15己是常见的，但在较高的阶段数中，可W达到大于25己的压力。在非空气吸 力中，该些值相应地改变。最终压力是小于50毫己的绝对压力，更好的是小于1毫己，被 认为是真空或负压力，在相应的阶段数，相对在空气压力范围内的出口压力，甚至小于0. 01 毫己绝对压力。
[0014] W上称为"所需的最小化的温度差"是基于该样的情况，在压缩机的工作腔室中工 作的核也组件，即在周围的压缩机壳体中的转子对，应当相对于彼此W尽可能小的间隙工 作，W保持相当低的内部回流。而无油润滑位移机经历不同的工作过程，例如，从启动时的 温度通常较低的状态到运行中某一点的较热状态，所述核也组件的热膨胀的差异应保持尽 可能低，W便通过间隙的回流保持在控制范围内。但是，由于对于该里的结构，热膨胀基本 上是由组件的温度决定的，核也组件之间的温度差必须保持尽可能低。
[0015] 如权利要求5所述的特征的优点在于，开始压缩后，气孔迅速变小。该会产生高吸 力容积。如权利要求11所述的特征产生更好的散热效果。该在启用车床进行生产和加工 转子时是有利的。如权利要求12所述的特征形成了对于内部泄漏的改进；气密性得到了改 善。如权利要求13所述的特征在加工完的转子单元的安装上得到了改善。该对于两个转 子的紧固尤为重要。
[0016] 如权利要求14所述的特征提供了一种适于转子的制造工艺。人们发现，用成形刀 具生产转子是不可行的。如权利要求16所述的特征产生了良好的散热性。如权利要求17 所述的特征通过阻碍泄漏流动的通道阻止了泄漏。如权利要求18所述的特征，散热得到了 改善。如权利要求19所述的特征形成了该样一种肘弯，使得更好的接近节圆线下。可参考 图7和9,其中对此进行了说明。如权利要求20所述的特征使制造更容易。权利要求2、21 和22所述的特征形成不同的旁路。如权利要求21和22所述的特征，有效地帮助防止过压 缩或欠压缩。根据权利要求23所述的一个特征，旁路钻孔的直径不大于头部的宽度，从而 避免了工作腔室之间的短路。
[0017] 本发明将参考W下附图进一步描述：
[0018] 图1示出了根据本发明的螺杆转子对的示例性剖视图，W及总共4个沿转子纵向 轴线方向的不同的Z轴位置上的横截面视图。在此，入口（18)和出口（19)之间工作腔室 横截面面积（40)的减小变得与转子纵向轴线方向上主轴螺距m(z)的缩小一样明显，两个 尺寸的设计目的都是实现更高的内部压缩比，在此情况下为H倍W上。术语SE. Z = 0标明 纵向轴线位置为Z = 0的相应的横截面平面。在圆柱形的入口区（41)之后，螺杆转子的外 径有所变化，使得在本实施例中的每个螺杆转子形成恒定的锥角ga. 2Ke或ga. 3Ke。还示出 了未冷却的圆柱形入口区（41)，其轮廓超出各自的节圆，W及螺杆转子和各自的巧架轴之 间的刚性连接部（17a)，由此，可W看到位于SE. Z = L. ges的出口侧横截面处的螺杆转子和 巧架轴之间的第二刚性连接部（nb)，W及冷却流体通道。其他横截面图中示出了用于内 部转子的冷却装置巧和9)和用于壳体的冷却装置（12)。该里，外部同步通过正齿轮（14 和15)提供的，由此，在双齿转子中，齿轮侧安装部（13)的外直径大于同步齿轮（14)的外 直径，W允许双齿螺杆转子（2)的旋转单元完整地安装，并允许螺杆压缩机的平衡W及只 有在平衡后才进行的后续安装。
[0019] 图2示出本发明的具有压缩机壳体（1)的单个横截面的放大视图的实例，转子对 由双齿螺杆转子（2)和H齿螺杆转子（3)构成，其具有用于转子对和用于压缩机壳体（1) 的完整的流体冷却系统，并且在该横截面中，工作腔室的横截面面积（40)的尺寸变化使得 下一个横截面通过减小工作腔室的容积的容量而出现内部压缩。
[0020] 图3中的横截面图示出了用于齿廓设计的参考编号。因此，双齿螺杆转子（2)的 节圆半径做始终为轴距a的40%，S齿螺杆转子做的节圆半径（7)对于所有横截面始 终为该a值的60%。作为优选的对称的齿廓设计（为了更好的平衡性能），在双齿螺杆转子 中摆线齿廓（38)共出现了四次，而在H齿螺杆转子中齿廓（39)共出现了六次。通过改变 齿顶圆半径R.2(z)和R.3(z) W及头部轮廓Ra. K2(z)的齿距角，该些齿廓发生变化。工作 腔室的形成是通过管理双齿螺杆转子（2)的四个巧距巧端点E. 2a、E. 2. b、E. 2. C和E. 2. d 通过M. 2-M. 3中也到中也的连接线来控制的。
