DE2541715C3 - Turbokompressor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Turbokompressor mil mehrstufiger Verdichtung und Rückkühlung nach der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Gattung.

Es ist bereits ein als kompaktes Aggregat ausgebildeter dreistufiger Kreiselverdichter der angegebenen Gattung bekannt (DD-PS 25 389), bei dem zur Erzielung eines möglichst geringen Baugewichtes und eines geräuscharmen Lautes die einzelnen Verdichterstufen im Innenraum eines zylindrischen Kühlergehäuscs angeordnet sind. Die drei Lauf- bzw. Schaufelräder der einzelnen Verdichlcrstufen-sind auf einer durchgehenden Welle aufgezogen, die durch einen beliebigen Motor außerhalb des Verdichters angetrieben wird. Konzentrisch /ur Verdichtcrwellc sind drei Kühlcrgruppen angeordnet, die zwischen der ersten und der zweiten, bzw. der zweiten und der dritten Stufe als Zwischenkühler in die Gasführung eingeschaltet sind. Obgleich durch diese konzentrische Anordnung der verschiedenen Kühler der Turboverdichter bei verminderten Laufgeräuschen kompakter als herkömmliche, gesonderte äußere Zwischenkühler aufweisende Aggregate ist, ergeben sich insbesondere bei seiner Auslegung für hohe Leistungen relativ große Strömungs- bzw. Druckverluste der Gase beim Durchströmen der konzentrisch übereinander angeordneten Ringräume, die durch die relativ großen angeströmten Flächen verursacht werden. Eine Verminderung dieser Druckverluste hätte bei diesem bekannten Gerät zwangsläufig eine Vergrößerung seines Außendurchmessers zur Folge.

Aus der US-PS 27 40 267 ist ferner ein Kühlgebläse für eine Klimaanlage für insbesondere Flugzeugzellen bekannt, dessen Antrieb durch ein kaltes, an einer Stirnseite zugeführtes Druckmedium erfolgt, das ein auf einer Hohlwelle angeordnetes Laufrad antreibt, über Rohre in einem ringförmigen Außenraum Laufrädern am anderen Ende der Hohlwelle zugeführt wird und danach ein auf der zentralen Antriebswelle angeordnetes Schaufelrad beaufschlagt, bevor es an der anderen Seite des Gebläses abströmt. Die zu kühlende Luft wird unter Druck seitlich in den ringförmigen Außenraum eingeführt, in dem sie in den spiralförmig verlaufenden Kanälen in innige Berührung mit den Kühlrohren gelangt. Ein auf der zentralen Triebwelle angeordnetes Schaufelrad drückt die gekühlte Luft zu den Verbrauchsstellen. Die zu kühlende Luft wird bereits unter einem wesentlichen Druck zugeführt, der durch einen

vorgeschalteten gesonderten Luftkompressor cr/eugl werden muß. Das ein/ige, von der Nut/Iuft beaufschlagte Laufrad sitzt außerhalb des Gehäuses und des äußeren Ringraums. In diesem äußeren Ringraum wird die Luft durch eine spiralförmig verlaufende Wand in einer Strömungsspirale geführt, was jedoch zwangsläufig zu einem relativ hohen Strömungswiderstand führt.

Bei einem bekannten Radialverdichter mit Zwischenkühlung (DE-AS 10 15 184) ist in einem Gehäuse eine Verdichterwelle gelagert, die mehrere Schaufel- bzw. Laufräder trägt. Die Luft wird von jeweils einer Verdichterstufe über Umleitungen an der Außenwand des Gehäuses zur nächsten Stufe geführt, wobei in diese Umleitung jeweils ein Zwischenkühler eingeschaltet ist In den äußeren Ringraum ragen abwechselnd von innen bzw. von außen Wände hinein.

Aufgabe der Erfindung ist es. einen Turbokompressor hoher Leistung /u schaffen, der als völlig in sich geschlossene, kompakte und raumsparende Einheit ausgebildet ist und ein optimal geringes Gewicht aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Kennzeichen des einzigen Patentanspruches gelöst. Durch die erfindungsgemäße achsparallcle Anordnung der Zwischenkühler und der Nachkühler in einem einzigen äußeren Ringraum ergibt sich eine insgesamt kleinere, von den zu kühlenden Gasen angeströmte Wandfläche gegenüber dem eingangs genannten Kreiselverdichter mit konzentrischen ringzylindrischen Kühlräumen. Bei gleicher Baugröße werden damit diirch die Erfindung ein geringerer Druckverlusl oder — bei jeweils gleichen Strömungsverhältnissen — kleinere Außenabmcssungcn ermöglicht.

Im folgenden werden Ausführungsbcispiele der Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigt

Kig. 1 einen schemalischcn Längsschnitt durch einen Turboverdichter;

F i g. 2 den Turboverdichter nach F i g. I im Qucrschnitt Vl-Vi;

Fig. 3 den Turboverdichter nach Fig. I im Querschnitt VII-VII:

F i g. 4 den Turboverdichter nach F i g. 1 im Querschnitt VIII-VIII;

Fig. 5 eine auseinandergezogene Schniltdarstcllung des Innenzylinders bei dem Turboverdichter nach Fig.l;

Fig. 6 einen dreistufigen Turboverdichter im Längsschnitt;

Fig. 7 einen vierstufigen Turboverdichter im Längsschnitt;

F i g. 8 den Turboverdichter nach F i g. 7 im Querschnitt.

