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Die Erfindung betrifft einen Verdichter, insbesondere Seitenkanalverdichter für ein zu pumpendes, insbesondere gasförmiges Fluid sowie ein Verfahren zum Pumpen eines solchen Fluids mit einem derartigen Verdichter.
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Unter Verdichter werden hier allgemeine Strömungsmaschinen verstanden, die ein zu förderndes Fluid, insbesondere ein Gas von einer Saugseite zu einer Druckseite fördern. Unter Verdichter werden hierbei sowohl Überdruckmaschinen, also Druckpumpen, als auch Unterdruckmaschinen, also Saugpumpen (Vakuumpumpen) sowie weiterhin auch Gebläse verstanden. Insbesondere wird unter Verdichter ein sogenannter Seitenkanalverdichter verstanden. Der Seitenkanalverdichter und seine Wirkungsweise ist allgemein bekannt. Bei diesem wird durch ein rotierendes Schaufel- oder Laufrad saugseitig das zu fördernde gasförmige Fluid angesaugt, in einem als Seitenkanal ausgebildeten Verdichterraum komprimiert und druckseitig wieder ausgestoßen. Mit derartigen Seitenkanalverdichtern lassen sich saugseitig Unterdrücke im Bereich von einigen 10 bis einigen 100 mbar erreichen.
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In einigen technischen Anwendungsbereichen ist dabei eine gute Abdichtung zur Umgebung oder auch zu Gasräumen hin erforderlich, um einen Austausch zwischen dem zu pumpenden Fluid und der Umgebung zu verhindern, insbesondere ein Austreten des zu pumpenden Fluids aus dem Verdichterraum in die Umgebung bei Überdruckmaschinen oder eine Vermischung des zu pumpenden Mediums mit der Umgebungsluft oder mit Medien aus anderen Fluidräumen bei Unterdruckmaschinen.
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Insbesondere beim Pumpen von giftigen oder explosiven Gasen ist eine zuverlässige Abdichtung erforderlich. Ein solcher Anwendungsfall ist beispielsweise das Einsatzgebiet bei Biogasanlagen, bei denen das Biogas einem Gasmotor, beispielsweise zur Erzeugung von elektrischer Energie oder Wärmeenergie zugeführt wird.
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Eine kritische Stelle für die Abdichtung ist hierbei eine im Betrieb die rotierende Antriebswelle, mit der das Laufrad von einem Elektromotor angetrieben wird.
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Die übliche Abdichtung erfolgt über an sich bekannte Dichtelemente, wie beispielsweise Radialdichtungen. Diese zeigen jedoch zumindest nach einer gewissen Betriebszeit Verschleißerscheinungen, so dass die Gefahr einer Leckage besteht und das zu pumpende Fluid in die Umgebung strömt. Dies ist bei Biogasanlagen aufgrund der bestehenden Explosionsgefahr zu vermeiden. Gegenwärtig wird dieser Gefahr durch einen frühzeitigen Komponentenaustausch begegnet.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Abdichtung bei Verdichtern, insbesondere bei Seitenkanalverdichtern zu gewährleisten.
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch einen Verdichter, insbesondere Seitenkanalverdichter für ein zu pumpendes, insbesondere gasförmiges Fluid mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Der Verdichter weist danach einen insbesondere durch den Seitenkanal ausgebildeten Verdichterraum auf, in dem sich das rotierbar angeordnete Laufrad mit den Laufradschaufeln befindet. Das Laufrad ist an einer rotierbar gelagerten Antriebswelle befestigt, die mit Hilfe von zwei voneinander beabstandeten Dichtungselementen abgedichtet ist, die insbesondere als Radialdichtungen ausgebildet sind, so dass ein Gasaustausch zwischen dem Verdichterraum und der Umgebung möglichst vermieden ist. Zwischen den beiden Dichtungselementen ist ein durch die Dichtungselemente abgeschlossener, üblicherweise ringförmiger Leckageraum gebildet. Bei beispielsweise verschleißbedingter nachlassender Dichtwirkung des dem Laufrad zugewandten Dichtelements kann in diesen Leckageraum während des Betriebs ein Leckagefluid aus dem Verdichterraum eintreten. Der Leckageraum selbst ist dabei als ein einfacher Freiraum ausgebildet, in dem sich im Normalzustand bei Stillstand des Verdichters Luft unter atomsphärischen Bedingungen befindet. In diesen Leckageraum mündet eine Leckageleitung, über die im Leckageraum ein gewünschter Druck eingestellt werden kann, um einen Leckagestrom des zu pumpenden Fluids zwischen der Umgebung und dem Verdichterraum zu vermeiden.