[0021] 图4示出本发明的一个实施例的整个螺杆压缩机的截面图，双齿转子（2)具有 两个不相等的锥角ga. G2. kel和ga. G. 2. ke2,双齿转子（2)具有转子长度段L. zyl W及 L. 2. kel和L. 2. ke2,入口（18)和出口（19)之间的总长度为L. ges。图中示出了通过正齿 轮对（14和15)同步的转子对，W及内部转子的冷却装置巧和9)，冷却装置包括冷却流体 源（22)和用于壳体的流体冷却装置（12)。
[0022] 图5示出本发明的螺杆转子对的横截面的一个实施例，W解释所建立的热平衡， 因为必须实现在转子纵向轴线方向上的设计参数，如转子头部轮廓（34)的齿距角和每个 转子（2和3)的齿顶圆半径（30和31)，W使得双齿转子（2)的转子平均温度相对于H齿转 子的转子平均温度偏离小于25%，更好的是小于10%。为了该个目的，根据热力学热平衡 计算中的指示热流箭头，通过在输送气体侧（24,25和28)的热吸收、材料中的热传导，W及 经由冷却流体的散热（26, 27和29)，确定并比较每个组件的温度，W及确定并相互比较每 个组件的工作腔室区域AK. ij，AK. ji，AK. ii和AK. jj。通过迭代参数的适应，特别是对于 冷却流体的参数，如冷却剂的质量流量和冷却剂的温度水平，核也组件的组件温度差可W 最小化，核也组件即转子2和转子3 W及外壳，该样螺杆压缩机的可靠性得到提高，因为W 最小的温度差，间隙的热缩减的风险得W避免。
[0023] 图6具体示出了图4内容的一部分，即螺杆转子的齿顶圆弧的凹槽（35)的具体设 计，优选地，在制造转子时，该些凹槽通过车床车削而成，作为齿顶圆的螺旋循环凹槽，W增 加壳体到转子头部的泄漏流体的流动阻力，从而减少内部泄漏。
[0024] 在图3和图5的横截面中，示出了形成工作腔室的轮廓线，即（36.巧和（38) W及 (37.巧和（39)，工作腔室用于运输输送介质，对于螺杆转子对涉及冷却剂接触散热线（26) 和（27)，作为直管段。在每个螺杆转子中，该种关系沿转子的纵向轴线方向变化，该样当压 缩开始时，在工作腔室侧的轮廓线比在冷却剂侧的轮廓线长，并且每个工作腔室越接近出 口，冷却剂侧的轮廓线就越长，而工作腔室侧的轮廓线就越短。根据本发明，螺杆转子（至 少正压力的应用）必须设计为使得在出口侧，从而在压缩端，冷却剂侧轮廓线比工作腔室 侧的轮廓线长。
[00巧]根据本发明，由螺杆转子对形成的工作腔室容积在入口和出口之间减小。工作腔 室的最大容积与最小容积之商被称为内部压缩比n，其最初只是一个纯几何意义产生的数 字。正如众所周知的，任何压缩机运行于其理想的工作点，"最后的"工作腔室恰好朝向出口 打开之前，其通过内部压缩精确达到出口处的压力。
[0026] 然而，在大多数的真空压力应用中，吸气压力的变化是由于抽空过程，该意味着必 须找到内部压缩比n的折衷值。因为该个值对于多数真空压力应用是相对较低的（该值 往往小于3)，如果根据本发明，对于大多数真空螺杆压缩机该值是足够的，内部压缩比仅通 过增加具有恒定半径值的节距来实施，因此，对于许多的真空压力应用，至少一个螺杆转子 被设计为具有简单的圆柱直径。
