Mehrstufiger Verdichter. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen mehrstufigen Verdichter mit min destens einer zwischen zwei Stufen einge schalteten Kühlvorrichtung und mit einem Laufrad in jeder Stufe, das annähernd die Form eines abgestumpften Kegels besitzt. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass die Kühl vorrichtung innerhalb eines Ringraumes an geordnet ist, der einerseits durch die an nähernd kegelstumpfförmig ausgebildete, die Laufradschaufeln einer Stufe umgebende Wandung und anderseits durch die Aussen wandung des Gehäuses begrenzt ist.
Bei mehrstufigen Verdichtern ist es er wünscht, das zu fördernde Medium zwecks Vermeidung von Temperatursteigerungen zwischen einzelnen Stufen zu kühlen, womit sieh auch die Verdichtungsarbeit herab setzen lässt. Bei bekannten Vorschlägen wird diese Zwischenkühlung in der Weise vorgenommen, dass eine Kühlvorrichtung mit einer der notwendigen Kühlleistung ange passten Kühlfläche an den Verdichter ange baut oder in einem gesonderten Gehäuse untergebracht wird. Solche Kühlvorrichtun gen sind mittels Leitungen für das zu fördernde Medium zwischen je zwei Stufen des Verdichters eingeschaltet.
Es ist auch vorgeschlagen worden, die Kühlvorrichtun gen unmittelbar in das Verdichtergehäuse einzubauen, wobei man z. B. bei Radialver dichtern die einzelnen Stufen des Laufrades in axialer Richtung weiter auseinander schiebt, um die Kühlvorrichtungen zwischen die Stufen einfügen zu können. Bei einem andern Vorschlag für Radialverdichter wird der Durchmesser des zylindrischen Gehäu ses vergrössert, wodurch die Länge der Um lenkkanäle zwischen den einzelnen Stufen zunimmt und Platz für die Anordnung von Kühlvorrichtungen entsteht.
Bei allen diesen Ausführungsformen wird der durch die Zwischenkühlung gewon nene Vorteil durch eine Zunahme an Grösse und Gewicht erkauft, so dass die Forderung nach einem kleinen und leichten Verdichter grösserer Leistung in den meisten Fällen nicht erfühlt werden kann. Besonders wider sinnig wäre es aber, wenn man einen klei nen Verdichterläufer für grosse Drehzahlen mit einem im Verhältnis zur Läufergrösse überdimensionierten Gehäuse umgeben würde, um darin eine Kühlvorrichtung unterbrin gen zu können.
Bei einem Verdichter nach der vorliegenden Erfindung, bei welchem das Laufrad jeder Stufe annähernd kegel- stumpfförmig ausgebildet ist, das also eine Form besitzt, wie sie ,sich für hohe und höchste Stufendruckverhältnisse eignet, ent steht zwischen einer die Laufrad-sehaufelung unmittelbar umgebenden Zwiseh-enwmnd und der Aussenwandung des Gehäuses ein Ring raum, in dem sich eine Kühlvorrichtung an ordnen lässt, ohne da;
ss hierdurch .die äussern Abmessungen des Gehäuses) wesentlich ver grössert werden müssen.
Vergleichsweise betragen die Abmessun gen - gleiche Leistung und :gleiches Druck- verhältnis vorausgesetzt - 3 m X 3 m X1 m für einen Kolbenkompressor, 1,8 m X 1,2 m X 1,2 m für einen langsamlaufenden Radial verdichter und nur 0,8 m X 0,8 m X 0,7 m für einen zweistufigen Verdichter gemäss der Erfindung. Derselbe eignet sich insbeson dere für die Presslufterzeugung in Werk stätten, Stahlwerken, Bergwerken sowie für die Treibgaserzeugung und zum Einbau in Gasturbinenanlagen, ferner für die Verdich tung von Gasen und Dämpfen in chemischen Prozessen.
Beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes sind auf der beilie genden Zeichnung dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 eine erste Ausführungsform in einem Axialschnitt, Fig. 2 eine zweite Ausführungsform in einem Axialschnitt und Fig. 3 eine Ansicht ihre Läufers bei abgedeckter Gehäusehälfte, teilweise nach der Linie I-I der Fig. 2 geschnitten.