Der in den Fig. I bis 5 dargestellte Tuboverdichtcr bzw. Turbokompressor besitzt einen ringförmigen Kühler 26, der von einem inneren Zylinder 28 und einem zu diesem konzentrischen Zylinder 29 von unterschiedlichem Durchmesser begrenzt wird, die an ihren Enden durch zwei Stirnplatten 30, 31 miteinander verbunden sind. In dem von den beiden Zylindern 28 und 29 begrenzten Ringraum sind sich über seine gesamte Länge erstreckende Wärmeaustauschrohre 32 angeordnet, die mit ihren aufgeweiteten Enden in der Stirnplatte 30 festgelegt sind. Das eine Ende dieser Rohre ist mit einem Einström-Kopfstück 33 und das andere Ende mit einem Abström-Kopfstück 34 verbunden.

Eine erste Kompressorstufe 61 ist in der in Fig.l linken Endöffnung des Innenzylinders 28 angeordnet.

deren Laufrad 64 auf der Antriebswelle befestigt ist. Ein Diffusor 65 ist im Abströmkanal am Umfang des Laufrades 64 vorgesehen.

Eine zweite Kompressorsiufe 66 ist an Jem in Fi g. 1 rechten Ende des Zwischenkühler 26 vorgesehen, die einen vorderen radialen Einströmkanal 69, einen radialen Abströmkanal, ein Laufrad 71 sowie einen Diffusor 72 im Abströmkanal aufweist.

Bei der Ausführung nach den F i g. 1 bis 5 sind in dem äußeren Rvngraum 27 ein Zwischenkühler 26 und ein Nachkühler 76 achsparallel zueinander angeordnet. Radiale Trennwände A-A. B-B. C-C. D-D. E-Eund F-F unterteilen diesen Ringraum in sechs achsparallel nebeneinander liegende Kühlkammern ABBA, BCCB. CDDC. DEED. EFFE und FAAF. in denen die U-förmigen Kühlrohre 22 längs angeordnet und in der Endplatte 30 durch Aufweitung festgelegt sind. Ihr eines Ende ist mit dem Einström-Kopfstück 33 und ihr anderes Ende mit dem Abström-Kopfslüv.k 34 verbunden. Die Kühlkammern ABBA. CDDC. EFFEdienen als Zwischenkühler 26 und die Kühlkammern BCCB. DEED und FAAF als Nachkühler 76. In den drei den Zwischenkühler 26 bildenden Kühlkammern sind im Innenzylinder 28 Einströmöffnungen 77 /.um Einführen des Gases aus der ersten Kompressorstufe 61 sowie Abströmöffnungen 78 zum Abführen des vorkomprimierten Gases zur /weilen Kompressorsiufe 66 vorgesehen. Ferner sind Einströmöffnungen 79 in den drei Kühlkammern des Nachkühlers 76 angeordnet, durch die das verdichtete Gas aus der /weilen Kompressorsiufe 66 in den Nachkühler 76 gelangt.

Die Betriebsweise dieses Turbokomprcssors ist folgende:

Die beiden Laufrader 64 und 71 werden vom Elektromotor 37 — ggf. über ein Übersetzungsgetriebe — mit hoher Geschwindigkeit angetrieben. Das durch den Saugstutzen der ersten Kompressorsiufe 61 angesaugte Gas wird durch das Schaufelrad 64 beschleunigt und strömt duri'h den Abströmkanal 63 und den Diffusor 65, in dem sich der Gasdruck auf einen Zwischenwert erhöht, woraufhin es in den Zwischenkühler 26 abgefordert wird. Die Gasströmung entlang der Kühlrohre 32 bewirkt eine Abkühlung des Gases, das danach durch den Ansaugkanal 69 in das Laufrad 71 der zweiten Kompressorstufe 66 gelangt und im Diffusor 72 eine weitere Drucksleigcrung erfährt. Nach Durchströmen des mit dem Zwischenkühler 26 integriert ausgebildeten Nachkühlers 76 strömt das Gas abgekühlt und hoch komprimiert über den Abströmstutzen 68 zum Verbraucher.

Fig. 6 zeigt eine Kompressorausführung mit einem Elektromotor 37, einem Übersetzungsgetriebe 48, einer Hohlwelle 41, die von der Antriebswelle 47 frei durchragt wird, einer Schmierölpumpe 55, einem Schmieröl-Wärmetauscher 58 mit Kühlmiltelzuleitung 59 sowie mit drei Laufrädern 64, 71 und 78 auf der Antriebswelle 41, von denen zwei 64, 87 an einem Ende und eines am anderen Ende des Kühlers 26 angeordnet sind. Das Laufrad 87 der dritten Stufe ist neben dem Laufrad 64 der ersten Stufe angeordnet. Dem Laufrad 71 ist ein Abströmkana¹ >?-3 'ugeordnet. An der Abströmseite des dritten Laufrades 87 schließen sich ein Diffusor 89, ein Spiralgehäuse 90 und ein Abströmstutzen 91 an. Diese Komponenten sind von gleicher Ausführung wie die des Kompressors nach den Fig. 1 bis 5.