[0027] 然而，在大多数正厘立应用中，必须W更高的内部压缩比值为目的，根据本发明， 该是通过改变节距，W及几何上减小转子纵向轴线方向上的横截面面积来实现的。同时，当 工作腔室沿转子的纵向轴线方向从入口到出口运输，内部回流（即所谓的各个工作腔室之 间的"内部泄漏"）必须最小化，而目的必在于在入口侧的工作腔室具有最大可能的吸入容 积。对于大的吸入容积，螺杆转子的外径必须增大，使得H齿螺杆转子的齿顶圆半径变得大 于H齿螺杆转子的节圆，优选地在入口区被设计为恒定的圆柱状。根据本发明，在转子纵向 轴线方向上H齿螺杆转子的外径，如R.3K(z)的值标号（31)，被设计为（如图7所示）使得 3z转子头部轮廓线（43.a)与3z节圆（7)的交点Kie限定Ldkht.Mek巧O.a)的长度，该长度 大于转子轮廓化6)的总长度的一半。优选地，在入口处3z转子头部轮廓线（43. a)在部分 段具有圆柱形的恒定值R. 3K狂二0) = R. 3K. in = 0. 5 ? D. 3K. in,并且在出口处单调下降 过程后，具有R. 3K狂二L. ges) = R. 3K. out = 0. 5 *D. 3K. out的值，其中R为半径，D为直 径。两个头部轮廓线（42)和（43)必须被设计成连续地单调下降，由此为实用目的，为各个 头部轮廓线选定倾斜角。
[0028] 图7只示出了最原始设计的"暂定的"头部/根部轮廓，因为依据制造工艺，提供了 特别的适应配置W优化刀具运行，从而最终得到如图10所示的螺杆转子对的"实际的"头 部/齿根线轮廓。
[0029] 众所周知，在螺杆转子W恒定的轴距配对时，化头部轮廓（42)，通过旋转轴镜像， 直接且明确地得到了完整的3z根部轮廓（45)，正如在2x齿根线（44)明确地由3z头部轮 廓而来。如图8和9所示，对于两个螺杆转子中的任何一个来说，仅看头部轮廓就足W完整 且明确地描述所有转子半径线。
[0030] 图8示出了在双齿螺杆转子中图7的暂定的化头部轮廓（42. a),其简化为长度 为L. 2K. 的圆柱形入口部W及点Kie和K2.C之间直到排放出口单调连续的轮廓。根据本 发明，对于实际的2z头部轮廓（42. b)具有曲率恒定的过渡，根据容许的载荷极限，其长度 L.化在螺杆转子制造过程中限定了刀具运行。根据该实际的化头部轮廓（42. b)，实际的 3x根部轮廓（45. b)也被完整且明确地限定了。
[0031] 图9示出了在H齿螺杆转子中图7的暂定3z头部轮廓（43. a)，其简化为长度为 L. 3K. 的圆柱形入口部W及点Ks.c和Ks.p和Ks.h之间直到排放出口的单调连续的3z头 部轮廓，由此，3z节圆线（7)被切断，使得密封表面L. dicht. Knick(50. a)至少为转子轮廓 总长度L. ges(66)的一半长。经验表明，对于实际的3z头部轮廓（43.b)，在点Ks.b和Kie 之间存在曲率恒定的过渡，优选具有一个转折点，根据加工机的容许载荷极限，其长度L 3b 在螺杆转子制造过程中限定了刀具运行。通过3z节圆线（7)交叉点K3.D，明确地得到了实 际的密封表面L. dicht. 1ST (50. b)，其至少为转子轮廓总长度L. ges (66)的一半长。根据实 际的3z头部轮廓（43. b)，实际的化根部轮廓（44. b)也被完整且明确地限定了。
[0032] 图10最终示出了实际的化头部轮廓（42. b)和3z头部轮廓（43. b)，其中通过总 长度L. ges (66)明确限定每个轴距的相晒合的化齿根线（44. b)和3z齿根线（45. b)的实 际轮廓，由此，双齿螺杆转子的粟螺杆（46)显示为交叉阴影线部分，H齿螺杆转子的粟螺 杆（47)显示为具有H角形阴影的区域W及晒合粟螺杆（48)。此外，示出了每个螺杆转子的 内部转子冷却装置（8)和巧），W及各自的节圆线（6)和（7)。
[0033] 在实际压缩机操作中众所周知的是，几何内部压缩比n。。。和实际内部压缩比n^T 之间必然存在差异，因为只有在等温压缩（即在压缩过程中没有温度变化）中两个值才是 相同的。然而，在螺杆压缩机的压缩过程中输送介质的温度上升，实际的内部压缩比n。。。 取决于温度变化，众所周知的是，其必须利用多变指数来计算。如上所述，应该致力于压缩 机的理想运行，即压缩机的每个"最后的"工作腔室直接在其开口朝向排放出口之前，通过 出口处的内部压缩达到精确的压力，W避免任何浪费能源的"过压缩"或"欠压缩"。然而， 虽然在成品机中，几何内部压缩比n。。。已经由零件的实际设计所确定，并且由于应用场合 (例如在热/冷的环境中）所决定的不同的散热，多变指数会产生波动，并且由于操作的最 终压力将是可变的，如果实际的内部压缩比nUT能够相适应将是有利的。