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Vorzugsweise ist die Leckageleitung als eine Unterdruckleitung zur Absaugung des Leckagefluids aus dem Leckageraum ausgebildet. Hierzu ist die Leckageleitung mit einer Unterdruckstelle verbunden, um die gewünschte Absaugwirkung zu erreichen. Diese Ausgestaltung wird insbesondere bei Überdruckmaschinen, vorzugsweise bei Seitenkanalverdichter eingesetzt.
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Bei Unterdruckmaschinen (Vakuumpumpen) ist die Leckageleitung vorzugsweise als eine Druckleitung ausgebildet, die mit einer Überdruckstelle verbunden ist, so dass über die im Betrieb unter Druck stehendes Fluid in den Leckageraum eingepumpt wird. Über eine fehlerhafte Dichtung kann daher keine Fehlluft/Umgebungsluft angesaugt und mit dem zu pumpenden Fluid vermischt werden.
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Durch die Anordnung dieser Leckageleitung kann daher ein Leckagestrom zugelassen werden und es ist nicht mehr zwingend erforderlich, dass die Dichtung für eine hundertprozentige Abdichtung ausgelegt wird. Durch diese zusätzliche Absaugung wird zudem eine erhöhte Sicherheit beim Betrieb des Verdichters insbesondere beim Pumpen von explosiven Gasen zuverlässig erreicht. Die Wartungszyklen können vorteilhafterweise verlängert werden und die Dichtungselemente brauchen weniger häufig ausgetauscht zu werden, so dass die Verfügbarkeit des Verdichters erhöht ist.
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In besonders zweckdienlicher Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Leckageleitung mit ihrem zweiten Ende mit einer Druckentnahmestelle verbunden ist, die am Verdichter selbst ausgebildet ist. Die Leckageleitung ist daher mit einem Druckraum des Verdichters selbst verbunden. Damit wird der besondere Vorteil erzielt, dass ein Anschluss an eine zusätzliche Druckeinheit oder eine anderweitige außerhalb des Verdichters angeordnete Druckentnahmestelle nicht erforderlich ist.
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Vielmehr ist die Leckageleitung ausschließlich innerhalb des Verdichters vom Leckageraum zu einer lokalen Unter- bzw. Überdruckstelle im Verdichter geführt.
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Vielmehr handelt es sich bei dem Verdichter um eine insgesamt vorgefertigte und anschlussfertige Baueinheit. Eine Saugleitung bzw. Druckleitung braucht lediglich noch an den dafür vorgesehenen Anschlussflanschen des Verdichters angeschlossen zu werden. Die Anschlussflansche sind dabei üblicherweise als Kupplungen, beispielsweise Schnellkupplungen an Anschlussstutzen ausgebildet.
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Durch diese Maßnahme wird daher vorteilhafterweise das zu pumpende Fluid nach Art eines Kreislaufs zwischen dem Verdichterraum und dem Leckageraum geführt. Bei Überdruckmaschinen wird durch geeignete Wahl des Unterdrucks im Leckageraum zudem vermieden, dass Umgebungsluft angesaugt wird. Umgekehrt wird bei Unterdruckmaschinen das zu pumpende Gas mit Überdruck in den Leckageraum eingepumpt, so dass das Eindringen von Umgebungsluft in den Leckageraum und von diesen in den Verdichterraum zuverlässig vermieden ist. Dabei wird in Kauf genommen, dass das zu pumpende Fluid in die Umgebung austritt, was bei nicht kritischen Gasen auch unbedenklich ist. Hierdurch wird zuverlässig eine Verunreinigung des zu pumpenden Gases vermieden.
