DE2128217B2 - Mehrstufiger Verdichter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen mehrstufigen Verdichter mit mindestens zwei angetriebenen Stufen und einem zusätzlichen Antrieb durch eine Rekuperationsturbine, die durch einen Teil eines an der Stufe höheren Druckes anstehenden Strömungsmittels über Düsen beaufschlagbar ist.

Ein solcher mehrstufiger Verdichter ist aus der US-PS 1 110 864 bekannt. Bei ihm ist auf der Welle ein zusätzliches Turbinenlaufrad für die Rekuperation angeordnet, das längs seines Umfanges beschaufelt ist. Das Laufrad vergrößert die axiale Baulänge des Kompressors und muß bei Betrieb ohne Rekuperation mit gedreht werden.

Weiterhin ist ein einstufiger Verdichter bekannt (FR-PS 475 525), bei dem die Verdichterstufe von einer strömungsmittelbeaufschlagten Turbine angetrieben wird, deren Schaufeln längs des Umfanges des Verdichterrades derart angeordnet sind, daß Turbinen- und Verdichterfunktion voneinander getrennt sind.

Schließlich ist ein druckluftgetriebener Lüfter bekannt (DT-PS 271 478), bei dem Verdichter- und Turbinenrad zu einem einzigen Laufrad vereinigt sind, das aber in einem Verdichter bei Betrieb ohne Leistungskuperation einen sehr schlechten Wirkungsgrad aufweisen würde.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Verdichter der obengenannten Art zu schaffen, bei dem ein und dasselbe Laufrad für den Betrieb mit und ohne Rekuperation verwendbar ist, und zwar ohne große Verluste. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zumindest das Laufrad der ersten Stufe eine deckungsscheibenfreie Beschaufelung aufweist und die dem Laufrad zugeordneten Düsen das Strömungsmittel gegen die Schaufelspitzen dieses Laufrades lenken.

Somit sind die Turbinen- und Verdichterfunktion bei dem erfindungsgemäßen Laufrad nicht voneinander getrennt, so daß bei Betrieb des Laufrades ohne Rekuperation ein Wirkungsgrad erzielt wird, der dem beim Betrieb mit Rekuperation erreichbaren vergleichbar ist. Die Verkürzung der axielen Baulänge durch Verzicht auf ein zusätzliches Turbinenrad ist besonders bei einer einseitig gelagerten Verdichterwelle von Vorteil, da bei solchen Wellen bei zu großen Längen des nicht gelagerten Abschnittes und hohen Drehzahlen Schwierigkeiten auftreten können.

Das erfindungsgemäß ausgebildete Laufrad kann sowohl in einem Verdichter ohne Leistungsrekuperation als auch in einem für Rekuperation ausgelegten Verdichter verwendet werden. Wenn in dem Gehäuse eines zunächst für den Betrieb ohne Leistungskuperation vorgesehenen Verdichters der Rückkopplungskanal für die Zufuhr des an einer Stufe höheren Druckes anstehenden Strömungsmittels bereits ausgebildet ist, braucht nur noch der der ersten Stufe zugeordnete Radkranz mit Kanälen und Düseneinsätzen versehen zu werden, damit der Verdichter mit Leistungskuperation betrieben werden kann. Da es somit möglich ist, für Verdichter ohne und mit Rekuperation tinen Gehäusetyp zu verwenden, gestaltet sich die Herstellung der Verdichter sehr wirtschaftlich. Die Umrüstung eines ursprünglich für einen Betrieb ohne Leistungskuperation ausgelegten Verdichters ist sehr einfach und verursacht keine großen Kosten.

Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnungen näher beschrieben werden. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung eines mehrstufigen Verdichters,

F i g. 2 ein Strömungsschema des gasförmigen Strömungsmittels zwischen den Stufen des Verdichters und zugeordneten Zwischenkühlern,

F i g. 3 einen Längsschnitt des in F i g. 1 dargestellten Verdichters.

