Vibrationsdiagnose und Arbeitsprinzip von Schraubenkompressoren

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I. Arbeitsprinzip des Schraubenkompressors
Die männlichen und weiblichen Rotoren des Kompressors sind horizontal und parallel im Zylinderkörper angeordnet. An der Auslassseite der männlichen und weiblichen Schraubenrotoren befinden sich Auflager, die den axialen Druck aufnehmen, der durch den Druckunterschied zwischen Einlass- und Auslassseite entsteht. Zwischen den Lagern sowie den Schraubenrotoren gibt es Dichtungen, um zu verhindern, dass das Schmieröl der Lager in den Zylinder gelangt oder dass das Gas aus dem Zylinder austritt. An der Außenseite der Saugseite der männlichen und weiblichen Schraubenrotoren sind Synchrongänge angebracht. Ihr Übersetzungsverhältnis entspricht dem des Schraubenrotors. Durch die Stützung durch Lager sowie die Anpassung der Dicke der Synchrongangteile wird gewährleistet, dass zwischen den männlichen und weiblichen Rotoren, zwischen der Außenfläche der Rotoren und der Zylinderwand sowie zwischen den Endflächen der Rotoren und den Endflächen der Zylinder ein äußerst kleiner Abstand besteht. Um Leckagen von Gas zwischen den beiden Rotoren sowie zwischen den Rotoren und dem Gehäuse zu verringern, sprüht der Schwingungsanalysegerät während des Betriebs des Kompressors eine bestimmte Menge an Schmieröl in die Arbeitskammer. Dadurch wird die Dichtigkeit erhöht, gleichzeitig werden die Zahnflächen geschmiert, wodurch die Abgastemperatur sowie der Lärm reduziert werden. Der Schraubenkompressor ist ein Volumenkompressor, dessen Arbeitsprinzip im Grunde dem des Stoßkolbenkompressors entspricht. In der Praxis greifen im Inneren des Schraubenkompressors ein Paar weiblicher und männlicher Rotorblätter ineinander und drehen sich dabei mit einem bestimmten Übersetzungsfaktor. Durch diese Drehbewegung ändert sich das Volumen des Geräts periodisch, wodurch das Medium eingesaugt, komprimiert und ausgestoßen werden kann. Die Richtung des Gasflusses im Inneren des Schraubenkompressors wird in Abbildung 1 dargestellt. Die Einlass- und Auslassöffnungen liegen fast diagonal zueinander, doch in Wirklichkeit erfolgt der Gaszufuhr und -abfluss von oben nach unten. Das Druckverhältnis des Schraubenkompressors hängt von der Länge und Form der Schraube sowie von der Form der Auslassöffnung ab. II. Analyse der Vibrationen von Schraubenkompressoren
Auf dem Produktionsgelände eines Unternehmens sind insgesamt 3 Schraubenkompressoren zur Rückgewinnung von Gasen in Betrieb. Ursprünglich war vorgesehen, dass alle 3 Kompressoren gleichzeitig arbeiten, um das Gas aus den zwei Gasbehältern auf dem Gelände zurückzugewinnen. Unter den aktuellen Produktionsbedingungen bleibt die Menge des zurückgewonnenen Gases jedoch bei der Verwendung von 2 Kompressoren für einen Gasbehälter im Gleichgewicht. Wenn alle 3 Kompressoren gleichzeitig eingeschaltet werden, führen die begrenzten Kapazitäten der nachgeschalteten Verarbeitungsanlagen dazu, dass ein Druckalarm im Abgasnetz ausgelöst wird. Daher können die 3 Kompressoren nicht über einen längeren Zeitraum gleichzeitig betrieben werden. Infolgedessen muss einer der Kompressoren häufig an- und ausgeschaltet werden. Wenn alle 3 Kompressoren gleichzeitig arbeiten, überschreiten die Vibrationen der Anlage die zulässigen Werte – die maximale Schwingungsgeschwindigkeit beträgt 11,8 mm/s. Die Richtung der Schwingungen liegt in horizontaler Richtung am Lager am Eingang des Kompressors. Da die Bewegung des Rotors sowie der Übergabeprozess im Schraubenkompressor im Grunde genommen dem Prozess in Getriebesystemen ähneln, kann bei der Diagnose der Ursachen für Vibrationen im Schraubenkompressor dieselbe Diagnosemethode wie bei Getriebevibrationen angewandt werden. Während des Betriebs des Schraubenkompressors beträgt die Übersetzungsfrequenz zwischen dem männlichen und weiblichen Rotor etwa 198 Hz. Je höher die Frequenzkomponenten der Bewegung der männlichen und weiblichen Rotoren sind, desto wahrscheinlicher ist es, dass die Zahnverbindungen zwischen den Rotoren nicht richtig funktionieren und dadurch Vibrationen entstehen. Der Hauptgrund für die zu hohen Schwingungsfrequenzkomponenten bei Vibrationsspektrometern liegt in den Aspekten wie der Konstruktion, Fertigung und Montage des Produkts. Angesichts der Tatsache, dass die Vibrationen des Schraubenkompressors bei gleichzeitiger Betriebsweise von zwei Anlagen im Produktionsbereich im zulässigen Bereich liegen, tritt eine deutlichere Vibration nur dann auf, wenn drei Anlagen gleichzeitig in Betrieb sind. Es wird daher vermutet, dass die Ursache für die starken Vibrationen darin liegt, dass die tatsächlichen Betriebsbedingungen bei gleichzeitiger Nutzung der drei Anlagen nicht mit den Designvorgaben übereinstimmen. Dadurch entstehen Schwankungen im Eingangsdruck des Kompressors, was wiederum zu Veränderungen im Gasfluss am Eingang des Kompressors führt und letztendlich zu Vibrationen des Kompressors.