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Die
Erfindung betrifft einen mehrstufigen Radial-Turboverdichter mit
mindestens drei Verdichterstufen, wobei jede Verdichterstufe einen
Gehäuseabschnitt
aufweist, der den Gaseintrittsbereich bildet und einen Gehäuseabschnitt
aufweist, der den Gasaustrittsbereich bildet. Die Laufräder der
Verdichterstufen bilden mit einzelnen Wellenabschnitten einen Rotor,
der durch Radiallager und Axiallager geführt wird.
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Bei
Radial-Turboverdichtern strömt
das Gas axial in das Laufrad der Verdichterstufe. Es wird im Laufradeintritt
erfasst und von der Beschaufelung radial umgelenkt und beschleunigt.
Am Laufradumfang verlässt
das Gas mit großer
Geschwindigkeit die Laufradzwischenräume und strömt in den sich erweiternden,
radialen Diffusor. Hier wird seine Geschwindigkeit stark abgebremst.
Die kinetische Energie wird in Druckenergie umgewandelt. Schließlich wird
das derartig verdichtete und erhitzte Gas in einem spiralförmigen Sammelgehäuse zu einem
Stufenaustrittsstutzen geleitet.
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Durch
Anordnung mehrerer Laufräder
hintereinander auf einer Antriebswelle können hohe Drücke erzeugt
werden. Die Laufräder
werden mit gleicher Drehzahl betrieben. Sie bilden gemeinsam mit den
Wellenabschnitten einen Rotor mit gemeinsamer Lagerung und Antrieb.
Die Radiallager solcher einwelligen Radial-Turboverdichter sind
meist an den Wellenenden angeordnet. Auch das Axiallager wird an
einem Wellenende positioniert, so dass der Rotor nur in einer Längsrichtung
ausweichen kann.
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Das
Gehäuse
derartiger Turboverdichter ist entweder horizontal geteilt oder
weist einen einteiligen äußeren Gehäusemantel
auf. Bei einer horizontal geteilten Ausführung wird der Rotor von einem Gehäuseunterteil
und einem Gehäuseoberteil
eingeschlossen. Um den Rotor zugänglich
zu machen, muss das gesamte Gehäuseoberteil
abgenommen werden. Die oberen und unteren Gehäusehälften sind jeweils einstückig gegossen
oder geschweißt. Bei
der anderen Ausführung
besteht das Gehäuse aus
einem einteiligen, zylinderförmigen äußeren Gehäusemantel,
welches gegossen oder geschweißt ist,
und Komponenten, wie beispielsweise aus eintrittsseitigen und austrittsseitigen
Gehäusekomponenten
für die
einzelnen Verdichterstufen, die jeweils horizontal geteilt sind,
damit sie zwischen den Laufrädern
montiert werden können.
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Das
im ersten Laufrad verdichtete Gas wird nach einer Zwischenkühlung über ein
Sammelrohr in das zweite Laufrad geleitet und von dort nach einer weiteren
Zwischenkühlung
in das darauf folgende Laufrad. Dabei versucht man die mehrstufige
Gaskompression, so nah wie möglich,
am idealen, isothermen Verdichtungsprozess auszurichten.
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Bei
mehrstufigen Turboverdichtern sind heiße und kalte Gehäusekomponenten
hintereinander in einem festen Verbund angeordnet. Da die kalten und
heißen
Gehäusekomponenten
fest miteinander verspannt, verschweißt oder vergossen sind, kommt es
aufgrund der thermischen Ausdehnung zu Eigenspannungen im Gehäuse. Die
unterschiedlichen Temperaturniveaus der einzelnen Gehäusekomponenten
bewirken unterschiedlich starke thermische Ausdehnungen der Komponenten.
Ebenso kann es in den Gehäusekomponenten
zu Druckdeformationen kommen.