Bei dem in den F i g. 1 bis 3 dargestellten mehrstufigen Verdichter sind in einem Verdichtergehäuse 7 auf einer Welle 4 ein Laufrad 13 für die erste Stufe, ein Laufrad 14 für die zweite Stufe und ein Laufrad 15 für die dritte Stufe angeordnet. Das Laufrad 13 der ersten Stufe weist eine deckscheibenfreie Beschaufelung auf. Wie aus dem Strömungsschema gemäß F i g. 2 ersichtlich ist, durchläuft das eintretende Gas zunächst das Laufrad 13 und tritt dann in eine Zwischenkühlerkammer 11 ein, von dort strömt es in die zweite Stufe und wird einer zweiten Zwischenkühlerkammer 12 zugeführt, aus der es in die dritte Stufe eintritt. Das Verdichtergehäuse 7 ist zum Aufbau dieser Verbindungen mit verschiedenen Durchlässen versehen.

Der aus der Welle 4 und den Laufrädern 13. 14, IS aufgebaute Rotor ist in dem Verdichtergehäuse 7 fließend gelagert, so daß der Rotor beim Zusammenbau des Verdichters in der F i g. 3 von links in das Verdichtergehäuse 7 eingeschoben werden kann. Die den einzelnen Stufen zugeordneten Leitelemente 22, 25, 28 werden dann mittels Spannbolzen 34 starr mit dem Verdichtergehäuse 7 verbunden. Die in dem Verdichtergehäuse ausgebildeten Durchlaßkanäle stehen in Verbindung mit Ringkammern 38, 39, 40 und 41, die von den Außenflächen der Leitelemente 22, 25 und 28 gebildet werden. Weiterhin ist eine Auslaßringkammer 42 mit dem Au^c<rittsringraum der dritten Stufe verbunden.

Außer mit ^:-fr- -uslaß ist die Ringkammer 42 noch über einen in. -Vrdichtergehäuse 7 ausgebildeten Kanal mit eine ■ '· ^kammer in dem Leitelement 22 der ersten Stufe verbunden. Diese Ringkammer 47 ist über Verbindungskanäle mit einer Ringkammer 48 verbunden, die zwischen einem der ersten Stufe zugeordneten Radkranz 23 und dem Leitelement 22 ausgebildet ist.

Eine Vielzahl von Düsen 49 sind in den Radkranz 23 eingesetzt und durch diesen hindurchgeführt derart, daß sie das bei Betrieb des Verdichters in der Kammer 48 unter hohem Druck stehende Gas gegen die Schaufelspitzen des Laufrades 13 richten.

Der Ausgang des Laufrades der dritten Stufe ist über eine Rückkopplungsleitung 50 mit dem Laufrad der ersten Stufe verbunden, in der ein Ventil 51 liegt, wie es in der F i g. 2 dargestellt ist. Das Ventil 51 ist vorzugsweise ein auf Druck ansprechendes Ventil, d. h. ein Ventil, dessen Ventilkörper normalerweise durch eine

Feder in Schließstellung beaufschlagt ist, sich jedoch bei Überschreiten eines vorbestimmten Druckwertes öffnet und den Gasdurchsatz durch die Rückkopplungsleitung 50 hindurch gestattet. Das Ventil 51 kann auch über einen Magneten 52 unabhängig von dem in der Leitung 50 anstehenden Druck betätigt werden. Der Elektromagnet 52 ist vorzugswrse in solcher Weise mit dem Ventil 51 verbunden, daß der Elektromagnet im Normalbetrieb des Verdichters erregt ist und den Ventilkörper in der federbeaufschlagten ScMießstellung hält, so daß dann das Ventil als druckabhängiges Ventil arbeitet.

