DE2230781C3

DE2230781C3 - Turbo compressor with recuperation turbine

Info

Publication number: DE2230781C3
Application number: DE19722230781
Authority: DE
Inventors: Hanns Hornschuch; Leroy M. Krouse
Original assignee: Ingersoll Rand Co
Current assignee: Ingersoll Rand Co
Priority date: 1971-07-02
Filing date: 1972-06-23
Publication date: 1980-11-27
Also published as: DE2230781B2; DE2230781A1; GB1343246A; SE383388B; FR2145181A5; CA976129A; IT974627B

Description

Die Erfindung betrifft einen Turboverdichter mit Rekuperationsturbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a turbo compressor with a recuperation turbine according to the preamble of Claim 1.

Turboverdichter mit jeweils einer Rekuperationsturbine sind beispielsweise aus CH-PS 2 10 878, CH-PS 21 649,CH-PS 2 13 987 und US-PS 11 10 864 bekanntgeworden. Die Rekuperationsturbine erlaubt dabei, auch bei geringer oder fehlender Entnahme von Druckluft aus dem Austrittskanal des Verdichters durch einen Verbraucher, einen Mindestdurchsatz durch den Verdichter zur Vermeidung des sogenannten Pumpens aufrechtzuerhalten, wobei ein Teil des durch den Verdichter aufzubringenden Energiebetrags von der Rekuperationsturbine geliefert wird.Turbo compressors, each with a recuperation turbine, are, for example, from CH-PS 2 10 878, CH-PS 21 649, CH-PS 2 13 987 and US-PS 11 10 864 become known. The recuperation turbine allows, even with little or no extraction of Compressed air from the outlet duct of the compressor through a consumer, a minimum throughput through the Compressor to avoid the so-called pumping, with part of the through the Compressor to be applied amount of energy is supplied by the recuperation turbine.

Selbstverständlich ist es bei Turbinen und Verdichtern erwünscht, günstige Strömungsverhältnisse herzustellen, damit ein möglichst hoher Wirkungsgrad unter allen Betriebsbedingungen erzielt wird. Von den obengenannten Schriften befassen sich die CH-PS 10 878, die CH-PS 2 13 987 und die US-PS 11 10 864 aber nicht mit dem Problem günstigerer Strömungsbedingungen. Gemäß der CH-PS 3 21 649 sollen zwar turbinenseitig Maßnahmen getroffen werden, die möglichst günstige Strömungsverhältnisse unter dem Gesichtspunkt höchstmöglicher Energieausnutzung ergeben. Die Auslaßöffnung der Turbine ist dort jedoch vom Verdichter völlig getrennt gehalten, sodaß sich aus dieser Schrift kein Hinweis darauf ergibt, daß sich durch die bauliche Zusammenfassung von Turbinen-Auslaßöffnung und Verdichter-Ansaugöffnung besonders günstige Strömungsbedingungen schaffen lassen.It goes without saying that with turbines and compressors it is desirable to produce favorable flow conditions, so that the highest possible efficiency is achieved under all operating conditions. Of the The above-mentioned documents deal with CH-PS 10 878, CH-PS 2 13 987 and US-PS 11 10 864 but not with the problem of more favorable flow conditions. According to CH-PS 3 21 649 should Turbine side measures are taken, the most favorable flow conditions under the Result from the point of view of the highest possible energy utilization. The turbine outlet is there, however kept completely separate from the compressor, so that there is no indication from this document that through the structural combination of turbine outlet opening and compressor intake opening is particularly favorable Allow flow conditions to be created.

