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Die Erfindung betrifft einen Turboverdichter zur Verdichtung eines Prozessfluids entlang eines Strömungspfades mit einem sich entlang einer Maschinenachse erstreckendem Rotor mit mindestens einem Laufrad, mit mindestens einem Eintrittleitapparat, welcher Eintrittsleitapparat stromaufwärts des Laufrades angeordnet ist, wobei der Eintrittsleitapparat Leitschaufeln aufweist, die bezüglich ihres Anstellwinkels verstellbar sind, mit mindestens einem sich an das Laufrad stromabwärts anschließenden Ringraum, wobei der Ringraum sich in Umfangsrichtung um die Maschinenachse erstreckt und der Ringraum sich axial zwischen einer ersten Ringraumwand und einer zweiten Ringraumwand erstreckt.
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Bei Turboverdichtern, insbesondere Getriebeverdichtern für die Luftzerlegung wird in der Regel ein großer Fahrbereich im Kennfeld in Richtung kleinerer Volumenströme bei nahezu konstantem Druck (sogenannter Turn-Down-Fahrbereich) gefordert. Würden diese Getriebeverdichter für einen Enddruck ausgelegt, der dem geforderten Enddruck in den Betriebspunkten entspricht, wäre der Turn-Down-Fahrbereich zu klein. Aus diesem Grund werden die Turboverdichter heute in der Regel für einen höheren Enddruck ausgelegt, so dass das Kennfeld (in der Regel handelt es sich hierbei um ein Drall-Kennfeld) bei dem geforderten Enddruck hinsichtlich der Betriebspunkte die erforderliche Breite aufweist. Ein sich aus dieser Praxis ergebender gravierender Nachteil liegt darin, dass die Betriebspunkte verhältnismäßig weit von einem Wirkungsgradmaximum entfernt sind, dass meistens in der Nähe des internen Auslegungspunktes liegt.
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Herkömmliche Turboverdichter mit Eintrittleitapparaten vermögen die oben beschriebene Problematik nicht zu lösen.
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Die Erfindung hat es sich daher zur Aufgabe gemacht, das Kennfeld des eingangs definierten Turboverdichters zu vergrößern und gleichzeitig den Wirkungsgrad in einem weiten Bereich des Kennfeldes zu verbessern.
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Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabenstellung sieht eine Weiterbildung des eingangs genannten Verdichters mittels der im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale vor.
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Eine erfindungsgemäße Ringraumbreitenverstellung stellt eine Einflussnahme auf das Strömungsbild nach dem Laufrad dar und ermöglicht eine Abstimmung dieser Strömungsverhältnisse auf eine Einstellung des Eintrittsleitapparates stromaufwärts des Laufrades. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der Maschine in Abhängigkeit von der Einstellung des Eintrittsleitapparates über eine angepasste Ringraumbreite optimiert werden. Weiterhin vorteilhaft ist, dass das ein mechanisches Kopplungsmodul der erfindungsgemäßen Ringraumbreitenverstellung jeder Einstellung des Eintrittsleitapparates eine bestimmte axiale Breite des Ringraums fest zuordnet, wobei zweckmäßig die Zuordnungsfunktion derart beschaffen ist, dass für jede Einstellung des Eintrittsleitapparates ein Wirkungsgradoptimum durch die Einstellung der Ringraumbreite erreicht wird. Da einem Turboverdichter in der Regel eine feste Aufgabe zugewiesen ist, beispielsweise die Verdichtung eines bestimmten Prozessgases ausgehend von einem Bereich möglicher Eingangsdrücke auf einen bestimmten Ausgangsdruck, ist eine erfindungsgemäß feste Zuordnung im Interesse der Optimierung des Wirkungsgrades zweckmäßig.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Kopplungsmodul ein Getriebe umfasst, welches eine Verstellbewegung des Eintrittleitapparates in eine translatorische Bewegung auf die Ringraumbreitenverstellung überträgt. Eine derartige mechanische Lösung ist zuverlässig in der Lage eine injektive Übertragungsfunktion zwischen dem Anstellwinkel des Eintrittsleitapparates und der Ringraumbreite umzusetzen. Besonders sinnvoll ist, dass für die erfindungsgemäße Lösung kein zweiter Aktuator neben dem Antrieb des Eintrittsleitapparates und darüber hinaus auch keine zusätzliche Regelungs- und Steuertechnik zur Abstimmung eines separaten Antriebes der Ringraumbreitenverstellung auf sonstige Parameter des Betriebes benötigt wird. Die Erfindung hat hierbei überraschend herausgefunden, dass eine derartig starre Zuordnung der Ringraumbreitenverstellung zu der Stellung des Eintrittsleitapparates einer auf alle denkbaren Betriebsbedingungen optimierten individuellen Einstellung gar nicht oder nur unwesentlich im Wirkungsgrad nachsteht. Dagegen liegt der Nutzen in der Robustheit und hohen Verfügbarkeit.