Das Gas strömt auf der zweiten Kompressorstufe über den Abströmkanal 88 in den Kühler 76, der bei dieser Ausführung als weiterer Zwischenkühler dient. Aus diesem gelangt das Gas in das Laufrad 87 der dritten Verdichterstufe und aus diesem ohne Nachkühlung zum Abströmstutzen 91.

Die F i g. 7 und 8 zeigen eine vierstufige Kompressorausführung mit vier Laufrädern 64, 71, 87 und 92, von denen jeweils zwei Laufräder 64, 87 bzw. 71, 92 an jedem Ende angeordnet sind. Das vierte Laufrad 92 ist neben dem zweiten Laufrad 71 auf der Antriebswelle 47 befestigt. In dem durch den Innenzylinder 28, den Außenzylinder 29 und den Endplatten 30, 31 gebildeten Ringraum sind zwölf radiale Trennwände A-A. B-B. CC. D-D. E-E. F-F. M-M. N-N, O-O. P-P, Q-Qund R-R vorgesehen, die den Ringraum in Umfangsrichtung in zwölf Kühlkammern unterteilen. Jede Kühlkammer wird durch Kühlrohre 32 längs durchragt. Die Kammern ABBA. EFFE. OPPO dienen als erster Zwischenkühler, in dem das zum zweiten Laufrad 71 strömende Gas gekühlt wird, und die Abieile BCCB. FMMFund PQQP als weiterer Zwischenkühler zum Kühlen des vom /weiten Laufrad 71 zum dritten Laufrad 87 strömenden Gases. Ein durch die Kammern CDDC. MNNM. QRRQ gebildeter dritter Zwischenkühler kühlt das aus dem dritten Laufrad 87 in das vierte Laufrad 92 strömende Gas. Die Kammern DEED. NOON und RAAR dienen als Nachkühler des aus dem vierten Laufrad 92 abströmenden Gases. Im Zylinder 28 sind Einströmöffnungen 77 vorgesehen, durch welche das aus dem ersten Laufrad 64 abströmende Gas in die drei den ersten Zwischenkühler bildenden Kammern gelangt, sowie Abslrömöffnungen 78, durch welche das Gas aus diesen Kammern zum zweiten Laufrad 71 strömt. Aus diesem zweiten Laufrad 71 gelangt das Gas über weitere Einslrömöffnungen 79 zu den anderen drei, den zweiten Zwischenkühler bildenden Kammern und verläßt diese durch Abslrömöffnungen 99. Weitere Einströmöffnungen 100 dienen zum Einführen des zwischenkomprimicrtcn Gases aus dem dritten Laufrad 87 in die den dritten Zwischenkühler bildenden Kammern, durch dessen Abströmöffnungen 101 das zwischengekühlte Gas zum vierten Laufrad 92 strömt. Durch weitere Einströmöffnungen 102 wird das Gas vom Laufrad 92 zu den drei Kammern des Endkühlers gefördert.

Bei den vorstehend beschriebenen außerordentlich kompakten Kompressoren sind im zylindrischen lnnenraum ein Elektromotor, ein Getriebe, ein Schmiersystem usw. angeordnet. Die Lärmerzeuger, d. i. der Elektromotor, das Getriebe, die Kompressorslufen, die ölfördermittel od. dgl. sind durch die Anordnung im zylindrischen Kühlaggregat eingekapselt, so daß die nach außen gelangenden Geräusche reduziert werden und sich für das jeweilige Turboaggregat ein insgesamt geringer Geräuschpegel ergibt. Aufgrund de·· achsparallelen Anordnung der verschiedenen Kühlkammern sowie der weiteren Kompressorteile in dem Innenraum des Kühlers ist der Platzbedarf auf einen Minimalwert verringert, so daß die beschriebenen Geräte gegenüber bekannten Einrichtungen gleicher Leistung und Kapazität wesentlich kompakter sind und ein geringeres Gesamtgewicht aufweisen.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Turbokompressor mit mehrstufiger Verdichtung und Rückkühlung des verdichteten Gases in einem Wärmeaustauschrohre aufweisenden äußeren Ringraum, der in mehrere unabhängige Kühlkammern unterteilt ist und dessen durch seinen Innenzylinder gebildeter Innenraum an beiden Seiten mindestens durch je eine Kompressorstufe abgeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Ringraum (27) einen Zwischenkühler (26) und einen Nachkühler (76) aufweist und durch in Achsrichtung radial angeordnete Trennwände (A-A, B-D. C-C. D-D. E-Eund F-F)In eine Mehrzahl von achsparallel nebeneinander liegenden Kühlkammern unterteilt ist.