CH641877A5

CH641877A5 - Verfahren zur mehrstufigen verdichtung von gasen und mehrstufiger kompressor zur durchfuehrung des verfahrens.

Info

Publication number: CH641877A5
Application number: CH991979A
Authority: CH
Inventors: Karl-Heinz Konka; Arno Heinz; Helmut Dr Kammerer; Wolfgang Dr Twardziok
Original assignee: Gutehoffnungshuette Sterkrade
Priority date: 1978-11-06
Filing date: 1979-11-05
Publication date: 1984-03-15
Also published as: IT1127606B; BE879646A; IT7926995A0; DE2848030A1; GB2034818A; FR2440480A1; NL7908064A; AR219419A1; JPS5566679A; BR7907131A; AU5139579A

Description

Aufgabe der Erfindung ist es, folgende Forderungen zu Die erste Verdichterstufe 4 ist immer ein Turbokompres-

erfüllen: sor und die letzte Verdichterstufe 8 immer ein Schraubenkom-

1. grosser Regelbereich, 35 pressor oder ein anderer Verdrängungsverdichter. Die mittle-

2. steile Kennlinie, ren Stufen 7 können je nach Anwendungsfall weggelassen

3. guter Wirkungsgrad bei Voll- und Teillast, werden oder aber Turbo- oder Verdrängungsverdichter sein.

4. keine plötzlich einsetzenden Betriebsgrenzen, In Figur 1 ist ein Schema für eine Anordnung mit drei

5. kleiner Aufwand, Verdichterstufen in der Reihenfolge Turbo-, Schrauben-,

6. optimale Anpassung der Verdichterstufen an die jewei- 40 Schraubenverdichter dargestellt. Das Verzweigungsgetriebe ligen Volumen-, Druck- und Temperaturbedingungen. ist im Ausführungsbeispiel so aufgebaut, dass über ein Zen-

Die Erfindung erfüllt diese Forderungen mit Hilfe eines tralrad 2 und Ritzel 3 die einzelnen Verdichterstufen, 4,7,8

Verfahrens zur mehrstufigen Verdichtung von Gasen in der mit optimaler Drehzahl angetrieben werden.

Weise, dass der gesamte Verdichtungsvorgang derart auf Eine beispiel- und vorteilhafte Anordnung des Verdich-

mehrere Stufen aufgeteilt ist, dass die einzelnen Verdichter im 45 ters ist in Figur 2 skizziert. Die Verdichterstufen 4,7 und 8

Bestpunkt betrieben werden und dabei die geringste Lei- sind an das Getriebegehäuse 11 angeflanscht. Je nach Zweck-

stungsaufnahme erzielen, dass bei Teillast nur die erste und mässigkeit können alle Verdichterstufen auf der dem Motor 1

die letzte Verdichterstufe unter gegenüber der Nennlast geän- abgewandten Seite oder aber sowohl auf dieser als auch auf derten Bedingungen betrieben werden, während die Druck- der anderen Seite des Getriebes montiert werden, an der der

Verhältnisse, die Volumenströme und somit der optimale Be- so Motor über eine Kupplung 10 mit dem Getriebe verbunden trieb bei den mittleren Stufen gleichbleibend und dass bei La- ist. In der Zuleitung vor der ersten Verdichterstufe 4 befindet ständerung die Mengenanpassung in der ersten Verdichter- sich zur Mengen-und Leistungsregelung ein Drosselorgan 5. stufe und in der letzten Stufe die Druckanpassung an den Ver- Dieses Drosselorgan kann z.B. eine Dralldrossel oder eine braucher stattfinden. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass für einfache Drosselklappe sein.

die ersten Verdichterstufen Strömungsverdichter, insbeson- 55 Das Gas tritt über kombinierte Schalldämpfer und Filter dere Turboverdichter radialer Bauart und in der letzten Stufe 12 in den Verdichter ein. Die gesamte Verdichteranlage ist auf ein Verdrängungsverdichter, beispielsweise ein Schraubenver- einem gemeinsamen Grundrahmen 13 aufgebaut. In diesem dichter verwendet werden, die alle zur jeweils optimalen Be- Grundrahmen kann der Ölbehälter 14 integriert sein. Ausser-

triebsweise über ein Verzweigungsgetriebe mit mehreren Aus- dem sind alle Kühler 6 und sonstigen Hilfsaggregate, die im gängen angetrieben und strömungsmässig hintereinander ge- 60 einzelnen nicht dargestellt sind, die Rohrleitungen, Steuerele-

schaltet rohrleitungsmässig verbunden sind. mente, Ölpumpen mit auf dem Grundrahmen angeordnet.

