DE2128233B2 - Radialverdichter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Radialverdichter mit mehreren axial hintereinander angeordneten, jeweils einer Stufe zugeordneten Gehäuseringen, die zumindest teilweise die die Strömung zwischen den Laul'rädern führenden Kanäle bilden und von durch die Gehäuseringe durchgesteckten Befestigungsmitteln zusamimengehalten werden, und mit radial innerhalb der Gehäuseringe angeordneten, von den Befestigungsmitteln nicht erfaßten Leitkränzen, die jeweils an eine Stirnfläche eines Gehäuseringes in einer Richtung axial elastisch angedrückt sind.

In der DT-PS 7 44 266 ist eine Hochdruck-Gliederkreiselpumpe beschrieben, bei der die Laufräder, die Gehäuseringe und die Leitkränze in der oben angegebenen Weise angeordnet sind. Bei dieser bekannten Kreiselpumpe sind zwischen den Leitkrän- zen und den Gehäuseringen e'astische O-Ringdichtun- gen angeordnet, die in Reihe zu durch geschliffene Stirnflächen benachbarter Gehäuseringe gebildete Dichtstellen geschaltet sind, so daß die innerhalb des Gehäuses befindliche, unter hohem Druck stehende Flüssigkeit durch zwei hintereinander angeordnete Dichtstellen im Gehäuse zurückgehalten wird.

Die Leitkränze einer Kreiselpumpe nach der DT-PS 44 266 sind einstückig ausgebildet und lassen sich daher nicht einfach herstellen. Wird eine Kreiselpumpe zum Fördern von Flüssigkeit nach der DT-PS 7 44 266 als Radialverdichter zum Fördern gasförmigen Strömungsmittels verwendet, so können darüber hinaus infolge der Erwärmung des Strömungsmittels bein Verdichtungsvorgang temperaturbedingte Längenän derungen der Leitkränze zu einer unerwünschte! mechanischen Beanspruchung des Gehäuses führen, da aus den durch BefestigungsmitteSn zusammengehalte nen Gshäuseringen gebildet ist.

Durch die vorliegende Erfindung soll daher eii mehrstufiger Radialverdichter geschaffen werden, dei mehrteilige Leitkränze aufweist und bei dem tempera turbedingte Längenänderungen der Leitkranzteile nich auf die Gehäuseringe übertragen werden. Dies« Aufgabe ist erfindungsgemäß durch einen mehrstufer Radialverdichter nach Anspruch 1 gelöst.

Dadurch, daß ein Satz zusammengehöriger Leit kranzteile nur an seinem einen Ende an einen Gehäusering abgestützt ist, während sein anderes Ende unter axialem Abstand vom Gehäuse verschieblicl· angeordnet ist und das Andrücken des ersten Endes ir die zugeordnete Stirnfläche des abstützenden Gehäuse ringes sowohl durch Strömungsmitteldruck als auch durch elastische Vorspannung erfolgt, werden nicht nur thermische Längenausdehnungen der Leitkränze aufgenommen, die Lage der Leitkränze ist darüber hinaus auch im Betrieb eindeutig festgelegt. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Radialverdichters isi der, daß die Dichtringe nicht durch die Kräfte des auf die Leitkränze wirkenden Strömungsmitteldruckes belastet werden. Die jeweils paarweise einen Leitkranz bildenden Leitkranzteile lassen sich auf einfache Weise herstellen; hierbei etwa auftretende Fertigungstoleranzen können bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Leitkränze genauso aufgenommen werden, wie die im Betrieb auftretenden temperaturbedingten Längenänderungen.

Die Temperaturgradienten innerhalb eines mehrstufigen Radialverdichters sind in der Regel sehr groß, da die den Laufrädern benachbarten Leitkränze innen im Verdichter liegen und sehr schwierig zu kühlen sind. Da bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Leitkränze temperaturbedingte Längenänderungen derselben aufgenommen werden können, werden auch bezüglich der Anforderungen an die Kühlung der Leitkränze Vorteile erhalten.