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Die
Anordnung der Lager an den Wellenenden und die horizontale Teilung
des Gehäuses
mit fest miteinander verbundenen Gehäusekomponenten, bzw. die in
einem gemeinsamen Gehäusemantel eingespannten
inneren Gehäusebauteile,
können
im Betrieb zu einer Verringerung der Spiele zwischen den Laufrädern und
ihren benachbarten Gehäusekomponenten
führen.
Dies kann zu einem Anstreifen der Laufräder am Gehäuse und somit zu einer Beschädigung des
Turboverdichters führen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, während des Verdichterbetriebs,
eine Verkleinerung der Spiele zwischen den Laufrädern und ihren benachbarten
Gehäusekomponenten
zu verhindern.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass das Axiallager zwischen zwei Laufrädern von benachbarten Verdichterstufen
angeordnet ist, die mit den Laufradrückseiten zueinander positioniert
sind. Die rückseitig
zueinander angeordneten Verdichterstufen sind über ein Zwischengehäuse miteinander
verbunden.
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Die
Positionierung von zwei Laufrädern
mit den Laufradrückseiten
zueinander wird auch als back-to-back-Prinzip bezeichnet. Die zentrale
Anordnung des Axiallagers zwischen zwei back-to-back angeordneten
Laufrädern
bewirkt, dass die durch thermische Ausdehnungen und Druckdeformationen in
den Gehäusekomponenten
hervorgerufenen Längenänderungen
die Spiele zwischen den Laufrädern und
ihren benachbarten Gehäusewänden vergrößert, so
dass ein Anstreifen der Laufräder
vermieden wird.
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Bei
einem dreistufigen Turboverdichter wird das Axiallager vorzugsweise
in einer zentralen Position zwischen der zweiten und dritten Stufe
angeordnet, wobei die zweite und dritte Stufe back-to-back zueinander
positioniert sind. Das Laufrad der zweiten oder – je nach Stufenanordnung – das Laufrad
der dritten Stufe ist dabei in Reihe mit dem Laufrad der ersten
Stufe angeordnet. Die drei Laufräder,
die beiden Wellenenden und die beiden mittleren Wellenabschnitte
sind vorzugsweise über
Stirnverzahnungen zueinander zentriert und mittels einer zentralen
Zugstange zu einem festen Rotorverbund miteinander verspannt.
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Bei
einem vierstufigen Verdichter besteht der Rotor aus den vier Laufrädern, den
beiden Wellenenden und drei mittleren Wellenabschnitten. Das zusätzliche Laufrad
bildet zusammen mit seinem Eintritts- und Austrittsgehäuse die
vierte Verdichterstufe, die vorzugsweise back-to-back zur ersten
Stufe angeordnet ist.
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In
einer vorteilhaften Ausführung
der Erfindung sind die Radiallager an Wellenabschnitten angeordnet,
die zwischen zwei Laufrädern
liegen.
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Als
besonders günstig
erweist es sich, wenn das kupplungsnahe Radiallager zwischen dem
zur Kupplung nächstliegenden
Laufrad und dem benachbarten Laufrad angeordnet ist, so dass das
kupplungsseitige Laufrad und das kupplungsseitige Wellenende frei überhängend sind.
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Bei
einem dreistufigen Turboverdichter führt dies dazu, dass das Laufrad
der dritten oder – je
nach Stufenanordnung – das
Laufrad der zweiten Stufe und das kupplungsseitige Wellenende frei überhängend angeordnet
sind. Bei einem vierstufigen Radial-Turboverdichter ist das kupplungsseitige
Radiallager zwischen der dritten und vierten Stufe positioniert.
Dabei sind das Laufrad der vierten oder – je nach Stufenanordnung – das Laufrad
der dritten Stufe und das kupplungsseitige Wellenende frei überhängend.
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In
einer weiteren günstigen
Ausführungsform der
Erfindung ist das kupplungsferne Radiallager am Wellenabschnitt
zwischen dem ersten und dem darauf folgenden Laufrad angeordnet.
