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Die
Erfindung betrifft eine Zentrifugalverdichtereinheit oder Motorverdichtereinheit.
Genauer betrifft die Erfindung eine Zentrifugalverdichtereinheit mit
senkrechter Trennfuge, d.h. eine Verdichtereinheit, deren Verdichter
von zwei Enddeckeln verschlossen wird und von einem oder mehreren
in Reihe angeordneten Verdichtungssegmenten gebildet wird.
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Eine
besonders interessante Anwendung einer solchen Verdichtereinheit
betrifft die Herstellung einer integrierten Verdichtereinheit, d.h.
einer Verdichtereinheit, die einen einen Rotor antreibenden elektrischen
Motor und einen Verdichter aufweist, der eine Einheit von mindestens
einem Verdichtungsschaufelrad aufweist, das auf einer vom Rotor
angetriebenen Abtriebswelle angeordnet ist, wobei die Einheit in
ein gemeinsames gasdichtes Gehäuse
eingesetzt ist, das von der Verdichtereinheit behandelt wird.
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Die
Erfindung betrifft jedoch allgemein jeden Verdichter, der aus einer
Kartusche bestehen kann, die einen von Lagern gestützten Rotor
und einen aerodynamischen Stator enthält, der mit Wellenende-Dichtungsmitteln
versehen ist, die in einer Hülle angeordnet
sind, wobei diese verschiedenen Bauteile in das vom Verdichter behandelte
Gas getaucht sein können
oder nicht.
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Solche
Verdichter können
von allen Arten von Antriebsmitteln angetrieben werden, zum Beispiel
elektrische Antriebsmittel mit fester oder variabler Geschwindigkeit,
mit großer
Geschwindigkeit oder nicht, oder von einer Dampfturbine, einer Gasturbine,
usw., wobei ein Übersetzungsgetriebe
oder ein mechanischer Drehzahlregler wenn nötig zwischen den Antrieb und
den Verdichter eingefügt
werden kann.
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In 1 weist
ein Verdichter einer konventionellen Motorverdichtereinheit mit
senkrechter Trennfuge üblicherweise
eine allgemein zylindrische Hülle 10 mit
einem Boden 12 auf, in der die verschiedenen Teile des
Verdichters angeordnet sind, nämlich
der Rotor 14, der Stator 1b des aerodynamischen Teils
des Verdichters, die Wellenende-Dichtungsmittel 18 und 20,
radiale Lager wie 21, sowie eine Traglagereinheit 22,
die die axiale Führung
des Rotors 14 gewährleistet
und einen Anschlag bildet, der die axiale Verschiebung des Rotors
beim Betrieb des Verdichters begrenzt.
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Die
Einheit wird von einem Deckel 24 verschlossen, der an der
Hülle 10 zum
Beispiel durch Schraubverbindung oder mittels eines Abscherrings 26 befestigt
ist.
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Die
Statorelemente 16 ihrerseits weisen eine Eingangszelle 28,
die einen Einlass 27 begrenzt, der zur Zufuhr von Gas zum
Verdichter bestimmt ist, und eine oder mehrere Vordrosseln 29 auf,
die dazu bestimmt sind, das Gas am Ausgang jedes Schaufelrads wie 30 zu
sammeln, um es in einem radiale Diffusor 31 zu verlangsamen
und dann über
einen Rückkehrkanal 32 zum
folgenden Rad zu leiten. Schließlich
gewährleistet
eine Ausgangszelle 34, die eine Druckspirale enthält, das
Sammeln des Gases am Ausgang des letzten Schaufelrads des Verdichters
und führt
es zu einem Druckstutzen.
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Um
die Dichtheit der Einheit zu gewährleisten,
sind Wellenende-Dichtungsvorrichtungen 18 und 20 in
den Boden 12 der Hülle 10 bzw.
in den Deckel 24 montiert.