Erfindungsgemäss ist ein mehrstufiger Kompressor zur Die Anlage kann mit einer Schallhaube versehen werden. Durchführung dieses Verfahrens dadurch gekennzeichnet, Figur 3 gibt als Beispiel das Verhalten einer entsprechend dass Strömungsverdichter und Verdrängungsverdichter, strö- Figur 1 aufgebauten Anlage wieder. Für andere erfindungsge-mungsmässig hintereinander geschaltet und durch Rohrlei- 65 mässe Aufteilungen ergibt sich ein analoges Verhalten. Auftungen verbunden sind und über ein Verzweigungsgetriebe getragen ist auf der Ordinate im logarithmischen Massstab mit mindestens zwei Antriebswellen jede Verdichterstufe mit der Druck hinter der Anlage in bar. Gleiche Ordinatendiffe-der für sie optimalen Drehzahl angetrieben sind. renzen bedeuten gleiche Druckverhältnisse. Auf der Abszisse

641877

ist der auf dem Nennmassenstrom mo bezogene Ansaugmassenstrom in % dargestellt. Die eingezeichneten Kurven zeigen die Drücke vor und hinter den einzelnen Verdichterstufen in Abhängigkeit vom Teillast-Massenstrom-Verhältnis in •m/m0.

Es bedeuten in Figur 3:

P0 der Druck vor den Drosselorganen 5,

P) der Druck vor der ersten Verdichterstufe 4, und hinter dem Drosselorgan 5,

P2 der Druck hinter der ersten Verdichterstufe 4 und vor der zweiten Verdichterstufe 7,

P3 der Druck hinter der zweiten Verdichterstufe 7 und vor der dritten Verdichterstufe 8 und

P4 der Druck hinter der dritten Verdichterstufe 8, der von dem Verbraucher verlangt wird.

Der Pfeil d kennzeichnet, dass der Enddruck P4 in Abhängigkeit vom Verbraucher schwanken kann. Die Strecke e gibt den Druckabfall an dem Drosselorgan 5 von P0 auf P] an; dieser Druckabfall wird bei Teillasten grösser. Die Strecken a und b kennzeichnen die Druckerhöhung in der ersten Verdichterstufe 4 bzw. der zweiten Verdichterstufe 7.

Das Druckverhältnis P3P2 mit dem von dieser Stufe das Gas verdichtet wird, bleibt in jedem Betriebspunkt konstant. Die Strecke c hingegen gibt das Druckverhältnis wieder, mit dem die letzte Stufe beaufschlagt wird. Dieses wird bei Teillast grösser.

Die Regelung auf Teillast kann einmal durch eine Drosselung des Ansaugstromes erfolgen. Hierbei wird durch Drucksenkung bei gleichem Volumenstrom der Massenstrom kleiner. Ein zweiter Weg besteht darin, den Ansaugstrom zum Turboverdichter mit einem Drall zu versehen, wodurch sowohl der durchgesetzte Massenstrom als auch das Druckverhältnis des Turboverdichters verringert wird. Im ersten Fall ist das Drosselorgan 5 eine Drosselklappe, während im zweiten Fall eine Dralldrosselung erforderlich ist. Bei Regelung mit einer Dralldrossel wird der Teillastwirkungsgrad besser s als bei der einfachen Drosselung, da für die Verdichtung im Turbo-Kompressor weniger Leistung aufzubringen ist.

Der von den mittleren Stufen zu verarbeitende Volumenstrom bleibt bei Teillast konstant. Da auch das Druckverhältnis in den mittleren Verdichterstufen konstant bleibt, ändert io sich bei der Regelung der Betriebspunkt dieser Stufen nicht. Sie arbeiten auch bei Teillast mit maximalen Wirkungsgraden, optimalen Durchsätzen und Geschwindigkeiten.

Die letzte Stufe arbeitet mit unterschiedlichen Druckverhältnissen. Das Ansaugvolumen bleibt ebenfalls gleich und 15 erzeugt den Druck, der vom Verbraucher gefordert wird. Für solche Betriebsweisen ist ein Verdichter mit steiler Kennlinie erforderlich, weshalb als letzte Stufe immer ein Verdrängungsverdichter eingesetzt wird.