Dabei ist das Radiallager hinter dem überhängenden Laufrad der ersten
Stufe positioniert, wobei das freie Wellenende an der der Kupplung
gegenüberliegenden
Seite entfällt. Dies
hat den Vorteil, dass das Eintrittsgehäuse zur ersten Stufe als einfacher
umlenkungsfreier koaxialer Saugstutzen ausgebildet werden kann.
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Vorzugsweise
werden ungeteilte, magnetische Radial- und Axiallager eingesetzt.
Dank ihrer aktiven Regelung der Steifigkeit und Dämpfung bieten Magnetlager
erhebliche technische Vorteile. Sie zeichnen sich ebenfalls durch
sehr geringe Reibungsverluste aus.
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Als
besonders günstig
erweist es sich, wenn das Gehäuse
vertikal in kalte und heiße
Gehäusekomponenten
segmentiert ist. Die Gehäuseabschnitte
der Gaseintrittsbereiche und der Gasaustrittsbereiche bilden jeweils
selbstständige,
ungeteilte Gehäusekomponenten.
Diese umschließen
den Rotor ringförmig
ohne horizontale Teilung.
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Das
Eintrittsgehäuse
der ersten Stufe besteht in einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung aus einem einfachen umlenkungsfreien koaxialen Saugstutzen.
Die Eintrittsgehäuse
aller Folgestufen sind radiale Eintrittsstutzen. Die Austrittsgehäuse der
Verdichterstufen können
in Form spiraliger Sammelräume
ausgebildet sein. Die tangentialen Austrittsstutzen der heißen Austrittsgehäuse sind über Rohrleitungen
mit den Eintrittsstutzen der Zwischenkühler verbunden. Die Austrittsstutzen
der Zwischenkühler
sind über
weit dimensionierte, verlustarme Strömungskanäle mit den radialen Eintrittsstutzen
der sich anschließenden
Verdichterstufe verbunden.
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In
einer besonders günstigen
Ausführungsform
der Erfindung sind benachbarte Gehäusekomponenten über vertikale
Flanschverbindungen miteinander verbunden. Dabei verlaufen an den
Verbindungsstellen die benachbarten Gehäusewände in vertikaler Richtung
zur Welle, parallel zueinander. Der Kontaktbereich, bei dem die
Gehäusewände vertikal
zueinander verlaufen, ist ringförmig
um den Rotor ausgebildet, wobei die Gehäusewände an mehreren Stellen des
umlaufenden Rings durch Befestigungselemente, beispielsweise durch
Verschraubungen, miteinander verbunden sind. Durch die Aufteilung
des Gehäuses
in Segmente, die über
vertikale Flanschverbindungen miteinander verbunden sind, können Eigenspannungen
im Gehäuse
durch Wärme-
und Druckausdehnung vermindert werden.
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Weiterhin
ist es von Vorteil, wenn benachbarte Gehäusekomponenten an ihren Verbindungsstellen
ineinandergreifen und deren Maße
an den Fügstellen
so aufeinander abgestimmt sind, dass die Gehäusekomponenten über Passsitze
miteinander verbunden sind.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
anhand einer Zeichnung und aus der Zeichnung selbst. Dabei zeigt
die einzige Figur einen Halbschnitt eines dreistufigen Radial-Turboverdichters.
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Die
Laufräder 1, 2 und 3 bilden
mit den Wellenabschnitten 14, 15 und 16 den
Rotor des Verdichters. Die Laufräder 1, 2, 3 sind
mit den beiden Wellenenden 14 und 15, sowie dem
mittleren Wellenabschnitt 16 über Stirnverzahnungen 30 bis 34 zueinander
zentriert und mittels einer zentralen Zugstange 17 miteinander
zu einem festen Rotorverbund verspannt.
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Der
Rotor besteht aus drei Verdichterstufen, wobei jede Verdichterstufe
ein Laufrad (1, 2, 3), ein kaltes Eintrittsgehäuse (4, 5, 6)
und ein heißes
Austrittsgehäuse
(7, 8, 9) umfasst. Das zu verdichtende Gas
strömt
durch das Eintrittsgehäuse 4 dem
Laufrad 1 zu. Das kalte Eintrittsgehäuse 4 der ersten Stufe
ist als umlenkungsfreier, koaxialer Saugstutzen ausgebildet. Das
Gas wird vom Laufrad 1 in das Austrittsgehäuse 7 der
ersten Stufe gefördert.
