DE19651413C1

DE19651413C1 - Flügelzellenverdichter für Heißgas

Info

Publication number: DE19651413C1
Application number: DE1996151413
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Geus; Klaus Prof Dr Ing Lucas; Peter Dipl Ing Peters-Gerth; Ragnar Dipl Ing Warnecke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-12-11
Filing date: 1996-12-11
Publication date: 1998-06-25
Anticipated expiration: 2016-12-12

Description

Die Erfindung betrifft einen Flügelzellenverdichter, insbesondere für Heißgas. Trockenlaufende Flügelzellenverdichter werden in großem Umfang in vielen Bereichen der Technik eingesetzt. Sie haben sich besonders für die pulsationsfreie Verdichtung von Gasen mit Volumenströmen bis etwa 500 m³/h bewährt, wobei sie die Vorteile einer einfachen Funktionsweise, einer geringen Größe und eines geringen Gewichts besitzen. Die maximale Betriebstemperatur derzeitig vefügbarer trockenlaufender Flügelzellenverdichter liegt aufgrund der eingesetzten Werkstoffe und konstruktiver Randbedingungen unter 200°C.

Der beschriebene Verdichter erfüllt insbesondere die Aufgabe, einen heißen Gasstrom zu verdichten, wobei das Gas auch örtlich z. B. an kälteren Oberflächen nicht abkühlen darf, da dieses zu einer Belagbildung an den Oberflächen aufgrund von Kondensation schwerflüchtiger Gaskomponenten führen würde. Da es sich um einen geringen Volumenstrom handelt, kommt für diese Aufgabe nur ein Verdrängerverdichter in Frage, Turboverdichter sind hierfür nicht geeignet. Es wird das Funktionsprinzip eines Flügelzellenverdichters gewählt, da es sich durch die Einfachheit seiner Konstruktion auszeichnet. Als Vorteil des Flügelzellenverdichters gegenüber einem Hubkolbenverdichter ist außerdem der Verzicht auf Ventile, die aus oben erwähnten Gründen zur Vermeidung der Belagbildung auf der Oberfläche nicht gekühlt werden dürfen, und deren Steuerung zu sehen.

Für den Einsatz bei hohen Temperaturen ist nur ein trockenlaufender Verdichter geeignet. Um eine gute Funktionsfähigkeit des Verdichters zu gewähr leisten, sind die Spaltverluste zwischen den einzelnen Zellen des Verdichters zu minimieren. Spaltverluste treten insbesondere zwischen den Trennschiebern und den seitlichen Begrenzungsflächen des Verdichtungsraums auf. Bei der Verdichtung von heißen Gasen kommt es infolge der hohen Temperaturen im Verdichter zu Wärmedehnungen. Bei der Verwendung unterschiedlicher Materialien für einzelne Bauteile des Verdichters bilden sich entweder Spalte oder es treten Spannungen zwischen den Bauteilen auf. Es ist aus der DE 33 44 882 A1 bekannt, daß zur Vermeidung von Abnutzung und Festfressen des Mittelteils des Verdichtergehäuses mit einer Drehhülse das Mittelteil und die Drehhülse aus Materialien bestehen, die hinsichtlich ihres Wärmeausdehnungskoeffizienten einander ähnlich sind.

In der DE 26 00 972 A1, die einen trockenlaufenden Flügelzellenverdichter mit faserverstärkten Trennschiebern mit einem Kern aus Elektrographit zeigt, ist der unterschiedliche Wärmeausdehnungkoeffizient von Graphit und Stahl erwähnt. Aus der DE 85 34 211 U1 und der US 36 39 090 ist bekannt, daß zur Verbesserung der Förderleistung die Bildung von Spalten zwischen den Trennschiebern und den seitlichen Begrenzungsflächen des Verdichtungsraums durch die Verwendung zweigeteilter Trennschieber vermieden wird. Bedingt durch die Art der Konstruktion laufen beide Trennschiebertypen an den seitlichen Begrenzungsflächen des Verdichtungsraums an.

Bei dem hier vorgestellten Verdichter insbesondere für die Verdichtung von Heißgas befindet sich an den Innenseiten der Gehäusedeckel jeweils eine Deckelscheibe aus Elektrographit, so daß die seitlichen Begrenzungsflächen des Verdichtungsraums aus Elektrographit bestehen. Damit soll das Festfressen bei einer eventuellen Berührung von Rotor und seitlichen Begrenzungsflächen durch unterschiedliche Dehnungen von Gehäuse und Rotor infolge unterschiedlicher Temperaturen im Verdichter verhindert werden. Ein Anlaufen der Trennschieber aus imprägniertem Elektrographit an der Seitenfläche des Verdichtungsraums aus Elektrographit würde zu einem hohen Verschleiß an den Anlaufflächen führen. Der dabei entstehende Abrieb würde das zu verdichtende Prozeßgas verunreinigen und eine geringe Standzeit der Trennschieber und der Deckelscheiben zu folge haben. Ein Anlaufen der Trennschieber an den seitlichen Begrenzungsflächen des Verdichtungsraums ist deshalb zu vermeiden. Andererseits soll der Spalt zwischen Trennschiebern und seitlichen Begrenzungsflächen des Verdichtungsraums möglichst gering sein, um die Spaltverluste zu minimieren.