Auch aus CH-PS 2 13 987 und US-PS 11 10 864 sind Hinweise auf eine besonders günstige strömungstechnisehe Anordnung von Turbinen-Auslaßöffnung und Verdichter-Ansaugöffnung nicht entnehmbar, obwohl beide Schriften die Wiedereinleitung des von der Turbinen-Auslaßöffnung abgegebenen Luftstroms in die Ansaugöffnung des Verdichters beschreiben. Dabei ist in US-PS 11 10 864 die Anordnung sogar so getroffen, daß das Turbinenlaufrad in der Ansaugöffnung des Verdichters liegtFrom CH-PS 2 13 987 and US-PS 11 10 864 there are indications of a particularly favorable flow technology Arrangement of turbine outlet opening and compressor intake opening not removable, although both documents the reintroduction of the air flow discharged from the turbine outlet opening into the Describe the intake opening of the compressor. In US-PS 11 10 864 the arrangement is even made so that the turbine wheel lies in the suction opening of the compressor

Der Erfindung Iisgt die Aufgabe zugrunde, optimale Strömungsbedingungen an der Ansaugseite des Verdichtere zu schaffen, wenn die Außlaßöffnung der Turbine mit der Ansaugöffnung des Verdichters verbunden istThe invention is based on the object of optimal To create flow conditions on the suction side of the compressor when the outlet opening of the Turbine is connected to the suction port of the compressor

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe in erster Linie durch die in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen. The invention solves the problem posed primarily by the measures specified in claim 1.

Der Vorteil dieser Ausbildung besteht darin, daß eine gegenseitige Störung der direkt von der Außenluft und der aus der Auslaßöffnung der Turbine in die Ansaugöffnung des Verdichters gelangenden Luftströ-The advantage of this training is that a mutual disturbance of the directly from the outside air and that from the outlet opening of the turbine into the Intake opening of the compressor

jo me weitgehend vermieden wird. Dabei lassen sich gleichzeitig auch die optimalen Anblaswinkel für den Verdichterläufer einhalten.jo me is largely avoided. At the same time, the optimal angle of attack for the Observe the compressor rotor.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt F i g. 1 schematisch die Anordnung der Hauptteile eines Gasverdichters einschließlich der Gasströmungswege; An embodiment of the invention is described below with reference to the drawing. It shows F i g. 1 schematically shows the arrangement of the main parts of a gas compressor including gas flow paths;

Fig.2 die erste Verdichtungsstufe des Gasverdichters in einem vergrößerten axialen SchnittFig. 2 the first compression stage of the gas compressor in an enlarged axial section

Ein zweistufiger Gasverdichter ist mit einem Luftfilter 12 ausgerüstet, das einen Gaseinlaß 14 für den Verdichter 16 der ersten Gasverdichtungsstufe umschließt Die zweite Gasverdichtungsstufe 18 des Verdichters weist einen Zwischenkühler 22 auf.A two-stage gas compressor is equipped with an air filter 12, which has a gas inlet 14 for the The compressor 16 of the first gas compression stage encloses the second gas compression stage 18 of the Compressor has an intercooler 22.

Weiterhin sind in das Aggregat zwei Nebelbeseitigungsvorrichtungen 26 und 26' (Fig. 1) eingebaut. Alle vorstehend genannten Teile werden durch ein Gehäuseteil 30 unterstützt, das auf seiner Rückseite einen nicht dargestellten Motor trägt, der die primäre Antriebsenergiequelle für den Verdichter 16 bildet.There are also two mist removal devices in the unit 26 and 26 '(Fig. 1) installed. All of the above parts are made by a housing part 30 supports, which carries on its back a motor, not shown, which is the primary drive energy source for the compressor 16 forms.

Der Verdichter 16 hat ein Gehäuseteil 36, das eine Ansaugöffnung 38 begrenzt In Strömungsrichtung hinter der Ansaugöffnung 38 ist ein Verdichterlaufrad 40 drehbar gelagert. Ein in dem Gehäuseteil 36 ausgebildeter Kanal 42 leitet das verdichtete Gas vom Verdichter 16 der ersten Stufe zu dem Zwischenkühler 22, von dem aus das verdichtete Gas durch die erste Nebelbeseitigungsvorrichtung 26 und danach durch die zweite Nebelbeseitigungsvorrichtung 26' strömt. VonThe compressor 16 has a housing part 36 which delimits a suction opening 38 in the direction of flow a compressor impeller 40 is rotatably mounted behind the suction opening 38. One in the housing part 36 Formed channel 42 directs the compressed gas from the first stage compressor 16 to the intercooler 22, from which the compressed gas passes through the first mist eliminator 26 and thereafter through the second mist removal device 26 'flows. from