Das Austrittsgehäuse 7 ist
als spiralförmiger
Sammelraum ausgebildet. Der tangentiale Austrittsstutzen des Austrittsgehäuses 7 ist über Rohrleitungen
mit einem Zwischenkühler
verbunden. Nach dem Zwischenkühler strömt das Gas über den
radialen Eintrittsstutzen des Eintrittsgehäuses 5 in die zweite
Verdichterstufe. Die Verbindung zwischen Zwischenkühler und
Eintrittsstutzen erfolgt über
weit dimensionierte, verlustarme Strömungskanäle.
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In
der zweiten Verdichterstufe wird das Gas vom Laufrad 2 beschleunigt
und in das Austrittsgehäuse 8 der
zweiten Stufe gefördert.
Nach einer Zwischenkühlung
tritt das Gas in den radialen Eintrittsstutzen des Eintrittsgehäuses 6 der
dritten Verdichterstufe und wird vom Laufrad 3 ins Austrittsgehäuse 9 der
dritten Verdichterstufe gefördert.
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Die
Laufräder 2 und 3 sind
mit ihren Laufradrückseiten
zueinander positioniert. Dazwischen verläuft der mittlere Wellenabschnitt 16.
Die Austrittsgehäuse 8, 9 der
zweiten und dritten Stufe sind über
ein Zwischengehäuse 13 miteinander
verbunden. Erfindungsgemäß ist das
Axiallager 12 zwischen den back-to-back zueinander angeordneten
Laufrädern 2 und 3 angeordnet.
Das kupplungsnahe Radiallager 11 ist unmittelbar neben
dem Axiallager 12 angeordnet, so dass das Laufrad 3 und
das kupplungsseitige Wellenende 14 frei überhängend sind.
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Das
kupplungsferne Radiallager 10 ist hinter dem Laufrad 1 am
Wellenabschnitt 15 positioniert. Bei dem Wellenabschnitt 15 handelt
es sich um das der Kupplung gegenüber liegende Wellenende. Das Laufrad 1 ist
aufgrund der Position des Radiallagers 10 frei überhängend.
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Die
Lageranordnung bewirkt, dass die durch thermische Ausdehnung und
Druckdeformation in den Gehäusekomponenten 4 bis 9 hervorgerufenen Längenänderungen ΔLt,p(1. + 2.) und ΔLt,p(3.),
die Spiele 35, 36 und 37 zwischen den
Laufrädern 1, 2 und 3 und
ihren benachbarten Eintrittsgehäusen 4, 5 und 6 vergrößern. Dadurch
wird ein Anstreifen der Laufräder 1, 2 und 3 an
ihren benachbarten Eintrittsgehäusen 4, 5 und 6 vermieden.
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Das
Eintrittsgehäuse 4 der
ersten Verdichterstufe ragt ein Stück in das Austrittsgehäuse 7 der
ersten Verdichterstufe hinein. Dabei sind an der Verbindungsstelle
die Abmessungen der beiden Gehäuse 4 und 7 so
aufeinander abgestimmt, dass ein Passsitz 24 zwischen den
beiden Gehäusekomponenten 4 und 7 entsteht.
Die beiden Gehäuseteile 4 und 7 weisen
eine vertikale Berührungsfläche auf.
Der vertikale Abschnitt der Gehäusewand
des Eintrittsgehäuses 4 dient
als Anschlag für
die Gehäusewand
des Austrittsgehäuses 7.
Das kalte Eintrittsgehäuse 4 ist
mit dem heißen
Austrittsgehäuse 7 über eine
vertikale Flanschverbindung 18 miteinander verbunden.