In Hinblick auf die oben geschilderten Gegebenheiten ist ein Flügelzellen verdichter zu entwerfen, der Heißgas funktionssicher verdichtet, wobei möglichst minimale Verunreinigungen in dem zu verdichtenden Gas entstehen.

Als Werkstoff für den Rotor und das Gehäuse wird eine hochwarmfeste Nickelbasislegierung verwendet, die bei hohen Temperaturen über gute Festigkeitswerte verfügt. Die Innenfläche des Zylindergehäuses weist zur Verminderung der Reibleistung und des Abriebs an den Trennschiebern eine Oberflächenrauhigkeit unter 1 µm auf. Für die Trennschieber eignet sich aufgrund der guten Temperaturbeständigkeit, der Trockenlaufeigenschaften und der Verschleißfestigkeit Elektrographit, der mit anorganischen Salzen imprägniert ist. Dieser Werkstoff ist in sauerstoffhaltiger Atmosphäre bis 650°C und in sauerstofffreier Atmosphäre bis 2500°C verwendbar.

Der Ausdehnungskoeffizient von Nickelbasislegierungen liegt im Temperaturbereich bis 900°C zwischen 16 . 10^-6K^-1 und 18 . 10^-6 K^-1. Der Ausdehnungskoeffizient des imprägnierten Elektrographits beträgt dagegen nur 4 . 10^-6 K^-1 bis 5 . 10^-6 K^-1. Die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten führen bei Verwendung von reinen Graphitschiebern während der Aufheizung des Verdichters zu Spalten von mehreren Millimetern Breite zwischen der seitlichen Begrenzung des Verdichtungsraums und den Trennschiebern, was aufgrund der Rückströmverluste eine Funktionsunfähigkeit des Verdichters zur Folge hätte.

Gelöst wird dieses Problem durch die Verwendung längsgeteilter Trennschieber. Ein Trennschieber besteht aus drei Teilen, einem Kern aus einem hochwarmfesten metallischen Werkstoff und zwei Elementen aus Graphitwerkstoff. Die Elemente aus Graphitwerkstoff sind jeweils an der sich berührenden Oberfläche mit einer zur Querachse unsymmetrisch und in Längsrichtung angeordneten Aussparung versehen, die zur Aufnahme des Metallkerns dient. Durch diese Kombination haben die Trennschieber die Trockenlaufeigenschaften des Graphitwerkstoffs und besitzen gleichzeitig das Wärmeausdehnungsverhalten des metallischen Werkstoffs des Kerns. Durch die Länge des Metallkerns und die Wahl des Metalls kann die Wärmeausdehnung des Trennschiebers variiert und der des metallischen Verdichtergehäuses genau angepaßt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1: einen Querschnitt durch das Verdichtergehäuse mit Rotor und Trennschieberanordnung,

Fig. 2: eine Längsansicht eines eingebauten Trennschiebers bei 20°C,

Fig. 3: einen Längsschnitt durch einen Trennschieber entlang der Linie I-I in Fig. 2 bei 20°C und 900°C,

Fig. 4: eine Vorderansicht des Flügelzellenverdichters,

Fig. 5: einen Längsschnitt durch den Flügelzellenverdichter entlang der Linie II-II in Fig. 4.

Der Flügelzellenverdichter, insbesondere für Heißgas weist ein rotationssymmetrisches Zylindergehäuse (10) auf, an dessen Enden sich zwei Gehäusedeckel (5) befinden. An den Innenseiten der Gehäusedeckel ist jeweils eine Deckelscheibe aus Elektrographit (13) eingelegt, die mit jeweils zwei Stiften (15) gegen Verdrehen gesichert ist. An den Gehäusedeckeln sind sechs über den Umfang gleichmäßig verteilte Pratzen (17) angeschweißt, die zur Verschraubung des Zylindergehäuses mit den Gehäusedeckeln durch Gewindestangen (6) dienen. Die Abdichtung zwischen Zylindergehäuse und Gehäusedeckeln erfolgt durch geeignete Dichtungen (18) aus Glimmer oder Graphit oder einem anderen für Hochtemperaturanwendungen geeigneten Dichtungswerkstoff, wobei bei Verwendung einer Graphitdichtung zu beachten ist, daß der Graphit bei hohen Temperaturen vor Oxidation durch den Sauerstoff der Umgebungsluft geschützt werden muß, beispielsweise durch die Beaufschlagung mit Stickstoff von außen.