Im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1. ist der Läufer 1 im Bereich der Schaufelun- gen so ausgebildet, dass zwei annähernd kegelstumpfförmige Laufradkörper 2 und 2' entstehen. Die Schaufeln 3 und 3' sind so geformt, dass sie in den von der Achse 4 weiter entfernt liegenden Zonen bezüglich senkrecht zur Laufradachse 4 gelegten Schnitten radial gerichtet sind. Durch diese Form lässt sich erreichen, dass bei den ge forderten hohen Umfangsgeschwindigkeiten von mindestens etwa 300 m/s, wie sie für hohe Stufendruckverhältnisse nötig werden, zu den bedeutenden Fliehkraftbeanspru chungen in den Schaufeln 3 und 3' keine zusätzlichen Biegespannungen hinzutreten.
Der Läufer ist beidseitig an den Stellen 5 gelagert und auf der einen Seite mit cler Antriebswelle 6 gekuppelt. Das Verdichter gehäuse setzt sich aus einem Enlaufteil 7, einem Umlenkteil 8 und der Austrittsspirxle 9 zusammen. Der Umlenkteil 8 wird durch eine die Laufradschaufe1ung 3' unmittelbar umgebende Zwischenwand 8' gegen das Laufrad abgegrenzt, wodurch ein Ringraum entsteht, in welchen die Kühlvorrichtung 10 eingebaut ist.
Letztere besteht beispielsweise aus einer Rohrschlange, der durch einen Ein lassstutzen 16 Kühlmittel zugeführt wird, welsches nach der Wärmeaufnahme vom ge förderten Stoff das Verdiehtergehäusedurch den Stutzen 17 wieder verlässt.
Ebenso wie das Verdichtergehäuse zum Einbau des Laufrades zweiteilig ausgeführt sein muss - in der Fig. 1 ist dies durch ver schiedene Sühraffur der untern und obern Schnittflächen kenntlich gemacht - ist auch die Rohrschlange zu teilen. Zu diesem Zweck könnten beispielsweise die halbkreisförmigen Hälften der Rohrwindungen an ihren Enden an Rohrböden befestigt und die so gebildeten Kühlerhälften für sioh in die Gehäusehälften eingefügt werden.
Es wäre auch denkbar, die Rohrschlange durch mehrere aus geraden Rohren gebildete Bündel zu ersetzen, wobei die Rohrbündel durch besondere Öffnungen in der Gehäusewand eingeführt werden könnten, welche durch gleichzeitig die Rohre zusammenfassende Deckel verschliessbar wären.
Das zu verdichtende Medium, z. B. atmo sphärische Luft, tritt in Richtung des Pfeils 11 in die Schaufelung 3 der ersten Stufe ein, wo er vorverdichtet und durch den Dif fusor 12 in den Umlenkteil 8 gefördert wird. Nach Durchströmen des Umlenkteils und der darin angeordneten Kühlvorriehtung 10 tritt .der vorverdichtete Stoff in Richtung des Pfeils.
1,3 in die S.chaufelung 3' der zweiten Stufe ein und verlässt sie über einen zweiten Diffusor 14 und ,die Austrittsspirale 9 durch den Stutzen 15, von welchem aus er den Ver brauchsstellen zugeführt werden kann.
Das Verdichtergehäuse hat durch die Anordnung der Kühlvorrichtung keine wesentliche Ver grösserung erfahren, denn sein grösster Durch messer ist durch den Umriss der Austritts spirale 9, seine axiale Länge durch den Ab stand der Laufradkörper 2 und 2' gegeben.
Bei der zvneistufigen Ausführungsform nach den Fg. 2 und 3 isst der Läufer 3'8 so ausgebildet, dass die Druckseiten beider Stu- fen gegeneinander gerichtet sind, wobei di@e Schaufelung <B>39</B> zur Niederdruck- und die Schaufelung 39' zur Hochdruekstufe gehört.