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In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist die Druckentnahmestelle an einem der beiden Anschlussstutzen, insbesondere am Saugstutzen angeordnet und damit also insbesondere zwischen dem Verdichterraum und einem der beiden Anschlussflansche ausgebildet. Ergänzend ist in zweckdienlicher Ausgestaltung vorgesehen, dass der Anschlussstutzen eine definierte Querschnittsveränderung, insbesondere eine definierte Querschnittsverjüngung beispielsweise nach Art eines Venturi-Rohrs aufweist und dass die Druckentnahmestelle in den Anschlussstutzen an einer definierten Querschnittsposition, beispielsweise im Bereich des geringsten Strömungsquerschnitts, mündet. Durch diese Maßnahmen wird daher durch die spezielle Querschnittsgeometrie des Anschlussstutzens lokal aufgrund des strömenden Fluids an einer definierten Position ein lokaler Unterdruck erzeugt, der insbesondere zum Absaugen des Leckagefluids aus dem Leckageraum herangezogen wird.
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Im Hinblick auf eine konstruktiv möglichst einfache Ausgestaltung ist dabei die Druckentnahmestelle in einem als separaten Bauteil ausgebildeten Rohrstück ausgebildet, wobei dieses Rohrstück im Bereich des Anschlussstutzens insbesondere reversibel austauschbar ausgebildet ist. Gemäß einer ersten Variante ist das Rohrstück dabei insbesondere nach Art eines Adapterrings in den Anschlussstutzen eingesetzt ist. Das Rohrstück ist dabei mit seinen beiden Enden mit Teilstücken des Anschlussstutzens bzw. des Anschlussflansches verbunden. Alternativ bildet das Rohrstück mit dem Anschlussflansch eine einstückige Baueinheit, die am Gehäusedeckel befestigt ist. Dies erlaubt eine kostengünstige Fertigung von Verdichtern unterschiedlichen Typs nach Art eines modularen Konzepts, bei dem je nach Bedarf Verdichter mit und ohne diese hier beschriebene spezielle Ausgestaltung ausgebildet werden können. Zweckdienlicherweise erfolgt hierbei eine einfache, reversibel lösbare Befestigung, beispielsweise Schraubbefestigung.
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Gemäß einer alternativen zweiten Ausführungsvariante ist die Druckentnahmestelle im Verdichterraum, insbesondere im Seitenkanal eines Seitenkanalverdichters angeordnet. Die Ausgestaltung geht dabei von der Überlegung aus, dass sich innerhalb des Verdichterraums Druckunterschiede und teilweise auch lokale (Unter-)Druckstellen ausbilden, die sich als Druckentnahmestelle besonders eignen. Hierzu ist daher üblicherweise in der Gehäusewand, die den Verdichterraum begrenzt, eine Entnahmebohrung eingebracht, die ein zweites Leitungsende der Leckageleitung definiert.
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Die Dichtelemente unterliegen grundsätzlich einem Verschleiß und müssen im Laufe der Zeit regelmäßig ausgetauscht werden, um eine gewünschte Abdichtwirkung aufrecht zu erhalten. Der Austausch der Dichtungen ist dabei mit einem gewissen Zeitaufwand verbunden. Um diesen Zeitaufwand möglichst gering zu halten ist gemäß Anspruch 9 insbesondere als bevorzugte Weiterbildung vorgesehen, dass eine vorzugsweise als Dichtungshülse ausgestaltete Baueinheit angeordnet ist, die zumindest ein Dichtelement zur Abdichtung der Antriebswelle trägt, wobei diese Baueinheit ein reversibel befestigtes Austauschteil ist. Durch diese Maßnahme wird daher eine komplette Baueinheit bei der Wartung des Verdichters ausgetauscht, in der vorzugsweise die beiden axial beabstandeten Dichtelemente bereits vormontiert sind. Durch diese Maßnahme werden Montagefehler beim Einsetzen der Dichtelemente vermieden und der Austausch kann auch durch weniger geübtes Personal in kurzer Zeit vorgenommen werden. Dieser Aspekt der reversibel austauschbaren Dichtungshülse wird als ein eigenständig erfinderischer Aspekt angesehen. Die Einreichung einer Teilanmeldung hierauf bleibt vorbehalten.