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In
dieser Anordnung setzen die axialen Kräfte, die von der Druckverteilung
im Inneren des Verdichters aufgrund der Verwendung der Schaufelräder erzeugt
werden, die Befestigungssysteme des Stators des aerodynamischen
Teils des Turboverdichters unter Zugspan nung. Der Druckanstieg innerhalb jeder
Verdichtungszelle bewirkt nämlich
das Auftreten von Kräften
innerhalb des radialen Diffusors und des Rückkehrkanals, die dazu neigen,
die Zellen voneinander zu entfernen. Dies ist insbesondere der Fall in
Höhe der
Spirale und bestimmter Elemente des Stators, aber solche Kräfte wirken
verstärkt
auf die Wellenende-Dichtungsvorrichtungen und auf die Traglagereinheit 22.
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Man
könnte
sich auch auf die Druckschrift DE-A-196 54 840 beziehen, die eine
Verdichtereinheit mit einem Rotor, der von Antriebsmitteln in einem Stator
in Drehung versetzt wird, und mehrere Verdichtungsstufen aufweist,
die je ein vom Rotor angetriebenes Schaufelrad enthalten. Die Einheit
ist als Kartusche in einer Hülle
angeordnet.
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Der
Aufbau der in dieser Druckschrift beschriebenen Verdichtereinheit
erlaubt es auch nicht, die vom Indrehungversetzen der Schaufelräder erzeugten
axialen Kräfte
wirksam zu kompensieren.
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Ziel
der Erfindung ist es, die Nachteile des Stands der Technik zu beseitigen
und eine Verdichtereinheit insbesondere vom Typ mit Trennfuge anzugeben,
die es ermöglicht,
das Auftreten von Krafteinwirkungen auf die Montageelemente der
verschiedenen Bestandteile des Verdichters zu vermeiden und außerdem den
Zusammenbau und die Wartung eines solchen Verdichters vereinfacht.
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Erfindungsgemäß wird also
eine Verdichtereinheit vorgeschlagen, die einen einen Rotor antreibenden
elektrischen Motor, mindestens einem Verdichter, der einen Stator
aufweist, der, als Kartusche in einer Hülle montiert, mindestens eine
Eingangszelle, die einen Einlass für die Gaszufuhr in die Verdichtereinheit
begrenzt, eine Ausgangszelle, die eine Druckspirale begrenzt, und
mindestens eine Verdichtungszelle enthält, die zwischen dem Einlass
und der Ausgangsspirale an geordnet und je mit einem Verdichtungsschaufelrad
versehen ist, das auf eine vom Rotor angetriebene Abtriebswelle
montiert ist, eine einen Anschlag für den Rotor bildende Traglagereinheit
zur radialen Zentrierung, und Wellenende-Dichtungsmittel aufweist.
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Diese
Verdichtereinheit weist außerdem Wellenende-Dichtungsmittel
auf, die zwischen den Rotor und die Ausgangszelle eingefügt sind.
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So
ermöglicht
die Positionierung der Wellenende-Dichtungsmittel zwischen der Ausgangszelle und
dem Rotor die Herstellung einer fluidischen Verbindung zwischen
der Endseite der Ausgangszelle und dem Druckstutzen, wodurch Kräfte auf
dieser Seite erzeugt werden, die den unter der Wirkung des Gasdrucks
in jeder Verdichtungszelle erzeugten Kräfte entgegenwirken.
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Gemäß einer
Ausführungsform
weisen die Ausgangszelle und ein entsprechendes Ende der Hülle zwei
radiale einander gegenüberliegende
Flächen
auf, über
die die Kartusche mit Spiel gegen die Hülle anliegt, wobei die Bohrungen
so angeordnet sind, dass sie mit dem Ausgang der Ausgangszelle in fluidischer
Verbindung stehen.
