DE3700153C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Kompressor der im Oberbegriff
des Anspruchs 1 genannten Art.
In dem Buch von F. Kluge "Kreiselgebläse und Kreiselverdichter
radialer Bauart", Springer Verlag 1953, ist auf Seiten 242
und 243 das Phänomen des Axialschubs erläutert. Wenn das niederdruckseitige
Ende der Welle vom Gehäuse umschlossen ist
und das hochdruckseitige Ende aus diesem herausragt und somit
Atmosphärendruck unterliegt, läßt sich diese axiale Kraft F
schematisch durch folgende Formel beschreiben:
F = (p o-pa)S₁-(p f-po)S₂S₂
Hierbei ist p o der Niederdruck, p f der Hochdruck, p a der Atmosphärendruck,
S₁ der Querschnitt der Welle in Höhe der Abdichtung
am Austritt der Welle aus dem Gehäuse und S₂ der
Querschnittsunterschied zwischen dem Querschnitt, der dem
Eintritt in das Rad auf der Niederdruckseite entspricht, und
dem Querschnitt des Äquilibrierkolbens.
Durch geeignete Wahl des Durchmessers des Äquilibrierkolbens
kann man also erreichen, daß die axiale Kraft, die auf den
Anschlag wirkt, in erlaubten Grenzen bleibt. Im Stillstand
der Maschine hat jedoch der Äquilibrierkolben keine Wirkung
mehr, da sich p f und p o sehr schnell ausgleichen und einen
Druck p c im Kreis annehmen und da dann F=(p c-pa)S₁ wird,
d. h. eine Kraft auftritt, die sehr groß sein kann, wenn der
Druck im Kreis p c sehr hoch ist.
Dies bedingt, daß der Anschlag nicht für die nominalen Betriebsverhältnisse
der Maschine ausgelegt werden muß, sondern
für die Anfahr- und Auslaufbedingungen. Das kann dazu führen,
daß man keine Gasanschläge oder magnetischen Anschläge verwenden
kann, die nur mäßige Belastungen aushalten, und daß
die Verwendung der Maschinen bei einseitiger Lagerung oder
integrierten Lagern begrenzt ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diesen Nachteil
zu beseitigen und eine Turbomaschine anzugeben, bei der die
auf den Anschlag wirkenden axialen Kräfte beim Hochlaufen
und Auslaufen der Maschine beschränkt sind.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete
Turbomaschine gelöst. Bezüglich von Merkmalen bevorzugter
Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche
verwiesen.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit
Hilfe der einzigen Zeichnung näher erläutert, die eine Turbomaschine
in Form eines Zentrifugalkompressors gemäß der Erfindung
im axialen Querschnitt zeigt.
Der in der Figur dargestellte Kompressor besteht im wesentlichen
aus einem Rotor 1 und einem Stator 7. Der Rotor enthält
eine Welle 2, auf der vier Zentrifugenräder 3, 4, 5, 6 sitzen.
Der Rotor wird von zwei Magnetlagern 8 und 9 getragen und
die axiale Lage wird durch einen doppelten magnetischen Anschlag
10 fixiert. Außerdem sind noch zwei Hilfslager vom
Kugeltyp 11 und 12 vorhanden.
Am niederdruckseitigen Ende besitzt der Stator der Maschine,
im vorliegenden Beispiel eines Kompressors, eine Ansaugöffnung
13, während am hochdruckseitigen Ende eine Auslaßöffnung 14
vorhanden ist.
Das in der Figur rechte Ende der Welle, d. h. das ansaugseitige
Ende der Welle, liegt innerhalb des Stators 7 und unterliegt
dem Ansaugdruck, während das auf der linken Seite, d. h. der
Hochdruckseite, liegende Ende den Stator über eine Abdichtvorrichtung
15 durchdringt und somit dem Umgebungsdruck unterliegt.
Am hochdruckseitigen Ende jenseits des letzten Rades 6 trägt
die Welle 2 einen Ausgleichs- oder Äquilibrierkolben 16, dessen
vom niederdruckseitigen Ende 13 am weitesten entfernt
liegende Seite 17 über eine Leitung 18 dem Niederdruck unterliegt,
wobei diese Leitung das niederdruckseitige Ende der
Welle und einen mit der Seite 17 verbundenen Raum 19 miteinander
verbindet.
Der Äquilibrierkolben 16 ist gestuft und besitzt zwei unterschiedliche
Durchmesser Φ A und Φ B , von denen der größere
Durchmesser Φ B sich auf derjenigen Kolbenseite befindet, die
der Niederdruckseite näher liegt.
Je eine Dichtvorrichtung 20 bzw. 21 ist in Höhe jedes der
beiden Durchmesser Φ A und Φ B des Kolbens 16 zwischen dem Kolben
und dem Stator vorgesehen. Eine Zwischenkavität 22 des
Stators liegt zwischen den beiden Dichtvorrichtungen. Diese
Kavität ist über eine Leitung 23 mit einem Hochdruckspeicher
24 verbunden, der beispielsweise von dem Hochdruckkreis gebildet
wird, an dem die Auslaßöffnung 14 angeschlossen ist. So
unterliegt die zwischen den beiden Durchmessern des Kolbens
liegende Schulter 25 dem Druck des Hochdruckspeichers 24.
