DE102011121925A1 - Compressor and method for operating a compressor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Verdichter (2) mit einer ersten Verdichterstufe (4) und einer stromabwärts angeordneten zweiten Verdichterstufe (6), wobei die erste Verdichterstufe einen Axialverdichter (4) aufweist und die zweite Verdichterstufe einen Radialverdichter (6). Zur Verringerung der notwendigen Drehzahlen zum Betrieb des Verdichters (2) sind die erste Verdichterstufe (4) und die zweite Verdichterstufe (6) gegenläufig angetrieben.The invention relates to a compressor (2) having a first compressor stage (4) and a second compressor stage (6) arranged downstream, the first compressor stage having an axial compressor (4) and the second compressor stage having a radial compressor (6). In order to reduce the necessary rotational speeds for the operation of the compressor (2), the first compressor stage (4) and the second compressor stage (6) are driven in opposite directions.
Description
Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Verdichter mit einer ersten Verdichterstufe und einer stromabwärts angeordneten zweiten Verdichterstufe, wobei die erste Verdichterstufe einen Axialverdichter aufweist und die zweite Verdichterstufe einen Radialverdichter.The invention relates to a multi-stage compressor having a first compressor stage and a second compressor stage arranged downstream, the first compressor stage having an axial compressor and the second compressor stage having a radial compressor.
Mehrstufige Verdichter der eingangs genannten Art sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt. So offenbart beispielsweise die
Aus der
Nachteilig bei den genannten Vorrichtungen ist jedoch, dass die Vorrichtungen mit hohen Drehzahlen betrieben werden müssen, was eine aufwendige Lagerung erforderlich macht.A disadvantage of the said devices, however, is that the devices must be operated at high speeds, which makes a complex storage required.
Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahin gehend zu verbessern, dass eine weniger aufwendige Lagerung möglich ist.The object of the invention is therefore to improve a device of the type mentioned in such a way that a less expensive storage is possible.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Verdichter gemäß Anspruch 1 sowie durch Verfahren zum Betrieb eines entsprechenden Verdichters gemäß den nebengeordneten Ansprüchen 11, 12 und 13. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The object is achieved by a compressor according to claim 1 and by a method for operating a corresponding compressor according to the
Ein erfindungsgemäßer Verdichter weist eine erste Verdichterstufe auf, die als Axialverdichter ausgebildet ist. Dem Axialverdichter ist eine zweite Verdichterstufe stromabwärts nachgeschaltet, die einen Radialverdichter aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die erste Verdichterstufe und die zweite Verdichterstufe gegenläufig angetrieben sind. Durch den vorgeschalteten Axialverdichter erhält das durch den Axialverdichter vorverdichtete Medium einen Drehimpuls, der die relative Einlassgeschwindigkeit des Mediums in den radialen Kompressor erhöht, da der radiale Kompressor sich in die entgegengesetzte Richtung dreht. Auf diese Weise wird der Massenfluss am Eingang des Radialkompressors erhöht.An inventive compressor has a first compressor stage, which is designed as an axial compressor. The axial compressor downstream of a second compressor stage downstream, which has a centrifugal compressor. According to the invention, it is provided that the first compressor stage and the second compressor stage are driven in opposite directions. By the upstream axial compressor, the medium pre-compressed by the axial compressor receives an angular momentum which increases the relative inlet velocity of the medium into the radial compressor as the radial compressor rotates in the opposite direction. In this way the mass flow at the inlet of the radial compressor is increased.
Ein erhöhter Massenfluss bewirkt des Weiteren, dass der Radialverdichter mit einem größeren Durchmesser ausgelegt werden kann, um dem gegenüber bekannten Anordnungen größeren Volumenstrom Rechnung zu tragen. Die größere mögliche Kompressorgröße trägt ebenfalls dazu bei, die Rotationsgeschwindigkeit zu reduzieren. Strömungsabrisse oder Pumpen am Ausgang des Radialverdichters sind bei den niedrigeren Drehzahlen nicht zu erwarten. Weiterhin ergibt sich mit einem erfindungsgemäß erhöhten Massenfluss im Einlassbereich eine im Vergleich mit dem Stand der Technik geringere Rotations- und Dichtungsgeschwindigkeit für denselben abgegebenen Massenstrom.An increased mass flow also has the effect that the radial compressor can be designed with a larger diameter in order to take account of the larger volume flow compared to known arrangements. The larger possible compressor size also helps to reduce the rotational speed. Stalls or pumps at the outlet of the centrifugal compressor are not expected at the lower speeds. Furthermore, with an inventively increased mass flow in the inlet area, a lower rotational and sealing speed compared to the prior art results for the same emitted mass flow.