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An
der Verbindungsstelle zwischen der ersten und zweiten Verdichterstufe
ragt das Eintrittsgehäuse 5 der
zweiten Stufe in das Austrittsgehäuse 7 der ersten Stufe
hinein. Die Abmessungen der beiden Gehäuseteile 5 und 7 sind
dabei so aufeinander abgestimmt, dass ein Passsitz 25 gebildet
wird. Die beiden Gehäuseteile 5 und 7 weisen
eine vertikale Berührungsfläche auf.
Der vertikale Abschnitt der Gehäusewand
des Eintrittsgehäuses 5 dient
als Anschlag für
die Gehäusewand
des Austrittsgehäuses 7. Über diese
vertikale Berührungsfläche der
parallel zueinander verlaufenden Gehäusewände, erfolgt eine Verbindung
der Gehäuseteile 7 und 5 über eine vertikale
Flanschverbindung 19.
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An
dem Übergang
vom Eintrittsgehäuse 5 der
zweiten Stufe zum Austrittsgehäuse 8 der
zweiten Stufe ragt das kalte Eintrittsgehäuse 5 in das heiße Eintrittsgehäuse 8 hinein,
wobei ein Passsitz 26 gebildet wird. Eine Verbindung der
beiden Gehäuseteile 5 und 8 erfolgt
mittels der vertikalen Flanschverbindung 20. An der vertikalen
Flanschverbindung 20 verlaufen die Gehäusewände parallel zueinander.
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Die
beiden Austrittsgehäuse 8, 9 der
zweiten und dritten Stufe sind über
das Zwischengehäuse 13 miteinander
verbunden. Das Zwischengehäuse 13 ragt
in das Austrittsgehäuse 8 der
zweiten Stufe hinein, wobei beide Gehäusekomponenten 8 und 13 einen
Passsitz 27 und eine vertikale Berührungsfläche bilden. Der vertikale Abschnitt
der Gehäusewand
des Zwischengehäuses 13 dient
als Anschlag für
die Gehäusewand
des Austrittsgehäuses 8. Über die
parallel verlaufenden Gehäusewände der
vertikalen Berührungsfläche erfolgt
eine Verbindung der beiden Gehäuseteile 8 und 13 mittels
einer vertikalen Flanschverbindung 21.
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Ebenso
ragt das Zwischengehäuse 13 in
das Austrittsgehäuse 9 der
dritten Verdichterstufe ein Stück
hinein, wobei ein Passsitz 28 gebildet wird. Die beiden
Gehäuseteile 13 und 9 weisen
eine vertikale Berührungsfläche auf.
Der vertikale Abschnitt der Gehäusewand
des Zwischengehäuses 13 dient
als Anschlag für
die Gehäusewand
des Austrittsgehäuses 9. Über eine
vertikale Flanschverbindung 22 erfolgt die Verbindung der
Gehäuse 13 und 9.
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Bei
der dritten Verdichterstufe ragt das Eintrittsgehäuse 6 in
das Austrittsgehäuse 9 hinein
und bildet einen Passsitz 29. Ein vertikaler Abschnitt
der Gehäusewand
des Eintrittsgehäuses 6 bildet
einen Anschlag für
die Gehäusewand
des Austrittsgehäuses 9.
An den vertikal zueinander verlaufenden Berührungsstellen der Gehäusewände werden
die Gehäuse 6 und 9 mittels
einer vertikalen Flanschverbindung 23 miteinander verbunden.
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Somit
sind alle kalten Eintrittsgehäuse 4, 5 und 6 sowie
das Zwischengehäuse 13 mit
den heißen
Austrittsgehäusen 7, 8 und 9 über vertikale Flanschverbindungen 18 bis 23 und
Passsitze 24 bis 29 als ungeteilte Gehäusekomponenten
miteinander verbunden. Dies führt
dazu, dass im Betrieb thermische Eigenspannungen im Gehäuseverbund
weitestgehend vermieden werden und somit die dadurch auftretenden
Deformationen des Gehäuseverbunds im
Betrieb minimiert werden.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
sind die Radiallager 10 und 11 sowie das Axiallager 12 als
Magnetlager ausgeführt.