[0034] 为了确保实际的内部压缩比riuT可理想地适应特定的应用条件，本发明还建议在 "过压缩"（螺杆转子的工作腔室中的压力已经超过前方的排放出口的运行压力）的情况 下，设置过压缩输送气体流巧5)，作为主输送气体流巧2) W外的局部输送气体流，其通过 附加的输入钻孔化0)由控制装置巧6)来控制，在"欠压缩"（螺杆转子的工作腔室中的压 力在排放出口之前未达到运行压力）的情况下，设置欠压缩输送气体流巧7)，作为主输送 气体流化2) W外的局部输送气体流，其通过调节装置巧8)控制。在离开输送气体之后，设 置二次冷却器，从而在"欠压缩"的情况下，在运行压力下经冷却的（！）输送气体流入压 力不足的工作腔室，由此，在出口腔室（19)中的压力与运行压力大致相同。
[00巧]为了进一步说明，应该指出的是，众所周知，"欠压缩"导致等容剩余压缩，该时最 后的工作腔室容积必须顶着较高的出口压力被排出，而没有容积变化，该在能源损耗方面 当然是不足之处。
[0036] 而每个工作腔室遍布双齿W及H齿螺杆转子，过或欠压缩中的输送气体均衡局部 流的输入W及输出仅取决于横截面平面中Z. Pi位置，此外图12做了补充显示。
[0037] 图11示出了一个实施方式的实施例，其中浪费能源的"过/欠压缩"可被避免。在 压缩过程中，由于螺杆转子的旋转，工作腔室接近出口腔室（19)，并且由于工作腔容积的减 小，工作腔室中的压力上升。而每个工作腔室经过钻孔化0)和化1)，直接确定工作腔室压 力相对于运行压力偏离了多少而构建，使得要么由调节装置巧6)触发过压缩输送气体流 (55)，要么由调节装置巧8)触发欠压缩输送气体流（57)，由此，钻孔巧4、55和60、61)自然 可W有利地分布在圆周上。
[003引此外，钻孔巧4)和巧9) W及化0)和化1)自然可W用于两个流动方向，使得两个 调节装置巧6)和巧8)可W结合为一个调节装置中，取决于工作腔室中的压力，该个调节装 置引导输送气体局部流作为输送气体二次冷却器巧3)的过压缩输送气体流巧5)，或者作 为输送气体二次冷却器巧3)的欠压缩输送气体流巧7)而进入工作腔室中。
[0039] 调节装置（56和58)也可W设计成简单的单向阀。
[0040] 图12示出了螺杆转子（60或61)的工作腔室钻孔（60或61)。在主轴旋转过程 中，螺杆转子头部化3)紧密地通过工作腔室钻孔（60或61)，从而实现其固定的打开和闭 合，有利的是，为每个均衡输送气体局部流（55或57)设置至少两个输入钻孔（60或61)，W 避免均衡输送气体局部流（55或57)不合意的气体脉动。在该个横截面中，每个输入钻孔 (60或61)的直径0V.Pi小于头部宽度A m. Ki。两个输入钻孔（60或61)的距离值A U. 2i 必须小于头部弧长邸.i (z)，优选地，约为已知的邸.i (z)值的一半长。在H个输入钻孔的 情况中，距离值Au. 3i为头部弧长值邸.i(z)和间隙弧长值FB. i(z)之间的值。
[0041] 与双齿螺杆转子相关的包角优选为大于1160度，有利地大于1700度，甚至更有利 地大于2600度，对于特别高的压缩要求，包角甚至大于3500度。优选地，转子头部的平均 圆周速度在至少45米/砂的范围，然而有利地为高于60米/砂，为了更好的效果则要大于 80米/砂。在横截面中，两个螺杆转子具有圆弧部（36. K和36. F，W及37. K和37.巧和摆 线齿廓面（38和39)。在双齿螺杆转子（2)中，摆线齿廓面基本高于其轮齿节圆（6)并且是 凸状的，即球根状突出。在H齿螺杆转子（3)中，摆线齿廓面基本低于其轮齿节圆（7)并且 是凹状的，即凹陷的。在该两种情况下，基本是指至少80 %的轮廓深度，其中，轮廓深度是双 齿螺杆转子（2)或H齿螺杆转子（3)的齿顶圆和齿根圆之间的距离。
[0042] 在入口区，只有轻微的输送气体的压力差，并且每转输送最大可能容积。该意味 着，入口区允许更高的llKRO值，因为更高的hKRO值W及由此而来的高吸入能力对于大的 横截面是有利的。