ω der zweiten Nebelbeseitigungsvorrichtung 26' aus wird das gekühlte und entnebelte verdichtete Gas durch einen weiteren Kanal 44 zu einem Einlaßgehäuse 46 der zweiten Gasverdichtungsstufe 18 geleitet, zu der ein Verdichterlaufrad 48 gehört das in dem Einlaßgehäuse 46 drehbar gelagert ist, von dem aus ein weiterer, in dem Gehäuseteil 30 ausgebildeter Kanal 50 das verdichtete Gas über einen Auslaß 34 einem Verbraucher 52 zuführt. Der Motor treibt über eine Welle 58 und einω of the second mist eliminating device 26 'becomes off the cooled and de-misted compressed gas through a further channel 44 to an inlet housing 46 of the second gas compression stage 18, to which a compressor impeller 48 belongs that in the inlet housing 46 is rotatably mounted, from which a further, formed in the housing part 30 channel 50 the compressed Feeds gas to a consumer 52 via an outlet 34. The motor drives through a shaft 58 and a

Zahnradgetriebe 56 die Verdichterlaufrader 40 und 48 der beiden Verdichterstufen an.Gear train 56 the compressor impellers 40 and 48 of the two compressor stages.

Mit dem Verdichterlaufrad 40 des Verdichters 16 ist ein Turbinenlaufrad 60 drehfest verbunden, das in einem gondelartigen Gehäuseteil 62 arbehet, das in dem Gehäuseteil 36 durch Streben 64 starr unterstützt ist. Im Ausführungsbeispiel sind vier Streben 64 angenommen, doch könnte man auch eine andere Anzahl von Streben vorsehen. Gemäß Fig. 1 und 2 unterteilt ein Wandtefl 66 eine durch den Gehäuseteil 62 abgegrenzte innere Kammer 68. Zwei Zuleitungen 70 sowie zwei weitere Zuleitungen 72 erstrecken sich durch die Streben 64 und münden jeweils mit ihren einen Enden in der unterteilten Kammer 68 des Gehäuseteils 62 und mit ihren anderen Enden in zwei Kanälen 74 bzw. 76. In F i g. 1 ist jeweils nur eine Zuleitung jedes Paares von Zuleitungen 70 und 72 dargestellt. Die Kanäle 74 und 76 sind in dem Gehäuseteil 36 ausgebildet und an ihren entgegengesetzten Enden mit einem in dt ή verschiedene Stellungen bringbaren Ventil 80 verbunden. Das Ventil 80 kann entweder vollständig geschlossen oder halb geöffnet oder vollständig geöffnet sein; in jede dieser drei Stellungen wird das Ventil durch eine Bewegung einer Betätigungsstange 82 gebracht, um nach Bedarf einen Teil der dem ganzen zweistufigen Verdichter zugeführten Energie an seinem Auslaß 34 aus dem verdichteten Gas zurückzugewinnen. Zu dem Ventil 80 gehören gemäß F i g. t mehrere Abschnitte A, B, Cund D. Die Abschnitte A und Ä ermöglichen es, das Ventil zu schließen, während die Abschnitte C und D zum öffnen des Ventils dienen. Werden die Abschnitte A und B des Ventils 80 zur Wirkung gebracht, wird das Ventil vollständig geschlossen. Werden die Abschnitte B und C des Ventils 80 zur Wirkung gebracht, kann das Ventil bis zu 50% des am Auslaß 34 verfügbaren verdichteten Gases durchlassen und dieses Gas dem Turbinenlaufrad 60 zuführen. Diese Stellung des Ventils 80 ist in F i g. 1 gezeigt. Sind die Abschnitte Cund D des Ventils zur Wirkung gebracht worden, läßt das Ventil auch den noch verbleibenden Teil der ingesamt durch den Verdichter verdichteten Gasmenge zu dem Turbinenlaufrad 60 strömen.A turbine runner 60 is non-rotatably connected to the compressor impeller 40 of the compressor 16 and operates in a nacelle-like housing part 62 which is rigidly supported in the housing part 36 by struts 64. In the exemplary embodiment, four struts 64 are assumed, but a different number of struts could also be provided. According to FIGS. 1 and 2, a wall panel 66 divides an inner chamber 68 delimited by the housing part 62. Two feed lines 70 and two further feed lines 72 extend through the struts 64 and each open at one end into the divided chamber 68 of the housing part 62 and with their other ends in two channels 74 and 76, respectively. In FIG. 1, only one lead of each pair of leads 70 and 72 is shown. The channels 74 and 76 are formed in the housing part 36 and are connected at their opposite ends to a valve 80 which can be brought into different positions. The valve 80 can either be fully closed, or half-open, or fully open; The valve is brought into each of these three positions by movement of an actuating rod 82 in order, if necessary, to recover part of the energy supplied to the entire two-stage compressor at its outlet 34 from the compressed gas. The valve 80 according to FIG. t several sections A, B, C and D. Sections A and A allow the valve to be closed, while sections C and D serve to open the valve. When sections A and B of valve 80 are activated, the valve is fully closed. When sections B and C of valve 80 are activated, the valve can pass up to 50% of the compressed gas available at outlet 34 and deliver that gas to turbine runner 60. This position of the valve 80 is shown in FIG. 1 shown. If the sections C and D of the valve have been brought into effect, the valve also allows the remaining part of the total amount of gas compressed by the compressor to flow to the turbine impeller 60.