Der Verdichter wird mit einer Drehzahl be trieben, bei welcher der Laufradumfang im Bereieh der grössten Durchmesser mit Über- schallgesehwindigkeit umläuft. Bei solchen Umfangsgeschwindigkeiten werden die Schau feln zur Verminderung der Austrittsge schwindigkeit der Strömung mit Vorteil der art gegen den Drehsinn rückwärts gekrümmt, dass sie am Austritt aus dem Laufrad mit der Tangente 40 an den Umfang desselben einen Winkel a einschliessen, dessen Cosinus grösser als das Verhältnis der Geschwindig keit der Strömung beim Austritt aus den Schaufelungen 39 bzw.
39' zur doppelten Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades im Bereich der Austrittskante ist. Der Läufer 38 ist beidseitig bei 19 im Verdichtergehäuse 2M gelagert und auf der einen Seite mit einer Antriebswelle 20 gekuppelt. Der den Nieder- druelkteil des Läufers 38 umschliessende Teil des Gehäuses 21 ist so ausgeführt, dass der in Richtung der Pfeile 22 angesaugte Stoff durch die zwischen den Schaufeln 39 liegen den Kanäle 23 in den Diffusor 24 strömt und in Richtung des Pfeils 25 im äussern Gehäusehohlraum 26 nach innen weisend umgelenkt wird.
Zu diesem Zweck ist ausser der die Laufradschaufelung 39 unmittelbar umgebenden Zwischenwand 41 eine weitere Zwisehenwand 42 vorgesehen, welche zusam men mit der Wand 41 eine Art Trichter 27 für den Übertritt der Strömung in die ,durch die Wandungen der Diffusoren 24 entstehen den Kanäle 28 bilden. Durch die Kanäle 28 gelang t der Stoff in den ringförmigen Hohl raum 29 des Gehäuses 21, welcher gegen den Läufer durch die Zwischenwaud 43 abge grenzt ist.
Im Hohlraum 29 wird die Strö mung in Richtung der Pfeile 33 umgelenkt und dem Hochdruckteil des Verdichters zu- efiihrt. Der weiter verdichtete Stoff strömt zwischen den Schaufeln 3,9' hindurchinRich- tung des Pfeils 31 und durch den Diffusor 30 in die Spirale 32 und gelangt aus dieser über den Druckstutzen 34 zu den Verbrauchs stellen.
Die Kühlvorrichtung ist in zwei Teile aufgeteilt. Sie besteht hier beispielsweise aus einem Rohr 35, welches in konzentrischen Windungen in den ringförmigen Hohlräu men 26 und 29 angeordnet ist. Das Kühl mittel wird bei 36 in glas Rohr 35 eingeführt und tritt an der Stelle 37 wieder aus. Durch die in Fig. 2 gezeigte besondere Ausbildung des Gehäuses 21 wird der zu fördernde Stoff gezwungen, die beiden Teile der Kühlvor richtung in entgegengesetztem Sinne zu durchströmen. Hierdurch lässt sich erreichen, dass er diejenigen Rohrwindungen kurz vor Eintreten in die Hochdruckstufe durchströmt, welche das frische, also noch nicht erwärmte Kühlmittel enthalten.
Die Rohrwindungen müssen auch bei dieser Ausführungsform ge teilt werden, um den Einbau des Laufrades zu ermöglichen.
Die oben geschriebenen Verdichter können sinngemäss auch mit mehr als zwei Stufen ausgeführt werden, wobei beispielsweise zwei in Fig. 2 gezeigte V urdichter an ein zentrales Getriebe angeschlossen sein könnten, das von einer einzigen Antriebsmaschine angetrieben wird, so dass jedes der beiden Verdichter- a.ggregate mit der ihm .günstigsten Drehzahl betrieben werden kann.
Unter die Erfindung fallen ebenfalls Ausführungsformeln, bei wel chen ein mehrstufiger Schleuderverdichter über eine erfindungsgemäss in diesen einge baute Kühlvorrichtung mit einer weiteren Verdichtungsstufe, beispielsweise als Kolben- oder Drehkolbenverd'ichter ausgebildet, ver bunden ist.