Bei einem erfindungsgemäßen Radialverdichter sind auch Abweichungen in den axialen Abmessungen eines Satzes von Leitkranzteilen, seien diese auf Temperatureinflüsse oder Fertigungstoleranzen zurückzuführen, ohne Einfluß auf die Lage der Leitkranzleile anderer Sätze.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 2' wird auf einfache Weise das Andrücken der Sätze von Leitkranzteilen an die zugeordnete, sie abstützende Stirnfläche erhalten. Bei stehendem Radialverdichter sorgen somit O-Ringe für eine wohldefinierte Lage der Leitkranzteile, während bei laufendem Radialverdichter Kolbenflächen darstellende Oberflächen der Leitkranzteile zusätzlich mit dem Druck des geförderten Strömungsmittels derart beaufschlagt sind, daß die Leitkranzteile noch stärker an die abstützende Stirnfläche des zugeordneten Gehäuseringes angedrückt werden.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 3 wird eine besonders kurze axiale Baulänge des Verdichters erhalten. Dies ist insbesondere bei überhängend angeordneten Radialverdichtern von Vorteil, da bei diesen üblicherweise die maximale Drehzahl durch

den sogenannten Peitscheneffekt (Ausknicken des freien Endes des Läufers aus der Achse der Antriebswelle) begrenzt ist, der mit wachsender axialer Abmessung des Radialverdichters zunimmt

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert In dieser zeigen

Fig. 1 den Strömungsweg durch einen schematisch dargestellten dreistufigen Radialverdichter gemäß der vorliegenden Erfindung, und ,

Fig-2 einen axialen Schnitt durch einen erfindungs- «mäßen Radialverdichter mit drei Stufen.

Der in der Zeichnung gezeigte dreistufige Radialverdichter weist drei Laufräder 13, 14, 15 für die erste, zweite bzw. dritte Verdichterstufe auf. Die Laufräder sind von einer Welle 4 getragen, die drehbar in einem Gehäuseteil 6 gelagert ist. Der Antrieb der Welle 4 und der Laufräder 13, 14, 15 erfolgt über ein Vorgelege 5 und eine mit einem nicht dargestellten Antriebsmotor verbundene Welle 3.

Das von der ersten Verdichterstufe abgegebene Strömungsmittel strömt durch einen Zwischenkühler 11, bevor es in die zweite Verdichterstufe eintritt; entsprechend ist zwischen der zweiten und der dritten Verdichterstufe ein zweiter Zwischenkühler 12 angeordnet.

Ein vorderes Gehäuseteil 7 aus Gußstahl weist eine zur Achse der Welle 4 koaxiale zylindrische Bohrung 16 auf. Im vorderen Gehäuseteil 7 sind beim Gießen Strömungsmittelkanäle 18, 19, 20 und 21 ausgebiluet. Über den Strömungsmittelkanal 18 gelangt das Strömungsmittel von der ersten Verdichterstufe zum Zwischenkühler 11, über den Strömungsmittelkanal 19 wird abgekühltes Strömungsmittel vom Zwischenkühler

11 der zweiten Verdichterstufe zugeführt, über den Strömungsmittelkanal 20 gelangt das Strömungsmittel von der zweiten Verdichterstufe zum Zwischenkühler

12 und wird dann über den Strömungsmittelkanal 21 der dritten Verdichterstufe zugeführt.

Die erste Verdichterstufe weist einen Gehäusering 22, ein Einlaßleitkranzteil 23, ein Auslaßleitkranzteil 24 und das Laufrad 13 auf. Zur zweiten Verdichterstufe gehört neben dem Laufrad 14 ein Gehäusering 25, ein Einlaßleitkranzteil 26 und ein Auslaßleitkranzteil 27. Die dritte Verdichterstufe weist einen Gehäusering 28, ein Einlaßleitkranzteil 29, ein Auslaßleitkranzteil 30 und das Laufrad 15 auf. Die Gehäuseringe sind jeweils ein einstückiges Stahlgußteil, während die Einlaßleitkranzteile und Auslaßleitkranzteile jeweils ein einstückiges Aluminiumgußteil sind. Die Gehäuseringe 22,25 und 28 weisen eine zylindrische Außenfläche auf, die direkt an der zylindrischen Bohrung 16 des vorderen Gehäuseteiles 7 anliegt.