Der Auslaß 34 steht gemäß F i g. 1 in Verbindung mit einer den Druck fühlenden Vorrichtung 86 zum Betätigen des Ventils 80. Die Vorrichtung 86 ist mit der Betätigungsstange 82 des Ventils mechanisch verbunden. Ferner ist ein Anschlußstück 88 vorhanden, das eine Umgehungsleitung 90 mit dem Kanal 50 unr! dem Ventil 80 verbindet. Daher überwacht die den Druck fühlende und das Ventil betätigende Vorrichtung 86 ständig den in dem Kanal 50 herrschenden Gegendruck, um das Ventil 80 in Abhängigkeit von dem Gegendruck zu betätigen. Wird der Verbraucher 52 abgestellt, so daß sich im Kanal 50 ein höherer Gegendruck aufbaut, wird das Ventil 80 zunächst zur Hälfte und dann vollständig geöffnet, so daß das verdichtete Gas zum Turbinenlaufrad 60 zurückgeleitet wird. Wie bekannt arbeitet so der Verdichter stets in seinem Nennleistungsbereich, d.h. ein Pumpen wird vermieden, und die Entspannung des verdichteten Gases in der Turbine führt zu einer Rückgewinnung von Ener- VThe outlet 34 is shown in FIG. 1 in connection with a pressure sensing device 86 for Actuation of the valve 80. The device 86 is mechanically connected to the actuation rod 82 of the valve. There is also a connector 88 which connects a bypass line 90 to the channel 50! the valve 80 connects. Therefore, the pressure sensing and valve actuating device 86 continuously monitors the in the channel 50 prevailing back pressure to the valve 80 as a function of the back pressure actuate. If the consumer 52 is switched off so that a higher counterpressure builds up in the channel 50 the valve 80 is first half opened and then fully opened, so that the compressed gas to the turbine runner 60 is returned. As is known, the compressor always works in its nominal power range, i.e. pumping is avoided and the expansion of the compressed gas in the turbine leads to a Recovery of ener- V

Ist das Ventil 80 in der in F i g. 1 gezeigten Weise halb geöffnet, wird eine bis zu 50% betragende Teilmenge des insgesamt durch den Verdichter verdichteten Gases durch die Umgehungsleitung 90, den Abschnitt C des Ventils 80, den Kanal 74 und die beiden Zuleitungen 70 der einen Hälfte der Kammer 68 zugeführt, um von dort aus zu dem Turbinenlaufrad 60 zu gelangen.If the valve 80 is in the position shown in FIG. 1, half-opened, a partial amount of up to 50% of the total gas compressed by the compressor is supplied to one half of the chamber 68 through the bypass line 90, section C of the valve 80, the channel 74 and the two feed lines 70 from there to get to the turbine runner 60.