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Zum
Beispiel sind die radialen einander gegenüberliegenden Flächen der
Ausgangszelle und der Hülle
jeweils durch zwei Endbohrungen begrenzt, die einerseits in der
Ausgangszelle und andererseits im entsprechenden Ende der Hülle ausgebildet
sind.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der erfindungsgemäßen Verdichtereinheit weist
diese Dichtungselemente auf, die ausgelegt sind, um eine Dichtheit
zwischen der Kartusche und der Hülle
in einem Bereich herzustellen, der den Ausgang der Ausgangszelle
und die radialen Flächen
umfasst.
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Die
Dichtungselemente können
so angeordnet sein, dass sie eine Dichtheit zwischen dem Einlass
und dem Ausgang des Verdichters und eine fluidische Verbindung zwischen
einem von den gegenüberliegenden
Flächen
begrenzten Hohlraum und dem Ausgang des Verdichters herstellen.
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In
einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Verdichtereinheit
sind die Wellenende-Dichtungsmittel auf der Kartusche befestigt.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung ist die vom Motor und von dem oder
jedem Verdichter gebildete Einheit in einer gemeinsamen Hülle befestigt,
um einen integrierten Motorverdichter zu bilden.
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In
diesem Fall weist in einer Ausführungsform
die Hülle
ein erstes Segment, in dem der Motor angeordnet ist, und ein zweites
Segment auf, in dem der Verdichter angeordnet ist, wobei das erste
und das zweite Segment durch eine Bohrung mit verengtem Querschnitt
getrennt sind, die die radiale Fläche der Hülle begrenzt.
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Die
Ausgangszelle weist zum Beispiel eine zylindrische axiale Verlängerung
auf, die sich mit einem zwischengelegten Dichtungselement in die
Bohrung einfügt.
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Weitere
Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung hervor, die nur als nicht einschränkend zu verstehendes Beispiel
dient und sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht. Es zeigen:
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1,
die bereits erwähnt
wurde, den allgemeinen Aufbau einer Turboverdichtereinheit gemäß dem Stand
der Technik;
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2 eine
Schnittansicht eines Verdichters einer Verdichtereinheit gemäß der Erfindung;
und
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3 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines Verdichters einer Verdichtereinheit gemäß der Erfindung.
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In 2 ist
eine Schnittansicht eines Verdichters einer Verdichtereinheit gemäß der Erfindung mit
dem allgemeinen Bezugszeichen 36 dargestellt. Wie man in
dieser Figur sieht, besteht dieser Verdichter 36 aus einem
mehrstufigen Zentrifugalverdichter mit senkrechter Trennfuge, d.h.
durch einen Enddeckel verschlossen, und ist aus mehreren Verdichtungssegmenten
zusammengesetzt, die in Reihe zwischen einem Eingang E zur Speisung
des Verdichters mit zu verdichtendem Gas und einem Ausgang S für verdichtetes
Gas angeordnet sind. Er ist dazu bestimmt, einem (nicht dargestellten)
Elektromotor zugeordnet zu werden, der eine Antriebswelle antreibt,
die selbst einen Rotor 38 antreibt. Dieser Elektromotor
kann ein Motor mit fester oder variabler Geschwindigkeit, mit hoher
Geschwindigkeit oder nicht sein. Der Rotor 38 kann ebenfalls
von einer Dampfturbine oder einer Gasturbine in Drehung versetzt
werden. Es ist ebenfalls anzumerken, dass ein Übersetzungsgetriebe oder ein
mechanischer Drehzahlregler ggf. zwischen den Verdichter 36 und
das Antriebsmittel eingefügt
werden kann.
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Wie
man in dieser 2 sieht, weist der Verdichter 36 hauptsächlich eine
Hülle 40 von
allgemein zylindrischer Form auf, in der eine Einheit von Verdichtungszellen 42, 44, 46 und 48 angeordnet
ist, die je eine Verdichtungsstufe bilden. Diese Verdichtungszellen 42, 44, 46 und 48 sind
in Reihe zwischen einer Eingangszelle 50, in der ein Einlass 52 zur Speisung
der Verdichtungsstufen ausgebildet ist, und einer Ausgangszelle 54 angeordnet,
die eine Druckspirale 56 begrenzt.