Es wäre auch mögUch;drei oder mehr Stufen auf dem gleichen Läuferkörper vorzusehen, wobei die Kühlvorrichtungenent- spre.chen.d .den beschriebenen Ausführungsfor men in die jeweils vorhandenen Ringräume einzubauen wären.
Multi-stage compressor. The present invention relates to a multistage compressor with at least one cooling device switched between two stages and with an impeller in each stage which has approximately the shape of a truncated cone. It is characterized in that the cooling device is arranged within an annular space, which is limited on the one hand by the approximately frustoconical wall surrounding the impeller blades of a stage and on the other hand by the outer wall of the housing.
In the case of multi-stage compressors, he wishes to cool the medium to be conveyed in order to avoid temperature increases between individual stages, which also reduces the compression work. In known proposals, this intermediate cooling is carried out in such a way that a cooling device with a cooling surface adapted to the necessary cooling capacity is built on the compressor or is housed in a separate housing. Such cooling devices are switched on by means of lines for the medium to be conveyed between two stages of the compressor.
It has also been proposed to build the Kühlvorrichtun conditions directly into the compressor housing, where one z. B. at Radialver dense the individual stages of the impeller in the axial direction pushes further apart in order to insert the cooling devices between the stages can. In another proposal for centrifugal compressors, the diameter of the cylindrical Gehäu ses is enlarged, whereby the length of the order guide channels between the individual stages increases and space for the arrangement of cooling devices is created.
In all of these embodiments, the advantage gained through the intercooling is bought at the cost of an increase in size and weight, so that the requirement for a small and light compressor with greater capacity cannot be met in most cases. However, it would be particularly contradictory if you were to surround a small compressor rotor for high speeds with a housing that is oversized in relation to the rotor size in order to be able to accommodate a cooling device in it.
In a compressor according to the present invention, in which the impeller of each stage is approximately frustoconical, that is to say has a shape that is suitable for high and extremely high stage pressure conditions, there is a gap between the impeller blades immediately enwmnd and the outer wall of the housing an annular space in which a cooling device can be arranged without there;
This means that the external dimensions of the housing must be increased significantly.
In comparison, the dimensions - the same output and: assuming the same pressure ratio - are 3 m X 3 m X1 m for a piston compressor, 1.8 m X 1.2 m X 1.2 m for a low-speed radial compressor and only 0, 8 m X 0.8 m X 0.7 m for a two-stage compressor according to the invention. The same is particularly suitable for the generation of compressed air in workshops, steelworks, mines and for propellant gas generation and installation in gas turbine systems, as well as for the compaction of gases and vapors in chemical processes.
For example, embodiments of the subject matter of the invention are shown on the accompanying drawing, namely Fig. 1 shows a first embodiment in an axial section, Fig. 2 shows a second embodiment in an axial section and Fig. 3 is a view of its rotor with the housing half covered, partly along the line II of FIG. 2 cut.
In the exemplary embodiment according to FIG. 1, the rotor 1 is designed in the area of the blades in such a way that two approximately frustoconical impeller bodies 2 and 2 'are created. The blades 3 and 3 ′ are shaped in such a way that they are directed radially in the zones located further away from the axis 4 with respect to the sections perpendicular to the impeller axis 4. This shape ensures that at the required high circumferential speeds of at least about 300 m / s, as required for high stage pressure ratios, no additional bending stresses occur in addition to the significant centrifugal forces in the blades 3 and 3 '.
The rotor is mounted on both sides at the points 5 and is coupled to the drive shaft 6 on one side. The compressor housing is composed of an inlet part 7, a deflecting part 8 and the outlet spiral 9. The deflection part 8 is delimited from the impeller by an intermediate wall 8 'immediately surrounding the impeller blade 3', whereby an annular space is created in which the cooling device 10 is installed.
The latter consists, for example, of a pipe coil that is supplied with coolant through an inlet nozzle 16, which after heat absorption from the conveyed substance leaves the condenser housing again through the nozzle 17.