[0043] 在出旦区，由于所谓的"内部压缩比"工作腔室容积变小，并且存在较大的压力差， 使得转子W尽可能紧密的方式配对，即W最小的llKM)值（理想状态为零），使内部泄漏回 流最小化。
[0044] 在壳体交点边缘与转子对晒合线之间引入气孔距离尺寸。该气孔距离尺寸的值优 选约为轴距值的5%至10%，由此，在纵向轴线方向的情况如下；在入口区，气孔距离尺寸 优选为大于轴距的5%。因此，仅当压力差适当时，吸入容积增大。在出口区域，气孔距离尺 寸优选为小于轴距值的5%。因此，实现了必要的压缩能力，内部泄漏也相应地最小化。优 于5%为3%，甚至更有利的是2%。
[0045] 有利的是，在压缩长度的至少50% (见于朝向出口的输送方向），气孔距离尺寸小 于轴距值的5%。
[0046] 有利的是，双齿螺杆转子的齿廓面完全高于其节圆，H齿转子的齿廓面完全低于 其节圆。
[0047] 压缩长度定义为转子纵向轴线（通常为笛卡尔坐标中的Z轴）方向上的长度，在 该长度方向上，工作腔室容积的尺寸减小，该意味着产生了所谓的"内部压缩"，W及通过转 子圆锥形的内部冷却的压缩热损耗。压缩长度等于整个转子长度的主要部分；只在吸入侧， 具有形成工作腔室并产生吸入容积的输入长度。
[0048] 晒合线是两个螺杆转子的所有晒合点所确定的位置。
[0049] 壳体交点边缘是压缩机壳体中两个转子齿顶圆的所有交点组成的线。始终存在彼 此相对的两个壳体交点边缘。
[0050] 参考标号列表
[0051] 1.具有外部冷却散热片（优选W螺旋方式包裹压缩机壳体）的压缩机壳体
[005引 2.双齿螺杆转子，简称为"转子2"，其总包角为PHI. 2
[005引 3. S齿螺杆转子，简称为"转子3"
[0054] 4.转子2的巧架轴
[005引 5.转子3的巧架轴
[005引 6.转子2的轮齿节圆，其半径为r. 2
[0057] 7.转子3的轮齿节圆，其半径为r. 3
[005引 8.根据W0 00/12899用于转子2的内部转子流体冷却
[0059] 9.根据W0 00/12899用于转子3的内部转子流体冷却
[0060] 10.转子2中可选的用于内部转子流体冷却的细长凹部
[0061] 11.转子3中可选的用于内部转子流体冷却的细长凹部
[0062] 12.根据PCT/EP2008/068364用于压缩机壳体的流体冷却
[0063] 13.用于任一螺杆转子的安装部
[0064] 14.用于转子2的同步齿轮
[0065] 15.用于转子3的同步齿轮
[0066] 16.在每个巧架轴上的冷却剂进入钻孔
[0067] 17.所有螺杆转子巧架轴上的连接部，优选为：
[0068] 17. a入口侧的连续连接部
[0069] 17. b出口侧连接部，其具有冷却剂通道开口，优选为纵向凹槽
[0070] 18.输送介质的入口腔室
[0071] 19.输送介质的出口腔室
[0072] 20.具有螺杆转子轴承支架的入口轴承巧架
[0073] 21.具有螺杆转子轴承支架的出口轴承巧架
[0074] 22.向每个巧架轴的每个冷却剂进入钻孔的冷却剂源
[0075] 23.作为冷却剂的冷却流体
[0076] 24.转子2输送气体侧的热吸收表面
[0077] 25.转子3输送气体侧的热吸收表面
[0078] 26.转子2的冷却剂接触散热表面
[0079] 27.转子3的冷却剂接触散热表面
[0080] 28.间隙流中的热平衡
[0081] 29.通过压缩机壳体的散热
[0082] 30.双齿螺杆转子中转子纵向轴线方向上位置Z的横截面处的转子齿顶圆半径， 简称为R. 2 (Z)
[0083] 31. H齿螺杆转子中转子纵向轴线方向上位置Z的横截面处的转子齿顶圆半径， 简称为R. 3 (Z)
[0084] 32.双齿螺杆转子中转子纵向轴线方向上位置Z的横截面处的转子的齿顶圆圆弧 的圆也角，简称为ga.邸2 (Z)
[0085] 33.转子纵向轴线方向上位置Z的横截面处压缩机壳体交点边缘的转子2的开度 角，简称为ga. G2(z)