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Besonders zweckmäßig ist es, wenn das Getriebe ein Konturelement aufweist, welches mit einer Bewegung entlang einer ersten Bewegungslinie an eine Bewegung des Eintrittsleitapparates gekoppelt ist und mittels einer Konturierung eine translatorische Bewegung mittels eines Übertragungselementes auf die Ringraumbreitenverstellung überträgt. Heutige Eintrittsleitapparate weisen meistens ein sich in Umfangsrichtung erstreckendes Stellelement auf, welches in Abhängigkeit von dem Anstellwinkel sich in Umfangsrichtung bewegt. Das Konturelement kann an das sich in Umfangsrichtung erstreckende Stellelement angebracht werden und mittels der Konturierung diese nahezu translatorische Bewegung in eine andere translatorische Bewegung auf das Übertragungselement übertragen. Besonders zweckmäßig ist dieses Konturelement austauschbar ausgebildet, so dass beispielsweise für unterschiedliche Gassorten oder Druckbereiche des Kennfeldes, die den beabsichtigten Betriebsbereich darstellen, andere Übertragungsfunktionen mittels des Konturelementes verwirklicht werden können.
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Eine einfache und robuste Ausbildung des Übertragungselementes sieht vor, dass dieses ein Gleitelement oder ein Rollelement aufweist, welches an der Konturierung des Konturelementes anliegt. Grundsätzlich ist eine Ausbildung des Konturelementes gemeinsam mit dem Übertragungselement als Kulissenführung denkbar, wobei das Konturelement einen Schlitz, Steg oder eine Nut aufweist, in dem oder auf der oder in der ein Kulissenstein bzw. ein Gleitelement des Übertragungselementes beidseitig zwangsgeführt ist. Da diese Anordnung unter bestimmten Bedingungen hinsichtlich der Temperatur oder des Anfalls an Schmutzpartikeln im Verdichterbau zum Klemmen neigen kann, ist es bei besonders kalten oder heißen Anwendungen oder bei Anwendungen mit besonderem Schmutzaufkommen zweckmäßig, wenn stattdessen ein elastisches Element das Übertragungselement zur Anlage gegen die Konturierung des Konturelementes vorspannt.
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Für gewissen Anwendungen kann es sinnvoll sein, wenn die Konturierung des Konturelementes ein lineares Übertragungsgesetz zwischen dem Einstellwinkel der Leitschaufeln des Eintrittsleitapparates und der Ringraumbreite definiert. Eine Optimierung des Einstellgesetzes kann eine Nicht-Linearität ergeben, welche mit dem erfindungsgemäßen Kopplungsmodul, insbesondere dem Konturelement und der daran vorgesehenen Konturierung unproblematisch umgesetzt werden kann.
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Besonders zweckmäßig ist eine Ausbildung des Ringraums mit einer Beschaufelung eines Austrittsleitapparates, wobei Austrittsleitapparatschaufeln in dem Radialabschnitt der erfindungsgemäß axial verschieblichen Ringraumwand angeordnet sein können. Hierzu können die Austrittsleitapparatschaufeln fest oder um eine Längsachse drehbar bevorzugt mit der axial verschieblichen Ringraumwand verbunden sein und auf der gegenüberliegenden Ringraumwand können Ausnehmungen vorgesehen sein, in die ein Abschnitt der Austrittsleitapparatschaufeln entsprechend der axialen Verschiebung der verschobenen Ringraumwand eintauchen können. Eine Anpassung der Ringraumbreite im Bereich der Austrittsleitapparatbeschaufelung ist eine besonders effektive Anpassung der Strömungsverhältnisse hinter dem Laufradaustritt an das Strömungsbild stromaufwärts des Laufrades, das durch den Eintrittsleitapparat beeinflusst wird.
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Weiterhin sinnvoll ist eine Gleitlagerung der verstellbaren Ringraumwand an stehenden Bauteilen des Turboverdichters an verschiedenen Stellen des Umfangs des ringförmigen Radialabschnittes dieser Ringraumwand.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher beschrieben. Dem Fachmann ergeben sich insbesondere aus einer beliebigen Kombination der Unteransprüche mit dem Hauptanspruch weitere Möglichkeiten der Ausführung der Erfindung. Es zeigen:
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1 eine Sicht auf eine Ansaugung eines erfindungsgemäßen Verdichters,
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2 einen Längsschnitt durch eine Stufe eines erfindungsgemäßen Turboverdichters gemäß dem in 1 ausgewiesenen Schnitt II-II,
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3 eine Detailansicht der in 1 dargestellten Verdichterstufe gemäß dem dort ausgewiesenen Schnitt III-III,
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4 eine Detailansicht des erfindungsgemäßen Verdichters gemäß dem in 3 ausgewiesenem Schnitt IV-IV,
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5 eine Detailansicht des erfindungsgemäßen Verdichters gemäß dem in 1 ausgewiesenem Schnitt V-V,
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6 eine Detailansicht des erfindungsgemäßen Verdichters gemäß dem in 5 ausgewiesenem Schnitt VI-VI und
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7 eine Detailansicht des erfindungsgemäßen Verdichters gemäß dem in 2 ausgewiesenem Schnitt VII-VII.