Beim Anlauf des Verdichters wird der Elektromagnet 52 selbsttätig stromlos gemacht, so daß das Ventil 51 in öffnungssteilung gehalten wird. Somi? wird der in der Ringkammer 42 herrschende Ausgangsdruck über die Rückkopplungsleitung 50 den Ringkammern 47 und 48 und dami. den Düsen 49 zugeführt, so daß unter hohem Druck stehende Gasstrahlen auf die äußeren Schaufelspitzen des Laufrades 13 gerichtet werden. Dann arbeitet das Laufrad 13 gleichzeilig als erste Stu fe des dreistufigen Verdichters und als Turbine, so daß eine Leistungsrekuperation erreicht wird. Somit wird zunächst der Druck am Auslaß des Verdichters verringert, während in der ersten Stufe Leistung auf Grund der Turbinenwirkung zurückgewonnen wird, so daß der Gesamtleistungsbedarf des Verdichters während des Anlaufs wesentlich verringert ist Da bei einem Antrieb im allgemeinen der größere Leistungsbedarf während des Anlaufs auftritt, ergibt sich bei diesem Verdichter der Vorteil, daß ein kleinerer und leistungsschwächerer Antrieb verwendet werden kann.

Während des normalen Betriebs des Verdichters ergeben sich Zeitspannen, in denen der Bedarf an verdichtetem Gas geringer ist oder zeitweise kein verdichtetes Gas benötigt wird. Dann steigt der Druck am Auslaß des Verdichters an. Das Stillegen und erneute Anlaufenlassen eines Verdichters zur Verhinderung eines derartigen Druckaufbaus während dieser Zeitspannen ist höchst unerwünscht, und es ist bekannt, einen solchen Druckanstieg durch auf Druck ansprechende Abblasvcntile zur freien Atmosphäre hin zu entlüften, um die Leistungsaufnahme des Antriebsmotors zu verringern. Bei dem neuen Verdichter aber öffnet sich bei einem Druckanstieg an der Auslaßseite das auf Druck ansprechende Ventil 51 und führt unter hohem Druck stehendes Gas vom Auslaß der dritten Stufe zur ersten Stufe, deren Laufrad wieder als Turbine wirken kann. Damit wird bei Teillast oder Nullast der Drucküberschuß zur Verringerung der zum Antrieb des Verdichters benötigten Gesamtleistung verwendet. Es wird also nicht nur der Leistungsbedarf in gleicher Weise wie bei einem Abblasventil verringert, sondern es erfolgt eine weitere Leistungsaufnahmeverringerung infolge der in der Turbine zurückgewonnenen Leistung.

Da zur Erzielung der Turbinenwirkung nur die Schaufelspitzen des Laufrades 13 verwendet werden, kann das Laufrad für Verdichterbetrieb mit hohem Wirkungsgrad ausgelegt sein. Entsprechend der bevorzugten Ausführungsform hat das Laufrad einen radial verlaufenden Einlaßrand, einen axial verlaufenden Auslaßrand und einen doppelt-gekrümmten Zwischenrand, der sich daraus ergibt, daß die entsprechenden Einlaß- und Auslaßränder in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sind. Bei dieser Schaufelformgebung verläuft der Spitzenabschnitt jeder Schaufel im allgemeinen radial und eignet sich in Verbindung mit der Düsenanordnung sehr gut als Turbinenschaufel.

Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip der Leistungsrekuperation läßt sich auf Verdichter beliebiger Stufenzahl anwenden, da die einzige Voraussetzung ist, daß verdichtetes Gas von einer höheren zu einpr niedrigeren Stufe zurückgeleitet wird. Dabei kann jede der beiden Stufen eine endständige Stufe oder eine in der Mitte des Rotors liegende Stufe sein; es sind auch Kombinationen möglich.