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Entsprechend ist auch vorgesehen, eine derartige Dichtungshülse als Ersatz- oder Austauschteil bereitzustellen. Um eine zuverlässige Abdichtung auch nach einem Austausch der Dichtungshülse zu gewährleisten, unterscheiden sich die Dichtungshülsen, insbesondere die auszutauschende von der Ersatz-Dichtungshülse, in der Position der Dichtungselemente. Insbesondere derart, dass jedes der Dichtungselemente in seiner Axialposition bezüglich einer Grundstellung bei der auszutauschenden Dichtungshülse verschoben ist. Dadurch ist sichergestellt, dass die neuen Dichtungselemente der Ersatzhülse an verschiedenen axialen Positionen der abzudichtenden Welle anliegen, an denen eine hohe Oberflächengüte besteht und keine Einlaufrillen von den auszutauschenden Dichtungselementen vorliegen. Es wird also ein Satz von Dichtungshülsen ausgebildet, bei denen die Dichtungselemente an unterschiedlichen, leicht zueinander versetzten Axialpositionen vormontiert sind.
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Üblicherweise umfasst der Verdichter mehrere Gehäuseteile, die reversibel lösbar aneinander beispielsweise über Schrauben befestigt sind. Die Dichtungshülse ist nunmehr zweckdienlicherweise in einer Trennebene zwischen zwei Gehäuseteilen angeordnet und dabei an einem der beiden Gehäuseteile reversibel lösbar befestigt. Hierdurch ist eine einfache Zugänglichkeit der Dichtungshülse für einen schnellen Austausch ermöglicht.
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In zweckdienlicher Ausgestaltung weist die Dichtungshülse weiterhin eine radiale Bohrung in ihrer zylindrischen Mantelwand auf, die mit dem durch die Dichtungshülse gebildeten Leckageraum zwischen den beiden voneinander beanstandeten Dichtelementen verbunden ist. An dieser Bohrung ist bevorzugt die Leckageleitung angeschlossen. Diese Bohrung definiert ein erstes Leitungsende der Leckageleitung.
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Gemäß einem weiteren, von der Anordnung der Leckageleitung unabhängigen erfinderischen Aspekt ist anstelle des Absaugens eines eventuell in den Leckageraum eintretenden Leckagefluids die Einbringung eines hochviskosen Dichtmittels in den Leckageraum vorgesehen. Der Leckageraum wird dabei mit dem Dichtmittel, insbesondere ein Schmierfett, vorzugsweise vollständig angefüllt. Untersuchungen haben gezeigt, dass auch hierdurch eine effektive dauerhafte Abdichtung erzielbar ist.
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Bevorzugt ist auch bei dieser Ausgestaltung eine radiale Bohrung ausgebildet, die in den im Betrieb mit dem Dichtmittel angefüllten Leckageraum reicht. Die Bohrung dient insbesondere zum Nachfüllen (Nachfetten) nach einer gewissen Betriebszeit, um die Dichtwirkung zuverlässig aufrechtzuerhalten. Die Bohrung ist hierzu vorzugsweise reversibel, beispielsweise durch eine Verschlusskappe verschließbar und von außerhalb des Gehäuses für ein Nachfüllen zugänglich. Die Einreichung einer Teilanmeldung auf diesen Aspekt bleibt vorbehalten
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Pumpen eines insbesondere gasförmigen Fluides mit Hilfe eines derartigen Verdichters mit den Merkmalen des Anspruchs 12.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen:
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1 eine Seitenansicht eines Seitenkanalverdichters teilweise im Aufriss,
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2 eine Rückansicht auf den Seitenkanalverdichter gemäß 1,
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3 eine vergrößerte Darstellung des mit einem Kreis in 1 gekennzeichneten Bereichs sowie
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4 eine Schnittansicht gemäß der Schnittlinie IV-IV in 2.