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1 zeigt eine Stufe ST eines erfindungsgemäßen Turboverdichters TCO. Die Stufe ST saugt ein Prozessfluid PF entlang eines Strömungspfades FP in Richtung einer Maschinenachse AX axial an und verdichtet das Prozessfluid PF entlang des Strömungspfades FP – wie auch in 2 dargestellt – mittels eines Laufrades IMP und gibt das Strömungsfluid PF stromabwärts nach Durchlauf durch einen Ringraum RR und einen stromabwärts angeordneten Diffusor DIF durch eine Abströmung EX aus. Sämtliche Richtungsangaben, beispielsweise axial, radial oder Umfangsrichtung, sind auf eine Maschinenachse AX, um die sich ein Rotor R des Turboverdichters TCO dreht, bezogen, es sei denn, es ist anders angegeben.
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Die Abströmung EX ist mit einer zwischen dem Diffusor DIF und der Abströmung EX angeordneten Sammelspirale SPR verbunden, welche sich entlang des Strömungspfades FP in Richtung der Abströmung EX aufweitet.
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Direkt hinter der Einströmung IN in die Stufe ST ist in Eintrittsleitapparat ELA mit Leitschaufeln GV angeordnet, die bezüglich eines Anstellwinkels IA verstellbar sind und so eine an die Betriebsbedingungen angepasste Strömungssituation vor dem Laufrad IMP herbeiführen. Der Eintrittsleitapparat ELA umfasst einen nicht näher dargestellten Antrieb, der mittels eines Übertragungsgetriebes TRG den Anstellwinkel IA der Leitschaufeln GV verändert. Das Übertragungsgetriebe TGR umfasst einen sich in Umfangsrichtung zur Maschinenachse erstreckenden Stellring AR, an dem sämtliche Leitschaufeln GV jeweils mit einer Schubstange SD angekoppelt.
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Im Bereich des Diffusors DIF ist ein sich in Umfangsrichtung erstreckender Ringraum RR definiert durch eine erste Ringraumwand RRW1 und eine zweite Ringraumwand RRW2, den dazwischen liegenden Ringraum RR axial begrenzen. Die erste Ringraumwand RRW1 weist einen axial verstellbaren Radialabschnitt auf, die Bestandteil einer Ringraumbreitenverstellung RRBV ist. Der axial verstellbare Radialabschnitt AARP der Ringraumbreitenverstellung RRBV definiert das Ende des Diffusors DIF in Strömungsrichtung und den Eintritt in die Sammelspirale SPR seitens der ersten Ringraumwand RRW1. Der axial verstellbare Radialabschnitt AARP ist Träger von Austrittsleitschaufeln EGV, die fest seitens der ersten Ringraumwand RRW1 angebracht sind. Auf der gegenüberliegenden zweiten Ringraumwand RRW2 ist eine Ausnehmung für jede Austrittsleitschaufel EGV dieses Austrittsleitapparates ALA vorgesehen, in die die Austrittsleitschaufeln EGV im Rahmen einer axialen Verstellung axial eintauchen können. Der axial verstellbare Radialabschnitt AARP ist an einem stehenden Teil der Begrenzung CAS der Sammelspirale SPR mittels Gleitelementen SE gelagert. Die Begrenzung CAS der Sammelspirale SPR ist einem Gehäuse des Turboverdichters TCO zuzurechnen.
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Der axial verstellbare Radialbschnitt AARP steht in Verbindung mit einem Kopplungsmodul CM, mittels dessen jedem Anstellwinkel IA der Leitschaufeln GV des Eintrittsleitapparates IGV eine bestimmte axiale Breite RRW des Ringraums RR zugeordnet ist. Das Kopplungsmodul CM umfasst ein Getriebe GE, das eine Bewegung des Stellrings AR des Übertragungsgetriebes TGR gemäß einem Übertragungsgesetz TEL auf die Ringraumbreite RRW überträgt. Hierzu ist an dem Stellring AR ein Konturelement CON des Kopplungsmoduls CM angebracht, welches der Bewegung des Stellrings AR folgt. Das Konturelement CON weist eine Konturierung CCN auf, die einem Übertragungselement TE des Getriebes GE eine translatorische Bewegung aufprägt, die direkt auf den axial verstellbaren Ringraumabschnitt AARP übertragen wird. Das Konturelement ist derart befestigt, dass es gegen ein anderes mit einer unterschiedlichen Konturierung CON auswechselbar ist und auf diese Weise ein Übertragungsgesetz TLR geändert werden kann.
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Das Übertragungselement TE ist mittels einer Lagerung BE geführt und an dieser Stelle mittels eines elastischen Elementes EL gegen die Konturierung CCN des Konturelementes CON vorgespannt. Das Übertragungselement TE liegt mit einem Rollelement RM stirnseitig an der Konturierung CCN an. Das Rollelement RM kann auch als Gleitelement SM ausgebildet sein.