Just as the compressor housing for installing the impeller must be made in two parts - in Fig. 1 this is indicated by ver different Sühraffur the lower and upper cut surfaces - the coil is to be divided. For this purpose, for example, the semicircular halves of the tube windings could be attached at their ends to tube sheets and the cooler halves thus formed could be inserted into the housing halves for themselves.
It would also be conceivable to replace the coil of tubes with several bundles formed from straight tubes, the tube bundles being able to be introduced through special openings in the housing wall, which can be closed by covers that simultaneously combine the tubes.
The medium to be compressed, e.g. B. atmospheric air, occurs in the direction of arrow 11 in the blades 3 of the first stage, where it is pre-compressed and promoted through the diffuser 12 in the deflector 8. After flowing through the deflection part and the cooling device 10 arranged therein, the pre-compressed material occurs in the direction of the arrow.
1.3 into the S. scoop 3 'of the second stage and leaves it via a second diffuser 14 and, the outlet spiral 9 through the nozzle 15, from which it can be fed to the consumption points.
The compressor housing has not experienced any significant enlargement by the arrangement of the cooling device, because its largest diameter is given by the outline of the outlet spiral 9, its axial length by the distance from the impeller body 2 and 2 '.
In the two-stage embodiment according to FIGS. 2 and 3, the rotor 3'8 is designed in such a way that the pressure sides of both stages are directed towards one another, with the blades 39 for the low-pressure and the blades 39 'belongs to the high pressure level.
The compressor is operated at a speed at which the impeller circumference revolves around the largest diameter at supersonic speed. At such circumferential speeds, the blades to reduce the Austrittsge speed of the flow with advantage of the kind against the direction of rotation curved backwards that they include at the exit from the impeller with the tangent 40 on the circumference of the same an angle a whose cosine is greater than the ratio the speed of the flow when exiting the blades 39 or
39 'to double the circumferential speed of the impeller in the area of the trailing edge. The rotor 38 is mounted on both sides at 19 in the compressor housing 2M and is coupled to a drive shaft 20 on one side. The part of the housing 21 surrounding the low pressure part of the rotor 38 is designed so that the substance sucked in in the direction of the arrows 22 flows through the channels 23 between the blades 39 into the diffuser 24 and in the direction of the arrow 25 in the outer housing cavity 26 is deflected pointing inwards.
For this purpose, in addition to the intermediate wall 41 immediately surrounding the impeller blades 39, a further intermediate wall 42 is provided which, together with the wall 41, forms a kind of funnel 27 for the passage of the flow into the channels 28 formed through the walls of the diffusers 24. Through the channels 28 t the substance in the annular hollow space 29 of the housing 21, which is bordered abge against the runner by the Zwischenwaud 43.
In the cavity 29, the flow is deflected in the direction of the arrows 33 and fed to the high-pressure part of the compressor. The further compressed material flows between the blades 3, 9 'in the direction of the arrow 31 and through the diffuser 30 into the spiral 32 and arrives there via the pressure connection 34 to the consumption point.
The cooling device is divided into two parts. It consists here, for example, of a tube 35 which is arranged in concentric turns in the annular Hohlräu men 26 and 29. The coolant is introduced into glass tube 35 at 36 and exits again at 37. The special design of the housing 21 shown in Fig. 2, the substance to be conveyed is forced to flow through the two parts of the Kühlvor direction in opposite directions. As a result, it can be achieved that it flows through those pipe windings shortly before entering the high pressure stage which contain the fresh, that is to say not yet heated, coolant.
The pipe windings must also be divided in this embodiment to enable the installation of the impeller.
The compressors described above can analogously also be designed with more than two stages, whereby, for example, two compressors shown in FIG. 2 could be connected to a central transmission which is driven by a single drive machine, so that each of the two compressors a. units can be operated at the most favorable speed for it.
The invention also includes embodiments in which a multistage centrifugal compressor is connected to a further compression stage, for example designed as a piston or rotary piston compressor, via a cooling device built into it according to the invention.
It would also be possible to provide three or more stages on the same rotor body, whereby the cooling devices according to the embodiments described would have to be built into the respective annular spaces.