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In den Figuren sind gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Der in den Figuren beispielhaft dargestellte Seitenkanalverdichter 2 umfasst einen elektrischen Antriebsmotor 4, dessen Motorwelle 6 im Ausführungsbeispiel über eine Kupplung/Getriebeeinheit 8 mit einer Antriebswelle 10 verbunden ist. Die Antriebswelle 10 ist über zwei insbesondere als Wälzlager ausgebildete Lagereinheiten 12 rotierbar gelagert. Im vorderen Bereich der Antriebswelle 10 ist mit dieser ein Laufrad 14 drehfest verbunden. Dieses weist umfangsseitig radial außen ausgebildete Laufschaufeln 16 auf, die in einem sogenannten einen Seitenkanal bildenden Verdichterraum 18 angeordnet sind. Der Verdichterraum 18 ist ringförmig mit einer in etwa ovalen Querschnittsfläche ausgebildet. Beidseitig der jeweiligen Laufschaufeln 16 ist ein seitlicher Freiraum (Seitenkanal) ausgebildet.
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Der Verdichterraum ist durch zwei entlang einer Trennebene getrennte Gehäuseteile gebildet, nämlich durch einen frontseitigen Verdichterdeckel 20 sowie durch ein sich daran in Axialrichtung anschließendes laufradseitiges Gehäuseteil 24. Diese ist wiederrum über Schrauben an ein motorseitiges Gehäuseteil 26 befestigt. Im Ausführungsbeispiel ist dieses durch ein Kupplungsgehäuse gebildet, welches wiederrum über eine Flanschverbindung an einem Motorgehäuse 28 befestigt ist.
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Wie aus der Rückansicht gemäß der 2 zu entnehmen ist, weist der Seitenkanalverdichter 2 an seiner vorderen Stirnseite zwei Anschlussstutzen auf, nämlich einen Saugstutzen 30A sowie einen Druckstutzen 30B. Stirnseitig enden diese jeweils in einem Anschlussflansch, nämlich in einem Saugflansch 32A sowie in einem Druckflansch 32B. An diesen Anschlussflanschen wird jeweils eine Druck- bzw. Saugleitung beispielsweise über eine Schraubbefestigung oder auch über eine Schnellkupplung reversibel lösbar angeschlossen.
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Im Betrieb rotiert das Laufrad 14 innerhalb des Verdichterraums 18 von dem Motor 4 angetrieben mit hoher Drehzahl in Drehrichtung 34 vom Saugstutzen 30A in Richtung zum Druckstutzen 30B.
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Wie insbesondere aus der vergrößerten Detaildarstellung gemäß 3 zu entnehmen ist, ist die Antriebswelle 10 mit Hilfe von zwei Dichtelementen, nämlich einem vorderen, zum Verdichterraum 18 orientierten Dichtelement 36A sowie einem rückwärtigen, zum Motor 4 orientierten Dichtelement 36B abgedichtet. Die beiden Dichtelemente 36A, B sind in Richtung der Wellenachse 22 zueinander axial beabstandet, so dass zwischen ihnen ein Leckageraum 38 gebildet ist, der in radialer Richtung begrenzt ist, so dass dieser einen abgeschlossenen Raum bildet. In diesen mündet lediglich eine oder eine gewisse Anzahl von Bohrungen, die ein erstes Leitungsende 42 einer in 3 nur angedeuteten Leckageleitung 44 bildet.
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Wie weiterhin aus der 3 zu entnehmen ist, sind die Dichtelemente 36A, B von einer separaten, als Dichtungshülse 46 ausgebildeten Baueinheit gehalten. Die Bohrung ist in einem Zylindermantelbereich der Dichtungshülse 46 eingebracht. Die Dichtungshülse 46 ist im Ausführungsbeispiel an dem motorseitigen Gehäuseteil 26 über einen flanschartigen Fuß mit Hilfe von Schrauben befestigt. Am gegenüberliegenden Ende umgreift die Dichtungshülse 46 einen Ringsteg 48 des laufradseitigen Gehäuseteils 24 insbesondere unter Einschluss eines O-Ringes.
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Die beiden Dichtelemente 36A, B sind an der Dichtungshülse 46 befestigt, die damit eine eigene Montagebaueinheit mit den vormontierten Dichtelementen 36A, B darstellt, um bei Bedarf ein schnellen Austausch der Dichtelemente 36A, 36B zu ermöglichen.