Ist das Ventü 80 vollständig geöffnet, kann auch die zweite Hälfte der verdichteten Gasmenge 80, den Kanal 76 und die beiden Zuleitungen 72 zu dem Gehäuseteil 62 gelangen und in die andere Hälfte der Kammer 68 einströmen. Somit ermöglicht das Ventil 80 eine stufenlose Regelung der Verdichteranlage.If the valve 80 is completely open, the second half of the compressed gas quantity 80, the channel 76 and the two feed lines 72 can also reach the housing part 62 and flow into the other half of the chamber 68. The valve 80 thus enables stepless regulation of the compressor system.

Gemäß F i g. 1 münden die Kanäle 74 und 76 in dem Ventil 80, während ihre anderen Enden gemäß F i g. 2 Kammern bilden, die konzentrisch zur Kammer 68 des Gehäuseteils 62 angeordnet sind. Diese Kammern bildenden Enden der Kanäle 74 und 76 sind als Aussparungen auf der Außenseite des Gehäuseteil 36 ausgebildeL Da sich die Zuleitungen 70 und 72 durch die Wände des Gehäuseteils 36 erstrecken, verbinden sie die innere Kammer 68 mit den Kanälen 74 und 76.According to FIG. 1 the channels 74 and 76 open into the valve 80, while their other ends according to FIG. 2 Form chambers which are arranged concentrically to the chamber 68 of the housing part 62. These chambers The ends of the channels 74 and 76 that form are cutouts on the outside of the housing part 36 Formed Since the leads 70 and 72 extend through the walls of the housing part 36, they connect the inner chamber 68 with the channels 74 and 76.

Gemäß F i g. 2 bildet ein Ende des Kanals 42 einen ringförmigen Austrittskanal, der konzentrisch zum Verdichterlaufrad 40 der ersten Stufe angeordnet ist. Das durch diese verdichtete Gas strömt innerhalb des Gehäuseteils 30 durch nicht dargestellte Kanäle zu dem Zwischenkühler 22 und dann nacheinander durch die Nebelbeseitigungsvorrichtungen 26 und 26'. Das gekühlte und entnebelte Gas strömt von der Nebelbeseitigungsvorrichtung 26' innerhalb des Gehäuseteils 30 nach oben und durch den Kanal 44, aer an seinem anderen Ende im Einlaßgehäuse 46 der zweiten Verdichterstufe mündet. Das verdichtete Gas wird dem Verdichterlaufrad 48 der zweiten Verdichterstufe zugeführt, um weiter verdichtet und dann dem abgegebenden Kanal 50 zugeführt zu werden. Gemäß Fig.2 verläuft der Kanal 50 quer zum Verdichter 16 der ersten Stufe oberhalb des Gehäuseteils 36.According to FIG. 2, one end of the channel 42 forms an annular outlet channel which is concentric to the Compressor impeller 40 of the first stage is arranged. The gas compressed by this flows within the housing part 30 through channels not shown to the intercooler 22 and then sequentially through mist eliminators 26 and 26 '. The cooled and defogged Gas flows from the mist removal device 26 'within the housing part 30 upwards and through the Channel 44, which opens at its other end in the inlet housing 46 of the second compressor stage. That condensed Gas is fed to the compressor impeller 48 of the second compressor stage in order to be further compressed and then to be fed to the dispensing channel 50. According to Figure 2, the channel 50 runs transversely to First stage compressor 16 above housing part 36.

Die beiden Einlasse zur Turbine der ersten Verdichterstufe, die durch die Zuleitungen 70 und 72 und die zugehörigen Teile der inneren Kammer 68 gebildet werden, sind parallel geschaltet und gleichachsig mit der Ansaugöffnung 38 angeordnet Daher wird das Gas dem Verdichterlaufrad 40 unter dem optimalen Anblasewinkel zugeführt, für den die Schaufeln dieses Laufrads konstruiert sind. Gemäß Fig.2 sind Leitschaufeln 96 vorhanden, die von radial nach innen in den Gehäuseteil 36 hineinragenden Rippen 94 getragen werden und dazu dienen, dem von einer ringförmigen Düse 92 und dem Turbinenlaufrad 60 abgegebenen Gasstrom die gewünschte Richtung zu geben und ihn dem Verdichterlaufrad 40 zuzuführen.The two inlets to the turbine of the first compressor stage, formed by the supply lines 70 and 72 and the associated parts of the inner chamber 68 are connected in parallel and arranged coaxially with the suction port 38. Therefore, the gas is the Compressor impeller 40 supplied at the optimum blow angle for which the blades of this impeller are constructed. According to FIG. 2, guide vanes 96 are present which extend radially inward into the housing part 36 protruding ribs 94 are carried and serve to the of an annular nozzle 92 and the Turbine impeller 60 given gas flow to give the desired direction and it to the compressor impeller 40 feed.