Damit die Anpassung an den Verbraucher auch bei klei-20 nen Teillasten möglich ist, wird das Druckverhältnis dieses Verdichters im Nennpunkt nur klein ausgelegt, etwa bei Trockenläufern zwischen 1 und 2,5. Druckschwankungen, die durch den Verbraucher bedingt sind, beeinflussen nicht den Betrieb der vorderen Stufen. Wegen der grossen Volumen-2s ströme am Eintritt in die Verdichteranlage - der Druck ist hier noch gering-werden als erste Stufen zweckmässigerweise Turboverdichter eingesetzt, da sie für diese Betriebsbedingungen von allen Verdichterbauarten am besten geeignet sind. Wegen der erfindungsgemässen Anordnung arbeiten sie 30 für alle Lastbedingungen optimal. Die Gefahr, dass die Pumpgrenze, die Instabilitätsgrenze oder die Schluckgrenze erreicht werden, besteht nicht.

C

2 Blatt Zeichnungen

Claims

641877 2

PATENTANSPRÜCHE allgemeinen aus Verdichterstufen gleicher Gattung, also Tur-

1. Verfahren zur mehrstufigen Verdichtung von Gasen, bo-, Schrauben-oder Kolbenverdichtern aufgebaut, insbesondere ölfreier Luft, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrstufige Turboverdichter haben sich aufgrund ihres gesamte Verdichtungsvorgang derart auf mehrere Stufen auf- hohen Schluckvermögens im Bereich grosser Volumenströme geteilt ist, dass die einzelnen Verdichter im Bestpunkt betrie- 5 durchgesetzt.

ben werden und dabei die geringste Leistungsaufnahme erzie- Mehrstufige Kolbenverdichter werden insbesondere im len, dass bei Teillast nur die erste und die letzte Verdichter- Bereich kleinerer Volumenströme für höhere Enddrücke einstufe unter gegenüber der Nennlast geänderten Bedingungen gesetzt.

betrieben werden, während die Druckverhältnisse, die Volu- Mehrstufige Schraubenverdichter haben im mittleren Vo-

menströme und somit der optimale Betrieb bei den mittleren io lumen- und Druckbereich ihren Platz gefunden.

Stufen gleichbleiben, und dass bei Laständerung die Mengen- Die Verwendung der verschiedenen Verdichterbauarten in anpassung in der ersten Verdichterstufe und in der letzten den unterschiedlichen Volumen- und Druckbereichen wird

Stufe die Druckanpassung an den Verbraucher stattfindet. nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten entschieden. Tech-
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, nisch ist es zwar möglich, Verdichter einer bestimmten Bauart dass für die ersten Verdichterstufen Strömungsverdichter, ins-15 auch für einen anderen als den für den bestgeeigneten Druckbesondere Turboverdichter radialer Bauart und in der letzten und Volumenbereich zu bauen, eine solche Lösung erfordert Stufe ein Verdrängungsverdichter, beispielsweise ein Schrau- aber immer erhöhten Aufwand und ist daher nur in Spezialbenverdichter, verwendet werden, die alle zur jeweils optima- fällen gerechtfertigt.

len Betriebsweise über ein Verzweigungsgetriebe mit mehre- Die Kolbenverdichterbauart ist in dem Bereich kleinerer ren Ausgängen angetrieben und strömungsmässig hinterein- 20 Volumenströme oder sehr hoher Drücke gut geeignet.

ander geschaltet rohrleitungsmässig verbunden sind. Grosse Volumenströme und nicht allzu hohe Drücke wer-
3. Mehrstufiger Kompressor zur Durchführung des Ver- den üblicherweise mit Turboverdichtern erzeugt. Bei den Turfahrens nach Anspruch 1 zur Verdichtung von Gasen, insbe- boverdichtern unterscheidet man Verdichter radialer und sondere ölfreier Luft, dadurch gekennzeichnet, dass Strö- axialer Bauart. Die radiale Bauart wird mehr für die höheren mungsverdichter (4) und Verdrängungsverdichter (7,8) strö- 25 Drücke und die axiale Bauart mehr für die grossen Volumen-mungsmässig hintereinander geschaltet und durch Rohrlei- ströme im Anwendungsbereich der Turboverdichter ein-tungen verbunden sind, und über ein Verzweigungsgetriebe gesetzt.