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Über die Leckageleitung 44 wird der Leckageraum 38 mit einem gewünschten, vorgegebenen Druck beaufschlagt, so dass ein unerwünschter Leckagestrom vom oder in den Verdichterraum 18 vermieden ist.
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Hierzu ist insbesondere vorgesehen, dass beim Betrieb über die Leckageleitung 44 ein Unterdruck am Leckageraum 38 angelegt wird, so dass evtl. über das vordere Dichtelement 36A aus dem Verdichterraum 18 in den Leckageraum 38 eintretendes Leckagefluid abgesaugt und nachfolgend wieder dem zu pumpenden Fluid innerhalb des Verdichters 2 zugeführt wird. Durch den Unterdruck liegt daher am Dichtelement 36A ein Druckgefälle von beispielweise 10 bis 20 mbar an.
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Hierzu ist allgemein die Leckageleitung 44 ausschließlich innerhalb des Verdichters, also innerhalb des Verdichtergehäuses zu einer geeigneten Druckentnahmestelle geführt, an der innerhalb des Verdichters ein geeigneter Unterdruck herrscht. Die Leckageleitung 44 kann dabei als ein flexibler, innerhalb des Verdichters 2 geführter Schlauch ausgeführt sein, der über Anschlüsse beispielsweise an der Bohrung angeschlossen ist. Alternativ oder ergänzend hierzu besteht auch die Möglichkeit, dass die Leckageleitung 44 durch in das Verdichtergehäuse beispielsweise durch Bohrungen eingebrachte Kanäle ausgebildet ist.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist die Leckageleitung 44 zu einer Druckentnahmestelle 50A am Saugstutzen 30A geführt, wie dies anhand 4 dargestellt ist. Der einen Strömungskanal für das Fluid bildende Saugstutzen 30A weist hierzu im Ausführungsbeispiel eine Querschnittsverjüngung auf. Durch eine weitere Bohrung ist ein zweites Leitungsende 52 der Leckageleitung 44 definiert. Die Mündungsstelle dieses zweiten Leitungsendes 52 befindet sich an der Position mit dem geringsten Querschnitt. In diesem Bereich herrscht aufgrund der Querschnittsverengung ein Unterdruck. Durch diese Maßnahme wird im Betrieb aus dem Leckageraum 38 ein Leckagefluid abgesaugt und wieder saugseitig dem Saugstutzen 30A zugeführt.
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Die zweite Bohrung 52 ist vorzugsweise innerhalb eines ringförmigen Rohrstücks 54, das nach Art eines Adapters ausgebildet ist, angeordnet. Das Rohrstück 54 ist dabei Teil des Saugstutzens 30A und zwischen zwei Teilstücken desselben insbesondere reversibel lösbar befestigt. Das Rohrstück 54 ist insbesondere unter Zwischenlage von Ringdichtungen 56 zwischen dem Saugflansch 32A und einem rückwärtigen Teil des Saugstutzens 30A angeordnet. Die Befestigung erfolgt beispielsweise durch Schrauben 58. Diese sind stirnseitig durch den Saugflansch 32A eingeführt und im hinteren Saugstutzenbereich in einem Gewinde eingeschraubt. Das Rohrstück 54 ist daher zwischen dem Saugflansch 32A und dem rückwärtigen Saugstutzenteil eingeklemmt.
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Gemäß einer alternativen zweiten Ausführungsvariante ist eine Druckentnahmestelle 50B unmittelbar im Verdichterraum 18 an einer hierzu geeigneten Stelle ausgebildet. Dies ist in 2 lediglich schematisch durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Hierzu ist vorzugsweise im laufradseitigen Gehäuseteil 24 an geeigneter Stelle ein Kanal eingearbeitet, der in den Verdichterraum 18 mündet und der somit das zweite Leitungsende 52 der Leckageleitung 44 bildet. Die Druckentnahmestelle 50B ist hierbei an einer geeigneten Position in der Wandung des Verdichterraums 18 angeordnet, wo sich im Betrieb eine geeignete, lokale Unterdruckstelle ausbildet.