Gemäß F i g. 1 wird dem Zwischenkühler 22 ein Kühlmittel, z. B. Wasser, mit Hilfe einer Speiseleitung 110 zugeführt und aus dem Zwischenkühler durch eine Rohrleitung 112 abgeführt. In die Speiseleitung 110 ist ein Drosselventil 114 eingeschaltet, damit die Menge des dem Zwischenkühler je Zeiteinheit zugeführten Kühlmittels geregelt werden kann. Der Gaseinlaß des Zwischenkühlers ist mit einem Temperaturfühler 116 versehen, der die Gaseinlaßtemperatur überwacht und mit dem Drosselventil 114 gekuppelt ist, um die Kühlmittelzufuhr zu regeln. Diese Anordnung ist vorgesehen, um zu gewährleisten, daß der Zwischenkühler 22 ohne Rücksicht auf unterschiedliche Temperaturen des ihm zugeführten Gases so 3etrieben wird, daß das abgekühlte Gas mit einer bestimmten optimalen Te.nperatur abgegeben wird. Bei einem angenommenen Beispiel ist ein Zwischenkühler 22 vorhanden, durch den eine feste Gastemperatur von etwa 35° C aufrechterhalten wird.According to FIG. 1, the intercooler 22 is a coolant, for. B. water, with the help of a feed line 110 and discharged from the intercooler through a pipe 112. In the feed line 110 is a throttle valve 114 switched on, so that the amount of the intercooler supplied per unit of time Coolant can be regulated. The gas inlet of the intercooler is provided with a temperature sensor 116 provided, which monitors the gas inlet temperature and is coupled to the throttle valve 114 to reduce the To regulate the coolant supply. This arrangement is provided to ensure that the intercooler 22 is operated so that regardless of the different temperatures of the gas supplied to it the cooled gas is released at a certain optimal temperature. With an accepted For example, there is an intercooler 22 through which a fixed gas temperature of about 35 ° C. is maintained will.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

! .Turbo compressor with recuperation turbine, from whose compressor outlet channel is branched off a return line to the inlet side of the turbine, which in turn is attached to the compressor in such a way that the turbine wheel is in the suction opening of the Compressor lies, with the inlet side of the turbine against the suction opening of the compressor is delimited by a guide body, thereby characterized in that the inlet side of the turbine (92, 60) against the suction opening (38) of the The guide body delimiting the compressor (16) is designed as a gondola-like housing part (62) and is concentric to the suction opening (38) of the compressor (16) is arranged

2. Turbo compressor according to claim 1, characterized in that the nacelle-like housing part (62) encloses the turbine runner (60)

3. Turbo compressor according to claim 2, characterized in that the nacelle-like housing part (62) downstream of the turbine impeller (60) in the direction of flow and upstream of the compressor impeller (40) Enclosing guide vanes (96)

4. Turbo compressor according to claim 2 or 3, characterized in that feed lines (70, 72) to the nacelle-like housing part (62) at the same time struts (64) for supporting the nacelle-like housing part (62) are within the suction opening (38) of the compressor (16).

5. Turbo compressor according to one of claims 2-4, characterized in that the gondola-like The housing part (62) becomes an annular part upstream of the turbine impeller (60) in the direction of flow Narrowed nozzle (92)

6. Turbo compressor according to one of claims 1-5, characterized in that the gondola-like Housing part (62) with a housing part delimiting the suction opening (38) of the compressor (116) on the outside (36) is combined into one structural unit