(2,3) mit mindestens zwei Abtriebswellen jede Verdichter- Die Vorteile der Turboverdichter sind ein relativ kleiner stufe mit der für sie optimalen Drehzahl angetrieben wird. Bauaufwand für grosse Volumenströme. Turboverdichter
4. Kompressor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich- 30 können in Abhängigkeit vom Druck unterschiedliche Volu-net, dass die Anzahl der Verdichterstufen max. 4 beträgt, die menströme verarbeiten. Sie haben eine sogenannte «flache erste Stufe immer ein Turboverdichter (4), die letzte Stufe ein Kennlinie», ihr Arbeitsbereich wird zu kleinen Volumenströ-Verdrängungsverdichter (8) ist und dass die dazwischenlie- . men hin durch die «Pumpgrenze» oder «Instabilitätsgrenze» genden Stufen Turbo- oder Verdrängungsverdichter sind. und zu grossen Volumenströmen hin durch die «Schluck-
5. Kompressor nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch ge- 35 grenze» begrenzt. Für eine wirkungsvolle Druckerzeugung in kennzeichnet, dass die letzte Verdichterstufe (8) ein Druckver- Turboverdichtern sind hohe Strömungsgeschwindigkeiten er-hältnis von 1 bis 2,5 erzeugt. forderlich, die nur bei grösseren Volumenströmen oder hohen
6. Kompressor nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch ge- Drehzahlen verwirklicht werden können. Für kleine Volu-kennzeichnet, dass die Verdichterstufen (4,7,8) fliegend an menströme müssen die Strömungsquerschnitte für die hohen dem Getriebe (2,3) angeflanscht sind. 40 Geschwindigkeiten sehr klein werden und die Reibungsverlu-
7. Kompressor nach den Ansprüchen 3 bis 6, dadurch ge- ste an den Oberflächen werden gross. Der Wirkungsgrad der kennzeichnet, dass zwischen den Verdichterstufen (4,7,8) Turboverdichter wird für kleinere Volumenströme daher mindestens ein Kühler (6) angeordnet ist. . schlechter. Hohe Drehzahlen erfordern bei den üblichen An-
8. Kompressor nach einem der Ansprüche 3 bis 7, da- triebsmotoren aufwendige Getriebe. Die Wirkungsgrade im durch gekennzeichnet, dass für die Regelung ein Drosselor- 45 Nennpunkt sind bei Turboverdichtern mit guter Regelbargan (5) in der Ansaugleitung vorgesehen ist. keit, d.h. breitem Kennfeld nicht so hoch wie bei Verdichtern,
9. Kompressor nach den Ansprüchen 3 und 8, dadurch ge- die speziell für einen Betriebspunkt optimiert wurden, kennzeichnet, dass das Drosselorgan (5) eine Dralldrossel ist. Die Schraubenverdichterbauart hat ihr Anwendungsge-
10. Kompressor nach den Ansprüchen 3 bis 9, dadurch biet im Bereich mittlerer Volumenströme und Drücke zwi-gekennzeichnet, dass alle Anlagenteile auf einen gemeinsa- so sehen Kolbenverdichtern und Turboverdichtern. Da Schraubten Grundrahmen (13) montiert sind. benverdichter keine hin- und hergehenden Massen wie Kolbenverdichter haben, können sie mit höheren Drehzahlen als diese betrieben werden. Der Schraubenverdichter hat eine nahezu senkrechte Kennlinie, d.h. der Enddruck ist nahezu unGegenstand der Erfindung sind ein Verfahren zur mehr- 55 abhängig vom Volumenstrom. Eine Maschine mit einer senkstufigen Verdichtung von Gasen, insbesondere ölfreier Luft, rechten Kennlinie kann bei fester Antriebszahl nur schlecht und ein mehrstufiger Kompressor zur Durchführung des Ver- geregelt werden; eine Drosselung des angesaugten Mediums fahrens. Dafür kommen Volumenströme im Bereich von erlaubt nur etwas geringere Leistungsaufnahmen bei Teillast. 5 000 bis etwa 50 000 m3/h und Druckverhältnisse grösser als Gewünscht ist für viele Fälle ein Kompressor mit grossem 5 in Betracht. In erster Linie bezieht sich die Erfindung zwar 60 Regelbereich und «steiler Kennlinie», damit der Druck bei auf die ölfreie Verdichtung von Luft und Gasen, es können Teillasten nicht absinkt und ausserdem soll sowohl der Wir-aber auch anstelle der ölfrei verdichtenden Kompressoren kungsgrad bei Nennlast als auch der Teillastwirkungsgrad Verdichter mit Öl- oder Flüssigkeitseinspritzung verwendet gut sein. Der Arbeitsbereich darf nicht durch plötzlich auftre-werden. Als Antriebsmotor kommen vor allen Dingen der tende Instabilitäten (wie z.B. Pumpgrenze) eingeschränkt Elektromotor in Betracht, an seine Stelle kann aber auch eine 65 werden. Der Aufwand hierfür soll so gering wie möglich sein. Turbine, ein Verbrennungsmotor oder ein Antriebsmotor an- Diese Forderungen zu erfüllen, ist mit einstufigen Ver-derer Bauart treten. dichtem und auch mit den bisher bekannten mehrstufigen

Mehrstufige Kompressoren sind bekannt. Sie werden im Verdichtern nicht realisierbar.