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Der
Einlass 52 ist koaxial zu einer Öffnung 58 angeordnet,
die in der Hülle 40 ausgebildet
ist, um den Gaseinlass E zu bilden. Die Ausgangsspirale 56 mündet ihrerseits
in einer in der Hülle 40 ausgebildeten Öffnung 60,
um den Auslass S für
das verdichtete Gas zu bilden. Jede Verdichtungszelle 42, 44, 46 und 48 weist
ein Schaufelrad wie 62 auf, das vom Rotor 38 in
Drehung versetzt wird und in üblicher
Weise einerseits einen Anstieg des statischen Drucks des vom Verdichter
behandelten Gases und andererseits einen Anstieg der kinetischen
Energie gewährleistet. Ein
radialer Diffusor 64, der zu jeder Verdichtungszelle gehört, führt eine
Umwandlung des Anstiegs der kinetischen Energie stromabwärts der
Schaufelräder 62 in
Druck durch. Ein Treibstoff-Rückkehrkanal 66 gewährleistet
die Führung
des Gases zu einer folgenden Stufe oder zur Ausgangsspirale 56.
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Man
sieht ebenfalls in 2, dass die Hülle 40 mit
einem ersten offenen Ende 68, das von einem Enddeckel 70 verschlossen
wird, der über
Abscherringe 72 oder Bolzen befestigt ist, und mit einem
entgegengesetzten Ende 74 versehen ist, das eine Bohrung
mit einem bezüglich
des Rests der Hülle
verringerten Querschnitt aufweist, in die eine axiale zylindrische
Verlängerung 76 der
Ausgangszelle 54 eingeführt
wird.
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Auf
der Seite des Endes 74, das zum Antriebsmittel weist, wird
der Rotor 38 radial mittels radialer Lager 78 geführt. Auf
der entgegengesetzten Seite, d.h. auf der Seite des offenen Endes,
gewährleistet
eine Traglagereinheit 80 mit einem axialen Anschlag 82 und
radialen Lagern 84 die Aufrechterhaltung der radialen und
axialen Positionierung des Rotors 38.
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Schließlich sind
Wellenende-Dichtungsvorrichtungen 86 und 88, die
eine zwischen dem Rotor 38 und der Eingangszelle 50,
und die andere zwischen dem Rotor 38 und der Ausgangszelle 54,
insbesondere zwischen dem Rotor 38 und der axialen zylindrischen
Verlängerung 76,
angeordnet.
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Gemäß einem
Merkmal der Erfindung sind die verschiedenen den Stator bildenden
Elemente, nämlich
die verschiedenen Verdichtungsstufen sowie die Eingangszellen 50 und
Ausgangszellen 54, in der Hülle mit einem Einführspiel
angeordnet, um ein axiales Gleiten dieser Elemente bezüglich der
Hülle 40 zu
ermöglichen.
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Wie
man in 2 sieht, begrenzt die äußere Umfangsfläche der
Ausgangszelle 54 mit der äußeren Umfangsfläche der
axialen zylindrischen Verlängerung 76 eine
ringförmige
Fläche
S1, die beim Zusammenbau gegen eine entsprechende ringförmige Fläche S2 in
Anlage kommt, die von einer ersten Bohrung 90 oder Hauptbohrung
der Hülle 40 und
von einer zweiten Bohrung 92 begrenzt wird, die den Durchlass
begrenzt, in den die axiale zylindrische Verlängerung 76 der Ausgangszelle 54 eingeführt ist.
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Insbesondere
aufgrund des Einführspiels
der Statorelemente in der Hülle 40 steht
der von den beiden einander gegenüberliegenden Flächen S1
und S2 begrenzte Raum in fluidischer Verbindung mit der Ausgangsspirale 56 und
befindet sich folglich auf dem Druck des Gases am Ausgang des Turboverdichters.