[0086] 34.在双齿螺杆转子中转子纵向轴线方向上位置z的横截面上，转子头部轮廓的 齿距角，简称为ga. K2(z)
[0087] 35.双齿和/或H齿螺杆转子的齿顶圆圆弧上的凹槽
[0088] 36.横截面侧转子齿廓的圆弧部：
[0089] 36. K齿顶圆圆弧部，双齿螺杆转子上出现两次
[0090] 36. F齿根圆圆弧部，双齿螺杆转子上出现两次
[0091] 37.横截面侧转子齿廓的圆弧部：
[0092] 37. K齿顶圆圆弧部，H齿螺杆转子上出现H次
[0093] 37. F齿根圆圆弧部，H齿螺杆转子上出现H次
[0094] 38.摆线齿廓面，双齿螺杆转子上出现四次
[0095] 39.摆线齿廓面，H齿螺杆转子上出现六次
[0096] 40.对于转子纵向轴线方向上位置Z的横截面上工作腔室的横截面面积
[0097] 41.入口区，螺杆转子对的圆柱形的外直径值
[0098] 30.在双齿螺杆转子中转子纵向轴线方向上位置z的横截面处的转子齿顶圆半 径，简称为R. 2 (Z)，特别地：
[0099] R. 2K (Z = 0) = R. 2K. in = 0. 5 ? D. 2K. in (即，始于气体入口的 Z)
[0100] R. 2K(z = LgJ = R. 2K. out = 0. 5 ? D. 2K. out (目P，终于气体出口的 Z)
[0101] 31.在H齿螺杆转子中转子纵向轴线方向上位置Z的横截面处的转子齿顶圆半 径，简称为R. 3 (Z)，特别地：
[010引 R. 3K (Z = 0) = R. 3K. in = 0. 5 ? D. 3K. in (即，始于气体入口的 Z)
[010引 R. 3K(z = LgJ = R. 3K. out = 0. 5 ? D. 3K. out (目P，终于气体出口的 Z)
[0104] 43.双齿螺杆转子中的转子头部轮廓设计为：
[0105] 42. a哲定的化车部轮廓
[0106] 根据图7和图8经过点K2A和馬。到K2E的连线
[0107] 42. b连际的2z头部轮廓
[0108] 根据图8和图10经过点K2A和K2B和馬。到K2E的连线
[0109] 44. H齿螺杆转子中的转子头部轮廓设计为：
[0110] 43. a哲定的3z头部轮廓
[01川经过点Ksa和Ksc和Kse和Ksp到Ksh的连线：图7和图9 [0112] 43. b实际的3z头部轮廓
[011引经过点Ksa和Ksb和Ksd和Kse到Ksh的连线：图9和图10 [0114] 45.双齿螺杆转子中的转子根部轮廓设计为：
[01巧]44. a哲定的2z根部轮廓
[01 1引根据图7经过点F2A和F2C和F2E和F2P到F2H的连线
[0117] 44. b连际的2z根部轮廓
[0118] 46. H齿螺杆转子中的转子根部轮廓设计为：
[0119] 45. a暂定的3z根部轮廓
[0120] 根据图7经过点Ksa和Kse和Kse和Ksp到Ksh的连线
[0121] 45. b连际的3z根部轮廓
[0122] 47.双齿螺杆转子中的粟螺杆，W简化的形式用垂直银齿阴影示出
[0123] 48. H齿螺杆转子中的粟螺杆，W简化的形式用H角形阴影示出
[0124] 49.交替晒合粟螺杆，W简化的形式用W上两种阴影的重叠示出
[0125] 50. H齿螺杆转子中齿顶圆值加快减小的中间区域，设计为：
[012引 49. a哲定的中间区域L. 3K. ZW
[0127] 根据图7和图9，点K3C与之间的连线
[012引 49. b连际的中间区域L. 3b
[012引根据图9和图10，点Ksb与Kse之间的连线
[0130] 51.无气孔螺杆转子对密封表面，示为：
[0131] 50. a暂定的轮廓称为Ldicht.Mek
[01础 50. b实际的轮廓称为Ldkht.isT
[0133] 52.转子纵向轴线方向经h(z)从h. in到h. out的齿高
[0134] 53.在输送气体二次冷却器之前具有压缩端温度的主输送气体流
[0135] 54.输送气体二次冷却器，热交换（设有冷凝水排）
[0136] 55.用于过压缩输送气体流的进入钻孔