Der erfindungsgemäße Verdichter kann insbesondere in einer Wärmepumpe eingesetzt werden, um insbesondere gasförmige Medien zu verdichten.The compressor according to the invention can be used in particular in a heat pump, in particular to compress gaseous media.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann der axiale Verdichter als einzelne axiale Stufe ausgebildet sein, was die Komplexität des erfindungsgemäßen Verdichters verringert.According to one embodiment of the invention, the axial compressor may be formed as a single axial step, which reduces the complexity of the compressor according to the invention.
Gemäß einer ersten möglichen Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die erste Verdichterstufe und die zweite Verdichterstufe von konzentrischen Wellen angetrieben werden. Auf diese Weise lässt sich der Ausgang des Axialverdichters konzentrisch zum Eingang des Radialverdichters anordnen, wodurch ein Umlenken des strömenden Mediums zwischen Axialverdichterausgang und Radialverdichtereingang vermieden werden kann.According to a first possible development of the invention it can be provided that the first compressor stage and the second compressor stage are driven by concentric waves. In this way, the output of the axial compressor can be arranged concentrically to the inlet of the centrifugal compressor, whereby a deflection of the flowing medium between Axialverdichterausgang and radial compressor inlet can be avoided.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Welle der zweiten Verdichterstufe, also des Radialverdichters, eine Hohlwelle ist und sich die Welle der ersten Verdichterstufe, also des Axialverdichters, zumindest teilweise in die Hohlwelle erstreckt. Diese Anordnung ist besonders kompakt und erlaubt eine genaue Ausrichtung von Radialverdichter und Axialverdichter.According to a further possible embodiment of the invention can be provided that the shaft of the second compressor stage, that is, the radial compressor, a hollow shaft and the shaft of the first compressor stage, so the axial compressor, at least partially extends into the hollow shaft. This arrangement is particularly compact and allows accurate alignment of centrifugal compressor and axial compressor.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die beiden Wellen gegenläufig angetrieben sind. Dadurch, dass die Wellen gegenläufig angetrieben sind, lässt sich eine Optimierung der Relativgeschwindigkeit des strömenden Mediums zu den Laufschaufeln des Radialverdichters erzielen, wodurch die Rotationsgeschwindigkeit der Wellen relativ zu feststehenden Bauteilen bei gegebener Leistung minimiert werden können.According to another possible embodiment of the invention can be provided that the two waves are driven in opposite directions. The fact that the waves are driven in opposite directions, can be an optimization of the relative velocity of the flowing medium to achieve the blades of the centrifugal compressor, whereby the rotational speed of the waves can be minimized relative to fixed components for a given performance.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die erste Verdichterstufe und die zweite Verdichterstufe eigene Motoren aufweisen.According to another possible embodiment of the invention, it can be provided that the first compressor stage and the second compressor stage have their own motors.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Motoren benachbart zueinander angeordnet sind. Auf diese Weise lassen sich die Motoren kompakt anordnen und einfacher verschalten. According to another possible embodiment of the invention can be provided that the motors are arranged adjacent to each other. In this way, the motors can be arranged compact and interconnect easier.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Axialverdichter von der Welle bewegte innere Laufschaufeln aufweist. In diesem Falle lässt sich ein Antrieb des Axialverdichters von der inneren Welle mit geringem konstruktivem Aufwand erreichen.According to another possible embodiment of the invention can be provided that the axial compressor of the shaft has moving inner blades. In this case, a drive of the axial compressor of the inner shaft can be achieved with little design effort.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Axialverdichter feststehende äußere Strömungsleitelemente aufweist. Dies vereinfacht die Konstruktion des erfindungsgemäßen Verdichters. Gegenläufige Strömungsleitelemente im Axialverdichter würden darüber hinaus dem erfindungsgemäßen Effekt entgegenstehen.According to another possible embodiment of the invention can be provided that the axial compressor has fixed outer flow guide. This simplifies the construction of the compressor according to the invention. Opposing flow elements in the axial compressor would also be contrary to the effect of the invention.