Das hintere Gehäuseteil 6 des Verdichtergehäuses weist auf der den Laufrädern und Leitkränzen zugewandten Seite eine zylindrische Ausnehmung 31 auf, die glatt in die zylindrische Bohrung 16 des vorderen Gehäuseteiles 7 übergeht. Die zylindrische Außenfläche des Gehäuseringes 25 berührt sowohl die zylindrische Bohrung 16 als auch die zylindrische Ausnehmung 31 und sorgt so für eine genaue Ausrichtung der durch die Gehäuseringe und die an ihnen abgestützten Leitkranzteile gebildeten Trommelanordnung bezüglich des hinteren Gehäuseteiles. Damit ist auch die Lage der Welle 4, d. h. des Läufers des Verdichters bezüglich des Verdichtergehäuses und der Leitkranzteile genau festgelegt. Die Lagerung der Welle 4 im hinteren Gehäuseteil 6 erfolgt über ein Radiallager 32 und ein kombiniertes Radial-Axiallager 33. Über diese Lager ist der durch die Welle 4 und die Laufräder 13,14 und 15 gebildete Läufer des Verdichters freitragend, d.h. in überhängender Lage gelagert Der Läufer kann beliebigen starren Aufbau aufwehen, vorzugsweise sind jedoch zwischen den Laufrädern und zwischen dem Laufrad 14 der zweiten Stufe und dem Radiallager 32 Labyrinthdichtungen auf der Welle 4 vorgesehea

Beim Zusammenbau der Trommelanordnung werden deren Bestandteile außerhalb des Verdichtergehäuses zusammengebaut und dann in der Zeichnung von links in die Gehäuseteile 6 und 7 hineingeschoben. Dann werden die Gehäuseringe 22, 25 und 28 unter Verwendung von Spannbolzen 34 starr mit dem Gehäuseteil 6 verbunden. Das hintere Gehäuseteil 6 steHi somit das Bezugselement für die axiale Lage der Bauteile dar, wobei das kombinierte Radial-Axiallager 33 den axialen Bezugspunkt für den Läufer und eine Stirnfläche 35 des Gehäuseteiles 6 den axialen Bezugspunkt für die Gehäuseringe darsteift. Da das Gehäuseteil 6 ein einstückiges Gußteil ist, ist der axiale Abstand zwischen dem durch das Radial-Axiallager 33 gegebenen Bezugspunkt und dem durch die Stirnfläche 35 gegebenen Bezugspunkt fest vorgegeben und läßt sich genau bestimmten. Eine Akkumulation von Toleranzen in Axialrichtung im stationären Teil des Verdichters tritt somit nur ausgehend von der Stirnfläche 35 in der Zeichnung nach links und nur bezüglich der drei Gehäuseringe 22, 25 und 28 auf, die unmittelbar aneinanderliegend verspannt sind.

Die Einlaßleitkranzteile 23, 26 und 29 und die Auslaßleitkranzteile 24, 27 und 30 sind in radialer Richtung in den Gehäuseringen geführt; in axialer Richtung liegen sie nur auf einer Seite an den Gehäuseringen an, wodurch ihre axiale Lage vorgegeben ist. In entgegengesetzter axialer Richtung ist dagegen ein axiales Spiel vorgesehen, so daß sich die Leitkranzteile dort bezüglich der Gehäuseringe bewegen können. Eine freie axiale Beweglichkeit der Leitkranzteile wird aber durch in axialer Richtung zusammengedrückte Dichtungen in Form von O-Ringen 36, 37 und die Druckbeaufschlagung der dem gepumpten Strömungsmittel ausgesetzten Oberflächen der Einlaßleitkranzteile und Auslaßleitkranzteile verhindert. Der O-Ring 36 übt auf das Einlaßleitkranzteil 23 eine in F i g. 2 nach rechts gerichtete axiale Kraft aus und drückt so indirekt auch das Auslaßleitkranzteil 24 nach rechts. Hierdurch werden das Einlaßieitkranzteil 23 und das Auslaßleitkranzteil 24 fest an den Gehäusering 28 angedrückt. Der O-Rir.g 37 übt ähnlich auf das Einlaßleitkranzteil 29 eine in F i g. 2 nach rechts gerichtete axiale Kraft aus und drückt über das Einlaßieitkranzteil 29 indirekt auch die in axialer Richtung dahinter liegenden Leitkranzteile 30, 27 und 26 in der Zeichnung nach rechts und in Anlage an den Gehäusering 25.