[0137] 56.作为均衡输送气体局部流的过压缩输送气体流 [013引 57.用于过压缩输送气体流的调节装置
[0139] 58.作为均衡输送气体局部流的欠压缩输送气体流
[0140] 59.用于欠压缩输送气体流的调节装置
[0141] 60.用于欠压缩气体流的进入钻孔
[0142] 61.用于过压缩输送气体流的工作腔室钻孔
[0143] 62.用于欠压缩输送气体流的工作腔室钻孔
[0144] 63.离开输送气体二次冷却器后的经冷却的主输送气体流
[0145] 64.螺杆转子轮齿头部
[0146] 65.形成工作腔室的螺杆转子轮齿间隙
[0147] 66.转子纵向轴线的Z. Pi位置的横截面平面 [014引 67.螺杆转子粟螺杆，总长度为L. ges
【权利要求】
1. 螺杆压缩机，其运行于工作腔室中，没有工作流体介质，作为双轴旋转位移机，在真 空压力和正压力应用中输送并压缩气体介质，该螺杆压缩机具有螺杆转子对，其在位于压 缩机工作腔室外部、周围压缩机壳体（1)内的外部同步装置的驱动下具有一定的旋转角度 并反向旋转，周围压缩机壳体（1)设有用于输送介质的入口（18)和排放出口（19)，其特征 在于，两个螺杆转子设有不同数目的齿，由此，该螺杆转子对由相互非接触啮合的双齿螺杆 转子（2)和三齿螺杆转子（3)，其中与双齿螺杆转子相关的包角至少为800度，由此，螺杆转 子以高速旋转，从而使转子头部平均圆周速度达到至少30米/秒的范围，两个螺杆转子的 横截面都设有圆弧部（36. K和36. F，以及37. K和37. F)和摆线齿廓面（38和39)，在双齿 螺杆转子（2)中摆线齿廓面基本高于轮齿节圆（6)并具有凸状设计，在三齿螺杆转子（3) 中摆线齿廓面基本低于其轮齿节圆（7)并具有凹状设计，即凹陷的，每个螺杆转子的横截 面优选地具有对称的设计，使得在每个横截面中轮廓面的重心位于各自转子的枢轴点（M. 2 或 M. 3)。
2. 根据权利要求1所述的螺杆压缩机，其特征在于，入口侧的所述工作腔室的容积大 于排放出口侧的所述工作腔室的容积。
3. 根据权利要求2所述的螺杆压缩机，其特征在于，入口侧的所述横截面的横截面面 积（40)大于出口侧的横截面，这通过在至少一个螺杆转子，但优选地在两个螺杆转子中， 所述转子的纵向轴线方向上，特别优选的齿顶圆半径（30或31)的连续单调减小3%至 20%，以及各自啮合的齿根圆半径的相应增加来实现的。
4. 根据权利要求2或3所述的螺杆压缩机，其特征在于，在所述转子纵向轴线方向上所 述转子对的主轴螺距m(z)减小，使得在入口（18)处的主轴螺距比出口（19)处的主轴螺距 大1.5倍至4倍。
5. 根据上述任一项权利要求所述的螺杆压缩机，其特征在于，随着所述转子的外直径 (30和31)的变化，每个螺杆转子（2和3)形成了圆锥形外形，其中每个螺杆转子具有至少 一个直角齿锥值，优选地，每个螺杆转子在所述入口区设有圆柱形区（41)，其转子头部具有 恒定的外直径。
6. 根据上述任一项权利要求所述的螺杆压缩机，其特征在于，在入口区，齿廓面（38和 39)被设计为使得在三齿螺杆转子（3)中，齿廓面（39)在长度方向上延伸并高于其节圆 (7)，优选为摆线，这意味着根据轮齿系统，双齿螺杆转子（2)中的齿廓面（38)也必须在长 度方向上延伸并低于其节圆（6)。
7. 根据上述任一项权利要求所述的螺杆压缩机，其特征在于，螺杆转子（2和3)都设有 锥形内部转子流体冷却系统（8和9)并且利用其通过冷却剂流体（23)运行。
8. 根据上述任一项权利要求所述的螺杆压缩机，其特征在于，压缩机壳体（1)也设有 用于散热的流体冷却系统（12)，其利用用于螺杆转子（2和3)的内部转子流体冷却系统（8 和9)运行，优选地，通过冷却剂流体（23)形成共同的循环。
9. 根据上述任一项权利要求所述的螺杆压缩机，其特征在于，在所述转子的纵向轴线 方向上，所述转子的设计参数，如转子头部轮廓（34)的齿距角和每个螺杆转子（2和3)的 齿顶圆半径（30和31)，被设计成使得双齿螺杆转子（2)的转子平均温度相对于三齿螺杆转 子（3)的转子平均温度的偏离小于25%，更好的是小于10%。