Die Hochdrucköffnung 14 ist mit einem Sperrventil 26 versehen,
mit dem das hochdruckseitige Ende verschlossen werden kann.
Die Ansaugöffnung 13 ist an einen Niederdruckkreis 27 angeschlossen,
aus dem der Kompressor ansaugt.
Im Betrieb ist das Ventil 26 offen. Der Niederdruck auf der
Ansaugseite liegt beispielsweise bei 30 Bar und der Hochdruck
auf der Auslaßseite bei 60 Bar. Die Maschine verhält sich
dann so, als hätte der Äquilibrierkolben 16 den Durchmesser
Φ A , der dem Niederdruck von 30 Bar ausgesetzt ist. Das Labyrinth
21 liegt auf beiden Seiten am gleichen Druck, nämlich
dem Hochdruck von 60 Bar, und hat somit im Normalbetrieb der
Maschine keinerlei Wirkung.
Will man den Kompressor anhalten, dann wird das Ventil 26
gesperrt, so daß der Auslaßdruck vor dem Ventil sehr schnell
auf den Wert des Ansaugdrucks in der Nähe von 30 Bar bei ruhendem
Kompressor absinkt. Wegen des Labyrinths 21 bleibt
jedoch die Zwischenkavität 22 auf hohem Druckniveau in der
Nähe von 60 Bar, und zwar während des gesamten Auslaufvorgangs
bis zum Halt.
Man stellt also einen Druckgewinn von ungefähr 60-30=30 Bar
fest, der auf die Fläche der Schulter 25 wirkt und eine Kraft
erzeugt, die sich der erwähnten axialen Kraft widersetzt.
Unter Berücksichtigung des Wellendurchmessers braucht man
nur die Oberfläche dieser Schulter 25 geeignet zu berechnen,
d. h. die Durchmesser Φ A und Φ B , um zu erreichen, daß die axiale
Kraft, die auf den Anschlag 10 einwirkt, in geeigneten
Grenzen bleibt.
Berechnet man die axiale Kraft F wie im Fall des Standes der
Technik für einen Zentrifugalkompressor mit nur einem Rad,
dann erhält man die Formel
F = S₁ (p o-pa)-SBA(pf-po)-S₃(p f-po)
Hierbei ist p o der Ansaugdruck, p f der Auslaßdruck, p a der
Atmosphärendruck, S₁ die Querschnittsfläche der Welle in Höhe
bei Dichtvorrichtung, S BA der Unterschied der Querschnittsflächen
zwischen dem Durchmesser Φ A und dem Durchmesser Φ B
und S₃ der Unterschied der Querschnittsflächen zwischen der
Ansaugseite und dem Kolbendurchmesser Φ B .
Aus dieser Formel erkennt man, daß der Ausdruck S₃p f-po)
wegen der raschen Abnahme von p f beim Anhalten rasch zu Null
wird, während der Ausdruck S BA(pf-po) im wesentlichen konstant
bleibt, da die Seite 25 des Kolbens immer noch einem Druck
in der Nähe des Hochdrucks p f unterliegt.
Die erfindungsgemäße Turbomaschine ist außerdem in der Lage,
den Anschlag bei Hochlaufen zu entlasten, sofern ein Hochdruckkreis
24 zur Verfügung steht. Wenn dagegen der Kreis,
an den der Kompressor angeschlossen ist, nicht von vornherein
unter Druck steht, dann genügt es, eine Hilfs-Hochdruckkapazität
mit einem ausreichenden Volumen von Hochdruckfluid bereitzustellen,
um das Anlaufen zu bewirken.
Die Leitung 23 kann mit einem Regelventil 28 für die Drucksteuerung
abhängig von der Messug der axialen Schiebekräfte
versehen sein, so daß es möglich ist, den Druck in der Zwischenkavität
22 zu verändern.
Claims (2)
1. Kompressor mit einem Rotor, auf dessen Welle mindestens
ein Laufrad angeordnet ist, mit einem Gehäuse mit hoch- und
niederdruckseitigen Öffnungen, wobei das eine Ende der Welle
im Gehäuse angeordnet ist und einem der beiden Drücke unterliegt
und das andere Ende über eine Dichtung aus dem Gehäuse
herausgeführt ist, mit einem Ausgleichskolben, der auf der
Welle angeordnet ist und dessen beide Seiten unterschiedlichen
Drücken ausgesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichskolben
(16) stufenförmig mit zwei unterschiedlichen
Durchmessern (Φ A , Φ B ) ausgebildet ist, daß Dichtungen (20,
21) an den Stufenkolben einen Ringraum (22) im Gehäuse einschließen
und daß eine Leitung (23) den Ringraum (22) mit
einem Druckspeicher (24) verbindet, in dem der hochdruckseitige
Druck herrscht, und daß ein Sperrventil (26) in einer
Verbindungsleitung zwischen dem Druckspeicher und der Öffnung
(14) des entsprechenden Statorendes angeordnet ist.
2. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Leitung (23), die den Ringraum mit dem Druckspeicher (24)
verbindet, ein Druckregelventil (28) enthält.
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