Wie aus F i g. 2 ersichtlich ist, weist das Einlaßieitkranzteil 23 eine große, nach links weisende Oberfläche auf, die dem von der ersten Verdichterstufe abgegebenem und unter hohem Druck stehenden Strömungsmittel ausgesetzt ist. Durch diese Druckbeaufschlagung wird eine in der Zeichnung nach rechts gerichtete axiale Kraft erzeugt, die größer ist als die nach links gerichtete axiale Kraft, die durch die Druckbeaufschlagung der nach rechts weisenden Oberfläche des Einlaßleitkranzteiles 23 erhalten wird; denn bei der nach rechts weisenden Oberfläche strömt das vom Laufrad 13 abgegebene Strömungsmittel unter hoher Gescnwin-

digkeit und niederem Druck durch die Schaufeln des Auslaßleitkranzteiles 24. Beim Auslaßleitkranzteil 24 ist im wesentlichen nur die nach links weisende Oberfläche unter Druck stehendem Strömungsmittel ausgesetzt, so daß auf das Auslaßleitkranzteil 24 insgesamt eine nach rechts gerichtete Kraft ausgeübt wird.

Beim Einlaßleitkranzteil 29 erhält man ein ähnliches Ergebnis wie beim Einlaßleitkranzteil 23; die erhaltene Kraft ist jedoch wesentlich kleiner, da die linke Oberfläche des Einlaßleitkranzteiles 29 mit dem Druck des in der ersten Verdichterstufe befindlichen Gases beaufschlagt ist. Insgesamt wird auch hier eine in der Zeichnung nach rechts gerichtete Gesamtkraft in axialer Richtung erhalten. Das Auslaßleitkranzteil 27 und das Auslaßleitkranzteil 30 haben zusammen einander gegenüberliegende Oberflächen, die dem von der zweiten Verdichterstufe bzw. dem von der dritten Verdichterstufe abgegebenen Gas ausgesetzt sind. Dabei überwiegt die Druckbeaufschlagung durch das von der dritten Verdichterstufe abgegebene Gas, und man erhält insgesamt eine nach rechts gerichtete Gesamtkraft.

Das Einlaßleitkranzteil 26 hat nur eine verhältnismäßig kleine dem in die zweite Verdichterstufe eintretenden gasförmigen Strömungsmittel ausgesetzte Oberfläche, was auf die Ausbildung des Gehäuseringes 25 zurückzuführen ist. Dagegen ist seine gesamte vordere Stirnfläche dem das Laufrad 14 und die Schafein des Auslaßleitkranzteiles 27 durchströmenden Gas ausgesetzt. Damit wird auch hier wiederum eine in der Zeichnung nach rechts gerichtete Gesamtkraft erhalten.

Wo dies zum Abdichten erforderlich ist sind zwischen einander benachbarten Oberflächen weitere O-Ringe vorgesehen, die in der Zeichnung nicht mit Bezugszeichen versehen sind oder ganz weggelassen sind. Diese zusätzlichen O-Ringe tragen jedoch nicht dazu bei, die Einlaßleitkranzteile und Auslaßleitkranzteile in der oben beschriebenen Art und Weise in axialer Richtung gegen die Stirnfläche eines zugeordneten Gehäuseringes zu drücken. Die durch die Druckbeaufschlagung und durch die in axialer Richtung zusammengedrückten O-Ringe 36 und 37 erhaltenen axialen Kräfte sind gleichermaßen in der Zeichnung nach rechts gerichtet und ergänzen sich in gewissem Sinne gegenseitig: Bei abgeschaltetem Verdichter und in der Anlaufphase werden die Einlaßleitkranzteile und Auslaßleitkranzteile durch die von den O-Ringen 36 und 37 erzeugten Kräfte in ihre richtige Lage gedrückt, während bei hohen Drehzahlen des Verdichters die durch die Druckbeaufschlagung erhaltenen axialen Kräfte vorherrschen.