Die Lagerung des Rotors (1), in dem sich fünf über den Umfang gleichmäßig angeordnete radial nach außen weisende Nuten für die Aufnahme der Trenn schieber (14) befinden, erfolgt im Ausführungsbeispiel durch Pendelrollenlager (3), jedoch können auch andere Wälzlager eingesetzt werden. Da die obere Verwendungstemperatur von metallischen Wälzlagern insbesondere aufgrund der Schmiermittel begrenzt ist, befinden sich die Lager außerhalb des Verdichter gehäuses. Die Außenringe der Pendelrollenlager sind in Lagerschilde (2) eingesetzt, wobei die Lagerschilde über jeweils drei Verbindungsbolzen (4) fest mit den Gehäusedeckeln (5) verbunden sind. Die Lager sind als Fest-Los-Lagerung angeordnet, um Spannungen aufgrund achsialer Wärmeausdehnung zu vermeiden. An den Innenseiten der Lagerschilde sind kreisrunde Bleche als Strahlungsschilde (11) angeschraubt, die einen großen Teil der Wärmestrahlung vom Verdichtergehäuse reflektieren.

Die Abdichtung des Rotors wird durch zwei Stopfbuchsen realisiert, die sich in den Gehäusedeckeln befinden und mittels einer Brille (7) und Verschraubungen (9) nachgestellt werden. Als Material für die Stopfbuchsenpackungen (8) werden Packungen aus Graphitfasern mit hitzebeständigen Imprägnierungen und Vollringe aus Graphit verwendet, die bei hohen Temperaturen mittels Stickstoffspülung von außen vor Oxidation durch den Luftsauerstoff der Umgebung geschützt werden können.

An den Innenseiten der Gehäusedeckel befindet sich jeweils eine Scheibe aus Elektrographit (13), die durch jeweils zwei Stifte (12) gegen Verdrehen mit den Gehäusedeckeln (5) verbunden ist. Ein- (15) und Auslaßkanal (16) sind radial verschoben im Zylindergehäuse angeordnet. Das Verdichtergehäuse ist mittels eines elektrischen Heizleiters, der um das zylindrische Gehäuse gewickelt wird, oder anderer Beheizungssysteme beheizbar. Die Isolierung kann mit Materialien aus hochwarmfesten Keramikfasern oder anderen hochwarmfesten Isolationsstoffen erfolgen, die von außen auf geeignete Art an das Verdichtergehäuse angebracht werden.

Bezugszeichenliste

1

Rotor

2

Lagerschild,

3

Pendelrollenlager

4

Verbindungsbolzen

5

Gehäusedeckel

6

Gewindestange

7

Stopfbuchsenbrille

8

Stopfbuchsenpackung

9

Verschraubung

10

Zylindergehäuse

11

Strahlungsschild

12

Stift

13

Deckelscheibe aus Elektrographit

14

Trennschieber, bestehend aus:

14

a Trennschieberelement mit Längsaussparung

14

b Trennschieberelement

15

Stift

16

Einlaßkanal

17

Auslaßkanal

18

Pratze

19

Dichtung

Claims

1. Flügelzellenverdichter insbesondere für Heißgas, mit einem rotations symmetrischen Zylindergehäuse (10) und einem dazu exzentrisch angeordneten drehbar gelagerten Rotor (1), in dessen radial oder radial verschobenen nach außen weisenden Nuten radial verschiebbare Trennschieber (14) angeordnet sind, wobei die Trennschieber aus mehreren einzelnen Elementen bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei erste Elemente (14a) jeweils in der sich gegenseitig berührenden Oberfläche eine oder mehrere zur Querachse unsymmetrisch und in Längsrichtung angeordnete Aussparungen besitzen, in der sich ein oder mehrere zweite Elemente (14b) befinden, die aus Materialien mit größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die Materialien der ersten zwei Elemente bestehen.

2. Flügelzellenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Elemente (14a) aus mit anorganischen Salzen imprägniertem Graphitwerkstoff bestehen, und das in den Aussparungen befindliche zweite Element (14b) aus einem hochwarmfesten metallischen Werkstoff besteht.

3. Flügelzellenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zylindergehäuse (5) und der Rotor (1) aus einer hochwarmfesten Nickelbasis legierung bestehen.

4. Flügelzellenverdichter nach Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand des Zylindergehäuses oberflächenbehandelt ist.