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Hohlwelle des Radialverdichters mittels wenigstens einem Wälz- oder Gleitlager im Verdichter gelagert ist. Derartige konventionelle Lager sind günstiger als hochgeschwindigkeitstaugliche Lager wie beispielsweise Magnetlager und weniger defektanfällig, insbesondere beim Anlaufen oder beim Abbremsen. Darüber hinaus sind Montage und Justierung eines entsprechenden Verdichters einfacher als bei nicht konventionellen Lagern.According to another possible embodiment of the invention can be provided that the hollow shaft of the centrifugal compressor is mounted by means of at least one rolling or sliding bearing in the compressor. Such conventional bearings are cheaper than high-speed bearings such as magnetic bearings and less prone to failure, especially when starting or braking. In addition, installation and adjustment of a corresponding compressor are easier than with non-conventional bearings.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Welle der ersten Verdichterstufe in der Hohlwelle gelagert ist. Auf diese Weise kann eine weitere Lagerung der Welle im Verdichter vermieden werden. Axialverdichter und Radialverdichter lassen sich zudem exakt zueinander ausrichten.According to another possible embodiment of the invention can be provided that the shaft of the first compressor stage is mounted in the hollow shaft. In this way, further storage of the shaft in the compressor can be avoided. Axial compressors and centrifugal compressors can also be aligned exactly with one another.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Lagerung der Welle in der Hohlwelle und/oder der Hohlwelle selbst im Verdichtergehäuse eine kontaktfreie Lagerung ist. Vorzugsweise kommen dafür aerodynamische Lager oder Magnetlager zum Einsatz. In einer Ausgestaltung, in der die Welle des Axialverdichters in der Hohlwelle des Radialverdichters gelagert ist, sind die Relativgeschwindigkeiten zwischen den beiden Wellen relativ groß, was eine konventionelle Lagerung aufwändig machen würde.According to another possible embodiment of the invention can be provided that the bearing of the shaft in the hollow shaft and / or the hollow shaft itself in the compressor housing is a contact-free storage. Preferably for aerodynamic bearings or magnetic bearings are used. In an embodiment in which the shaft of the axial compressor is mounted in the hollow shaft of the centrifugal compressor, the relative speeds between the two shafts are relatively large, which would make conventional storage expensive.
Ein erster unabhängiger Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Verdichters gemäß dem zuvor beschriebenen Erfindungsgedanken, wobei die erste Verdichterstufe und die zweite Verdichterstufe mit einem entgegengesetzten Drehsinn angetrieben werden. Gemäß einem alternativen Verfahren kann vorgesehen sein, dass die erste Verdichterstufe und die zweite Verdichterstufe mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten angetrieben werden. Und weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die erste und die zweite Verdichterstufe mit etwa gleichen Geschwindigkeiten angetrieben werden.A first independent subject matter of the invention relates to a method for operating a compressor according to the inventive idea described above, wherein the first compressor stage and the second compressor stage are driven in an opposite direction of rotation. According to an alternative method, it may be provided that the first compressor stage and the second compressor stage are driven at different speeds. Furthermore, it is advantageous if the first and the second compressor stage are driven at approximately the same speeds.
Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.Other objects, advantages, features and applications of the present invention will become apparent from the following description of an embodiment with reference to the drawings. All described and / or illustrated features alone or in any meaningful combination form the subject matter of the present invention, also independent of their summary in the claims or their dependency.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben. Dabei zeigt die einzige Figur schematisch einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Verdichter
Der Verdichter
In der gezeigten Darstellung wird das so zu verdichtende Medium, im Falle einer Wärmepumpe ein Kältemittel, von links mit niedrigem Druck in den Verdichter
Ein Axialverdichterausgang
Der Radialverdichter
Der Axialverdichter
Das Laufrad
Die Welle
Der Axialverdichter
Der Axialverdichter
Durch den Betrieb des Axialverdichters
Das mit Drehimpuls versehene, vorverdichtete Medium, das den Axialverdichter
Die erfindungsgemäße Auslegung eines Verdichters
Der erfindungsgemäße Verdichter
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 22
- Verdichtercompressor
- 44
- Axialverdichteraxial compressor
- 66
- Radialverdichtercentrifugal compressors
- 88th
- AxialverdichterausgangAxialverdichterausgang
- 1010
- RadialverdichtereingangCentrifugal compressor input
- 1212
- LaufradWheel
- 1414
- Laufschaufelnblades
- 1616
- Wellewave
- 1717
- Lagercamp
- 1818
- Schaufelkranzblade ring
- 2020
- Hohlwellehollow shaft
- 2222
- Motorengine
- 2424
- Motorengine
- 2626
- Gehäusecasing
- 2828
- RadialverdichterausgangCentrifugal compressor output
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Legal Events
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Effective date: 20140307 |