Wie aus F i g. 2 ersichtlich ist, stehen die Strömungsmittelkanäle 18,19,20 und 21 jeweils in Verbindung mit einer von vier Ringkammern 38,39,40 and 41, die durch nach außen offene Ringnuten auf den Außenflächen der Gehäuseringe 22, 25 and 28 and durch diesen gegenüberliegende, nach innen offene Ringnuten in der zylindrischen Bohrung 16 begrenzt sind. Die in axialem Abstand angeordneten Ringkammern sind z. B. durch nicht dargestellte O-Ringe gegeneinander abgedichtet Die Gehäusermge 22,25 and 28 sind schon beim Guß so geformt daß die Oberflächen benachbarter Gehäuseringe zwischen den Ringkammem 38,39 und 40 und den entsprechenden Einlassen und Auslässen der Verdichterstufen vertaufende Durchlaßkanäle für das zu verdichtende Strömungsmittel begrenzen. Der Auslaß der dritten Verdichterstufe ist fiber den durch die Gehäuseringe 25 und 28 begrenzten Durchlaßkanal mit einer Ringkammer 42 verbunden, welche durch einander gegenüberliegende Ringnuten im Gehäusering 25 und dem Gehäuseteil 7 gebildet ist. Von der Ringkammer 42 strömt das unter hohem Druck

S stehende verdichtete Gas zu einem in der Zeichnung nicht gezeigten Auslaß und von dort zu einem Vorratsbehälter oder einem Verbraucher. Das verdichtete Gas kann ferner von der Ringkammer 42 über einen nicht gezeigten axialen Strömungsmittelkanal zu einer

to Ringkammer 47 strömen, die durch im Gehäuseteil 7 und der Außenfläche des Gehäuseringes 22 ausgebildete Ringnuten begrenzt ist. Von der Ringkammer 47 gelangt das unter hohem Druck stehende Strömungsmittel in eine weitere Ringkammei 48, die zwischen dem

is Einlaßleitkranzteil 23 und dem Gehäusering 22 liegt. Falls erwünscht kann durch das Einlaßleitkranzteil 27 ein als Düse ausgebildeter Kanal durchgeführt sein, über den verdichtetes Gas aus der Ringkammer 48 zu den Schaufelspitzen des Laufrades 13 strömen kann, um bei Betrieb des Verdichters unter Teillast den Drucküberschuß zur Leistangswiedergewinnung zu verwenden, wobei die erste Verdichterstufe auch als Turbine arbeitet Aus den vorstehenden Ausführungen ist ersichtlich, daß bei einem solchen Radialverdichter die durch Gehäuseringe, Leitkranzteile und Läufer gebildete Trommelanordnung leicht aus dem Verdichtergehäuse ausgebaut werden kann. Damit können die Leitkranzteile leicht gewartet repariert und ausgetauscht werden.

Da die Leitkränze aus einzelnen Leitkranzteilen bestehen, ist die Ausbildung der innen liegenden Strömungskanäle beim Gießvorgang sehr einfach, die Herstellungskosten lassen sich senken, der Austausch von Leitkranzteilen ist einfach und der Verdichter läßt sich einfach auf Leistungsrekuperation umstellen. Diese Vorteile werden erhalten, ohne daß die Nachteile der Akkumulation von Fertigungstoleranzen und auf temperaturbedingten Längenänderungen beruhender mechanischer Beanspruchungen in Kauf genommen werden müssen. Auch bei der Abdichtung der Verdichterbauteile gegeneinander und bei der Ausrichtung der Verdichterbauteile treten keine Schwierigkeiten auf. Da temperaturbedingte Längenänderungen kein Problem mehr darstellen, können die Einlaßleit kranzteile und die Auslaßleitkranzteile, die sich in unmittelbarer Nähe der Laufräder befinden und schwer zu kühlen sind, aus leichten Materialen wie. z. B. Aluminium hergestellt werden, obwohl dieses einen großen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist

Diese Vorteile werden dadurch erhalten, daß die Etniaßleitkranzteile und Auslaßleitkranzteile unter Beiassung eines axialen Spiels zwischen den Gehäuseringen gelagert sind. Dieses axiale Spiel wird insbesondere für die Anlaufphase durch in axialer Richtung zusammengedrückte O- Ringe aufgenommen, die zudem der Abdichtung dienen. Sobald sich innerhalb des Verdichters ein Druck aufgebaut hat werden die Einlaßleitkranzteile und Auslaßleitkranzteile in der oben beschriebenen Art und Weise durch das

te verdichtete Strömungsmittel dicht und fest in die richtige Lage gedrückt Hierdurch wird zweien eine proportional zum Strömungsmitteldruck zunehmende Verbesserung der Abdichtung zwischen Leitkranzteilen und Gehiuseringen erreicht

6s Die genaue Ausrichtung der Verdichterbauelemente wird durch die teleskopisch ineinander greifenden Ringflächen zwischen Gehäuseteilen, Gehäuseringen, Einlaßleitkranzteilen und Auslaßleitkranzteilen erhal-

ten. Die zylindrische Bohrung des aus einem Stück bestehenden Gehäuses gibt über das Eingreifen von Gehäuseringen und Verdichtergehäuse den primären radialen Bezugspunkt für die Verdichterbauteile vor. Der Bezugspunkt für die axiale Lage des Läufers liegt am am weitesten hinten liegenden Ende desselben und ist durch das kombinierte Radial-Axiallager vorgegeben. Hierdurch wird für temperaturbedingte Längenän-

derungen des Läufers ein zusätzlicher Abschnitt erhalten, auf dem sich der Läufer bei Temperaturerhöhung stärker ausdehnt als das verhältnismäßig kühle unc massive Gehäuseteil 6; damit kann die verhältnismäßig hohe temperaturbedingte Längenänderung ausgeglichen werden, die bei den aus Aluminium gefertigter Gehäuseringen, Einlaßleitkranzteilen und Auslaßleit kranzteilen auftreten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Mehrstufiger Radialverdichter mit mehreren axial hintereinander angeordneten, jeweils einer s Stufe zugeordneten Gehäuseringen, die zumindest teilweise die die Strömung zwischen den Laufrädern führenden Kanäle bilden und von durch die Gehäuseringe durchgesteckten Befestigungsmitteln zusammengehalten werden, und mit radial innerhalb der Gehäuseringe angeordneten von den Befestigungsmitteln nicht erfaßten Leitkränzen, die jeweils an eine Stirnfläche eines Gehäuseringes in einer Richtung axial elastisch angedrückt sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Leitkränze aus i:wei in einer Radialebene geteilten Leitkranzteilen (23, 24; 26,27; 29,30) besteht; daß jeweils ein Satz aus axisl aneinander anliegenden Leitkranzteilen (23,24; 26,27,29,30) mit seinem einen axialen Ende an der zugeordneten Stirnfläche anliegt und an zo seinem anderen axialen Ende axialen Abstand vom Gehäusering (22, 28) aufweist; und daß die Leitkranzteile eines jeden Satzes (23,24; 26, 27, 29, 310) im Betrieb elastisch und zusätzlich durch Strömungsmitteldruck an die zugeordnete Stirnfläehe angedrückt sind.

2. Radialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum elastischen Andrücken der Sätze von Leitkranzteilen an die zugeordnete Stirnfläche zusammendrückbare O-Ringe (36, 37) vorgesehen sind.

3. Radialverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitkranzteile (26 bis 29) zweier aufeinanderfolgender Stufen des Verdichters aneinander anliegen und an derselben Stirnfläche abgestützt sind.