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Außerdem sind
erste und zweite Ringdichtungen 92 und 94 zu beiden
Seiten des Einlasses 52 angeordnet. Eine dritte Ringdichtung 96 ist
zwischen der axialen zylindrischen Verlängerung 76 und der Hülle 40 angeordnet.
Dadurch wird das Gas am Ausgang des Turboverdichters zwischen der
zweiten und der dritten Dichtung eingeschlossen.
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Wie
man versteht, erzeugt aufgrund des im von den einander gegenüberliegenden
Flächen
S1 und S2 begrenzten Hohlraum herrschenden Drucks der Druckunterschied
zwischen der Druckseite S und der Saugseite E des Verdichters eine
Kraft auf die Fläche
S1 in Richtung des Pfeils F, d.h. in Richtung des Anschlags 82.
Eine solche Kraft ermöglicht
den Halt aller inneren und statischen Elemente des Verdichter untereinander.
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Außerdem sind
die durch die Kartusche in Höhe
des Anschlags 82 verlaufenden axialen Kräfte sehr
viel höher
als der axiale Schub des Rotors unter der Wirkung der Verdichtungsräder 62,
was dazu beiträgt,
den axialen Halt des Stators des Anschlags zu gewährleisten.
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Man
stellt fest, dass die Ausgangszelle 54 direkt auf der letzten
Verdichtungsstufe aufliegt und aufgrund des im Hohlraum zwischen
den Flächen
S1 und S2 herrschenden Drucks dort gehalten wird. Dies ermöglicht es,
den Querschnitt des radialen Diffusors 66 der letzten Stufe,
der sich zwischen diesen beiden Elementen befindet, genau zu regeln.
Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem der in diesem Diffusor
herrschende Druck einen Abstand zwischen der letzten Verdichtungsstufe
und der Ausgangszelle 54, und somit das Auftreten der aerodynamischen
Instabilität
des Gasflusses am Ausgang des Diffusors zur Folge hat, wodurch drehende
Kräfte
auf den Rotor und starke Vibrationen in diesem erzeugt werden, tritt im
Diffusor der letzten Stufe keinerlei Querschnittsveränderung
auf.
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Man
stellt ebenfalls fest, dass die Wellenende-Dichtungsvorrichtungen 86 und 88 sowie
die radialen Lager 78 und 84 keiner axialen Kraft
ausgesetzt sind und daher an den Statorelementen befestigt werden
können,
die in die Hülle 40 montiert
werden, um eine Kartusche zu bilden, die aus einer einstückigen und
steifen Einheit besteht, ohne überdimensionierte
Befestigungsvorrichtungen zu erfor dern. Eine solche Kartusche kann
so eine einstückige
Einheit bilden, die bequem in die Hülle eingefügt werden kann, ohne eine getrennte
Montage jedes Elements zu erfordern.
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Dies
ist auch bei den Befestigungsmitteln der Fall, die für die Montage
verschiedener Statorelemente verwendet werden, die keine besondere Überdimensionierung
erfordern und somit als Hauptfunktion haben, diese Elemente zu halten,
um eine einstückige
Einheit in Form einer homogenen Kartusche zu bilden, die dazu bestimmt
ist, während
eines einzigen Einbauvorgangs in die Hülle 40 montiert zu werden.
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Nun
wird unter Bezugnahme auf 3 eine weitere
Ausführungsform
eines Verdichters einer Verdichtereinheit gemäß der Erfindung beschrieben. In
dieser Figur tragen gleiche Elemente wie in 2 die gleichen
Bezugszeichen.
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Diese
Ausführungsform
ist für
die Herstellung eines integrierten Motorverdichters ausgelegt, d.h.
eine Verdichtereinheit, bei der der Motor und der Verdichter in
einer gemeinsamen Hülle
angeordnet sind.