10. 根据上述任一项权利要求所述的螺杆压缩机，其特征在于，周围的压缩机壳体（1) 的平均温度相对于螺杆转子的最高平均温度偏离小于25 %，更好的是小于10%，压缩机壳 体（1)的平均温度取决于压缩机壳体（1)的冷却剂接触表面的尺寸和冷却剂流动参数，特 别是与冷却剂质量流量和冷却剂的温度水平有关。
11. 根据上述任一项权利要求所述的螺杆压缩机，其特征在于，在各自的内部转子冷却 锥形钻孔（8和9)上，轮廓对称地设置细长的凹部（10和11)，使得这些凹部低于各自的螺 杆转子齿。
12. 根据上述任一项权利要求所述的螺杆压缩机，其特征在于，优选地，在双齿螺杆转 子的每个横截面上转子的齿顶圆圆心角（32)大于转子2中各自压缩机壳体的开度角（33)。
13. 根据上述任一项权利要求所述的螺杆压缩机，其特征在于，在双齿螺杆转子（2) 中，齿轮侧的转子安装部（13)的外直径大于双齿螺杆转子的同步齿轮（14)的外直径。
14. 根据上述任一项权利要求所述的螺杆压缩机，其特征在于，不同齿廓（36、37、38和 39)的制造工艺，特别是在所述转子的纵向轴线方向的不同，通过在车床上沿转子纵向轴线 方向旋转单个的点序列螺旋线相继完成，这些不同轮廓在结合后最终形成外部齿廓面。
15. 根据上述任一项权利要求所述的螺杆压缩机，其特征在于，每个螺杆转子（2和3) 通过连接部（17,优选地为17. a和17. b)刚性地安装在各自的托架轴（4和5)上，优选进行 压合，并且螺杆转子齿廓（36、37、38和39)的生产或加工只需随后实施。
16. 根据上述任一项权利要求所述的螺杆压缩机，其特征在于，螺杆转子对（2和3)由 具有高导热性的材料制成，优选为铝合金，并且所述压缩机壳体（1)也由铝合金制成。
17. 根据上述任一项权利要求所述的螺杆压缩机，其特征在于，优选地，两个螺杆转子 (2和3)的所有齿顶圆圆弧（36. K和37. K)都设有至少一个凹槽（35)。
18. 根据上述任一项权利要求所述的螺杆压缩机，其特征在于，优选地，在正压力应用 中，所述螺杆转子对的出口侧横截面上的冷却剂接触线（26和27)比输送介质侧的工作腔 室线（36. F和38和37. F和39)大5%至100%。
19. 根据上述任一项权利要求所述的螺杆压缩机，其特征在于，特别是三齿螺杆转子的 正压力的应用中，存在齿顶圆半径值（31)加快减小的中间区域（49)，其值大于三齿螺杆转 子的节圆半径（7)，优选地在入口（18)处具有圆柱形开端，并在螺杆转子泵螺杆L.ges (66) 的总长度的前半段沿出口腔室（19)的方向上连续单调减小。
20. 根据上述任一项权利要求所述的螺杆压缩机，其特征在于，实际的转子头部轮廓 (42. b)和（43. b)具有平坦且曲率恒定的外形。
21. 根据上述任一项权利要求所述的螺杆压缩机，其特征在于，设有调节装置R(56)和 附加的钻孔（54)和（60)，在"过压缩"的情况中，即当在出口处开口之前的工作腔室中的 压力大于出口腔室（19)中的压力时，过压缩输送气体流（55)被引入输送气体二次冷却器 (53)。
22. 根据上述任一项权利要求所述的螺杆压缩机，其特征在于，设有调节装置（58)和 附加的钻孔（59)和（61)，在"欠压缩"的情况中，即当在出口处开口之前的工作腔室中的压 力小于出口腔室（19)中的压力时，通过调节装置（58)和至少一个附加的钻孔（59)和（61) 引入欠压缩输送气体流（57)，优选地，所述欠压缩输送气体流已经由输送气体二次冷却器 冷却。
23. 根据上述任一项权利要求所述的螺杆压缩机，其特征在于，工作腔室钻孔￠0)和 (61)的直径0V.Pi小于各自横截面中螺杆转子头部的宽度Am. Ki。
【文档编号】F04C18/08GK104395609SQ201380033659
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2013年5月7日 优先权日:2012年5月8日
【发明者】拉尔夫·斯蒂芬斯 申请人:拉尔夫·斯蒂芬斯