Das Laufrad 13 kann sowohl in einem Verdichter ohne Leistungsrekuperation als auch in einem für die Rekuperation ausgelegten Verdichter verwendet werden. Es kann also zunächst ein mehrstufiger Verdichter ohne Leistungsrekuperation an einen Kunden ausgeliefert werden, bei dem aber die für die Leistungsrekuperation erforderlichen Kanäle in den gegossenen Leitelementen und dem Gehäuse bereits ohne Aufpreis vorgesehen sind. Die Ausbildung dieser Kanäle in den Gußstücken behindert einen Verdichterbetrieb ohne Leistungsrekuperation nicht. Der Kunde hat aber die Möglichkeit, diese Standardausführung später auf Leistungsrekuperation umzustellen. Andererseits ist es möglich, daß ausgehend von der Standardausführung bereits im Werk der Verdichter Rr Leistungsrekuperation fertiggestellt werden kann. Damit ist eine wirtschaftliche Lagerhaltung im Werk möglich.

Im folgenden soll nun die Umrüstung der Standardausführung auf einen Betrieb mit Leistungsrekuperation beschrieben weiden. Auch bei der Standardausführung ist die ringförmige Auslaßkammer 42 der dritten Stufe durch den in dem Gußteil des Verdichtergehäuses 7 ausgebildeten Kanal über die Ringkammer 47 mit der Ringkammer 48 verbunden. Bei der Standardausführung wird also während des Betrebs auch die Ringkammer 48 mit unter hohem Druck stehendem Gas beaufschlagt, das jedoch aus der Ringkainmer nicht entweichen kann, so daß sich keine Auswirkungen auf die Ausgangsleistung des Verdichters ergeben. Zunächst werden von dem Bolzen 34 die Muttern 35 und die Beilagscheiben entfernt und das Leitelement 22 zusammen mit dem Radkranz 23 ausgebaut. Die Lagerung der Welle 4 oder der anderen Elemente des Rotors werden in keiner Weise berührt. Der Radkranz 23 wird entsprechend der F i g. 3 aufgebohrt und die Bohrungen werden mit den Düsen 49 bestückt, die einen konvergierenden Querschnitt aufweisen. Danach werden der Radkranz 23 und das Leitelement 22 wieder auf die Bolzen 34 aufgeschoben und danach die Muttern 35 aufgeschraubt und angezogen. Der beim Guß in dem Gehäuse 7 ausgebildete Kanal verbindet die Ringkammer 42 mit der Ringkammer 47. Zum Einsetzen des Ventils 51 ist dieser Kanal zugänglich, in dem entsprechende Einlaß- und Auslaßbohrungen und eine mittlere Stopfenbohrung angebracht werden, wobei mittels der Stopfenbohrung der Durchgang von Gas durch den Kanal gesperrt wird, während das Ventil 51 zwischen Einlaß- und Auslaßbohrung eingesetzt wird. Weiterhin kann die Standardausführung des Verdichters auch mit nur kurzen Kanälen in den Gehäuse 7 versehen sein, die bereits beim Guß ausgespart sind und jeweils in Verbindung mit den Ringkammern 42 und 47, jedoch nicht miteinander in Verbindung stehen. Bei dieser abgeänderten Ausführungsform besteht keine Verbindung zwischen den Kammern 42 und 47 in der Verdichterstandardausführung ohne Leistungsrekuperation. Die Anbringung des Ventils bei der Umstellung auf Leistungsrekuperation erfolgt dann in der Weise, daß diese Kanäle getrennt angebohrt werden und das Ventil zwischen diese Bohruneen eingesetzt wird. In

jedem Fall stellen die bereits beim Guß mit ausgebildeten Innenkanäle für die Leistungskuperation ein wichtiges Merkmal dar, so daß das Ventil 51 jederzeit zur Erfüllung seines vorstehend beschriebenen Einsatzzweckes eingebaut werden kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

542 i

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Mehrstufiger Verdichter mit mindestens zwei angetriebenen Stufen und einem zusätzlichen Antrieb durch eine Rekuperationsturbine, die durch einen Teil eines an der Stufe höheren Druckes anstehenden Strömungsmittels über Düsen beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest das Laufrad (13) der ersten Stufe eine deckscheibenfreie Beschaufelung aufweist und die dem Laufrad (13) zugeordneten Düsen (49) das Strömungsmittel gegen die Schaufelspitzen dieses Laufrades lenken.

   15