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Mn
erkennt in dieser Figur die Hülle 40,
in der die Eingangszelle 50 und die Ausgangszelle 54 sowie
die Verdichtungszellen 42, 44, 46 und 48 zwischen
einem Gaseingang E und einem Gasausgang S angeordnet sind.
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Im
in dieser 3 dargestellten Ausführungsbeispiel
weist die Hülle 40 ein
erstes Segment 98, in dem der Verdichter 36 angeordnet
ist, und ein zweites Segment 100 auf, in dem der Elektromotor der
Verdichtereinheit (nicht dargestellt) angeordnet ist, wobei diese
beiden Segmente 98 und 100 von einem Zwischenbereich 102 mit
verringertem Querschnitt getrennt werden, der einen axialen zylindrischen Durchlass
begrenzt und auf der zum ersten Segment 98 weisenden Seite
eine ringförmige
Fläche
S2 aufweist, die dazu bestimmt ist, mit der ringförmigen Fläche S1 der
Ausgangszelle 54 zusammenzuwirken.
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Wie
aus dieser 3 hervorgeht, sind die Konstruktion
und der Zusammenbau des Verdichters 36 gleich den vorher
unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen. So wird dieses
Segment 98 ebenfalls von einem Enddeckel 70 verschlossen,
der die Traglagereinheit 80 trägt. In gleicher Weise werden
auf der gegenüberliegenden
Seite die radialen Lager 78 von der axialen zylindrischen
Verlängerung 76 der Ausgangszelle 54 getragen.
Wie im vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel
ermöglicht
es diese Anordnung, zwischen der Saugseite und der Druckseite, und
insbesondere zwischen der Saugseite und dem von den einander gegenüberliegenden
Flächen S1
und S2 begrenzten Hohlraum, einen Druckunterschied zu erzeugen,
der den Halt aller inneren Elemente des Verdichters untereinander
ermöglicht,
und folglich die Begrenzung der auf die Dichtungsvorrichtungen und
die Lager und Traglagereinheit des Verdichters ausgeübten Kräfte.
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Es
ist anzumerken, dass diese Art von Konfiguration bei einem Verdichter
mit einem axialen Anschlag sowohl auf der Seite des Antriebsmittels
als auch auf der entgegengesetzten Seite anwendbar ist.
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Sie
betrifft ebenfalls einen Verdichter mit mehreren in Reihe liegenden
Segmenten.
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Man
versteht, dass die soeben beschriebene Erfindung die Aufrechterhaltung
des Kontakts zwischen allen Bauteilen des Verdichters untereinander aufgrund
der vom Druck des den Hohlraum zwischen den Flächen S1 und S2 des Ausgangshohlraums
füllenden
Gases einerseits und der Hülle
andererseits erzeugten Kräfte
ermöglicht.
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Wie
oben angegeben, ermöglicht
die Montage der Spirale auf den letzten Diffusor es außerdem, den
Querschnitt dieses Diffusors zu beherrschen, wodurch jede Gefahr
der aerodynamischen Instabilität
bei geringem Durchsatz vermieden wird.
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Außerdem wird
keine Schraube, Dübel,
Bolzen oder anderes Verbindungsmittel Zugspannungen ausgesetzt,
um die Bauteile untereinander zu halten, wenn die Maschine in Betrieb
ist. Ein solcher Vorteil ist besonders günstig, wenn der Turboverdichter
ein feuchtes oder korrodierendes Gas behandelt, was es ermöglicht,
seine Zuverlässigkeit
beträchtlich
zu verbessern. Die erfindungsgemäße Anordnung
ermöglicht
es außerdem,
eine große
Steifheit der Kartusche zu gewährleisten,
um so mehr, als der Druck im Inneren des Verdichters hoch ist.
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Schließlich ermöglicht es
die Erfindung, die Montage des Verdichters sehr zu vereinfachen
und die Einsatzzeit des Wartungspersonals zu verringern.