3 641877

Kompressible Medien ändern ihr Volumen stark bei Vorzugsweise beträgt die Anzahl der Verdichterstufen Drucksteigerung. Der Volumenstrom ändert sich entspre- max. 4. Die erste Stufe ist dann immer ein Turboverdichter, chend der Druckerhöhung während des Verdichterprozesses. während die letzte Stufe ein Verdrängungsverdichter ist. Die Die Energieaufnahme des Arbeitsmittels für die Verdichtung dazwischenliegenden Stufen sind Turbo- oder Verdrängungsist temperaturabhängig. Für kleine Energiezufuhren, d.h. 5 Verdichter.

gute Wirkungsgrade muss das Medium gekühlt werden. Ein Dabei erzeugt die letzte Verdichterstufe bei Verdichtung optimales Verdichtungs verfahren erfordert daher jeweils an ohne Einspritzkühlung im Nennbetrieb ein Druckverhältnis die unterschiedlichen Volumenströme angepasste Grössen von 1 bis 2,5.

der Verdichterstufen und Zwischenkühlung. Die Verdichterstufen sind vorzugsweise fliegend an einem

Bei mehrstufigen Schraubenverdichtern, die die obigen i0 Getriebe angeflanscht und zwischen den Verdichterstufen ist

F orderungen erfüllen, wäre der Bauaufwand sehr gross, be- mindestens ein Kühler angeordnet.

sonders für die ersten Stufen mit grossen Volumenströmen. Für die Regelung der Verdichter ist vorzugsweise ein

Mehrstufige Turboverdichter haben bei steiler Kennlinie Drosselorgan in der Ausgangsleitung vorgesehen. Dieses nur einen kleineren Arbeitsbereich. Zwischenkühlung ist nur Drosselorgan ist vorzugsweise eine Dralldrossel.

schwer möglich oder sehr aufwendig, ebenso der Betrieb der 15 Schliesslich kann vorgesehen sein, dass alle Anlageteile einzelnen Stufen bei jeweils optimalen Drehzahlen. Im Ver- des Kompressors auf einem gemeinsamen Grundrahmen gleich zu den Verdrängungsverdichtern ist die Druckerhö- montiert sind.

hung in einer Stufe bei Turboverdichtern kleiner. Es sind des- Das erfindungsgemässe Verfahren, die Anordnung und halb relativ viele Stufen nötig. Ein Verzweigungsgetriebe hier- der Aufbau der Verdichteranlage ergeben einen optimalen für zur Anpassung der jeweils optimalen Drehzahlen für die 20 Betrieb im Teillastbereich und Wirkungsgrade, die für derart einzelnen Stufen ist sehr aufwendig und würde grosse Lei- breite Kennfelder bisher unbekannt waren. Da das Kennfeld stungen verbrauchen. Instabilitätsgrenzen sind nicht zu ver- auch nicht durch plötzlich einsetzende Betriebsgrenzen einge-

meiden. schränkt wird, ist ausserdem ein äusserst sicherer Betrieb der

Auch eine kombinierte Anordnung von Turboverdichtern Verdichteranlage möglich.

und Schraubenverdichtern derart, wie sie in der US-PS 25 Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der

36 40 646 oder der FR-PS 13 97 614 vorgeschlagen werden, Zeichnung nachstehend näher erläutert. Es zeigen können die Forderungen nicht erfüllen. Da Turboverdichter Figur 1: den schematischen Aufbau eines mehrstufigen und Schraubenverdichter auf einer Welle mit gleicher Dreh- Verdichters in der Perspektive,

zahl laufen, ist ein optimaler Betrieb bei guten Wirkungsgra- Figur 2: einen schematischen Längsschnitt der Verdichterden für den diese Erfindung betreffenden Volumen- und 30 anläge und

Druckbereich ebenso wie bei den mehrstufigen Verdichtern Figur 3: ein Kennlinienbild zum erfindungsgemässen Vergleicher Gattung nicht möglich. fahren und der entsprechenden Verdichteranlage.