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Bereich der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Bohrlochkompressor,
d.h. einen Kompressor zur Absenkung in einen Quellenschacht einer
Erdgasspeicherstätte
zur Unterstützung
des Austragens von Gas aus der Speicherstätte.
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Hintergrund der Erfindung
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Es
ist in der Technik bekannt, dass Gas, welches aus einem in eine
Gasspeicherstätte
gebohrten Bohrloch austritt, oft mit Dampf und Wassertröpfchen geladen
ist. Mit zunehmender Gasförderung
fällt der Druck
des Gases am Grund der Quelle ab. Demzufolge sinkt auch die Strömungsgeschwindigkeit
des Gases in der Produktionsleitung und wird allmählich zu
schwach, um die Flüssigkeitskondensate
noch mitzuschleppen. Dadurch sammelt sich Flüssigkeit am Boden der Quelle,
der Gasstrom sinkt und stirbt schließlich ganz ab. Die Gasproduktion
ist ab dem Moment nicht mehr wirtschaftlich, bevor der Gasstrom
abstirbt, und die Betreiber geben die Quelle oft auf, lange bevor
das Gasvorkommen ganz ausgeschöpft
ist.
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In
der
WO 97/33070 ist
bereits vorgeschlagen worden, einen elektrisch oder hydraulisch
getriebenen Gaskompressor in der Quelle zu installieren, der dann
auf dem Boden der Quelle zurückbleibt.
Die Wirkung eines solchen Kompressors ist es, die Produktion zu
beschleunigen und die größtmögliche Ausbeute
der Lagerstätte
zu erhöhen.
Erstens wirkt der Kompressor derart, dass er den statischen Druck an
seinem Einlass reduziert, wodurch die Druckdifferenz zwischen der
Lagerstätte
und dem Bohrloch erhöht
wird, so dass ein erhöhter
Durchsatz angeregt wird. Zweitens erhöht der Kompressor durch die
Erhöhung
des Gasdruckes die mittlere Dichte, wodurch sich eine Senkung der
Strömungsgeschwindigkeit und
damit eine Reduzierung der Druckverluste entlang der Länge des
Bohrloches ergibt. Und eine weitere Wirkung der Verdichtung ist,
dass die Temperatur des Gases erhöht und damit die Kondensation
der Dämpfe
verzögert
wird.
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Zwar
offenbart diese letzte Patentanmeldung das Konzept dessen, was hierin
als Bohrlochkompressor bezeichnet wird, der Kompressor, den sie lehrt,
hat jedoch mehrere Einschränkungen,
durch die er in der Praxis nicht einsetzbar würde. Der zum Antrieb der Rotorwelle
mit den zur Verdichtung des Produktionsgases verwendeten Verdichterrädern eingesetzte
Elektromotor, zum Beispiel, ist über Zahnräder mit
der Rotorwelle verbunden, so dass der Motor sehr viel langsamer
als die Verdichterräder
laufen kann. Diese Konstruktion dient dazu, den Motor mit Öl kühlen und
schmieren zu können,
während Luftlager
zur Lagerung der die Verdichterräder
tragenden Welle verwendet werden. Dies ergibt jedoch Probleme mit
der Wartung der Untersetzungsgetriebe, die jedoch in der Anmeldeschrift
nicht angesprochen werden. Außerdem
liefert die Anmeldeschrift keine Einzelheiten darüber, wie
die die Rotorwelle tragenden Luftlager aufgebaut oder ausgebildet
sein können,
um eine angemessene Menge an reinem Gas zu empfangen, und sie bringt
auch keine Lösung für die Rotordynamikanforderungen
bei einem Wellensystem, das sowohl in Gas- als auch in ölgeschmierten
Lagern gelagert ist.
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Ein
für den
Einsatz in einem Bohrloch geeigneter alternativer Kompressor ist
in der
WO 95/24563 offenbart.
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Die
vorliegende Erfindung versucht, einen Kreiselkompressor zu erstellen,
der für
den Einsatz als Bohrlochkompressor dadurch geeignet ist, dass seine
Gaslager über
sehr lange Zeiträume
ohne weitere Pflege betrieben werden können und dadurch, dass sein
Elektromotor von dem Produktionsgas angemessen gekühlt wird.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verdichter zum
Absenken in einen Quellenschacht einer Erdgasspeicherstätte zur Unterstützung des
Austragens von Gas aus der Speicherstätte gestellt, wobei der Verdichter
folgendes umfasst: ein Gehäuse,
einen in dem Gehäuse
eingebauten Rotor, einen Elektromotor zum Antreiben des Rotors,
mit einem Stator mit Wicklungen, welcher stationär im Gehäuse eingebaut ist, und einem
als Teil des Rotors ausgebildeten Anker, und Gaslager, welche den
Rotor dem Stator gegenüber
drehbar tragen, wobei die Gaslager jeweils an den stromaufwärtigen und
stromabwärtigen,
einander entgegengesetzten Enden des Motors angeordnet sind, der
dadurch gekennzeichnet ist, dass ein beschaufeltes Verdichterrad
zur Verdichtung des Produktionsgases aus der Speicherstätte an einem überhängenden Ende
des Rotors angebracht ist, welches an einem Ende des Motors über das
Gaslager hinausragt, so daß alle
Gaslager des Verdichters und des Elektromotors auf derselben Seite
des beschaufelten Verdichterrades liegen, und das Produktionsgas
im Betrieb über
den Elektromotor streicht und so zur Kühlung desselben dient.
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In
der vorliegenden Erfindung ist das beschaufelte Verdichterrad, hierin
auch als Hauptkompressor bezeichnet, überhängend bzw. fliegend gelagert.
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Die
Konstruktion des Motorrotors mit einem überhängend gelagerten Verdichter
ermöglicht
es, dass der Rotor hohl ausgebildet wird, so dass er leichter gekühlt werden
kann.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Hauptverdichter
am stromaufwärtigen Ende
des Rotors angeordnet, und ein Hilfsverdichter ist am gegenüberliegenden
Ende des Rotors angeordnet, wobei der Hilfsverdichter Gas stromunterhalb des
Hauptverdichters abzieht und dazu dient, das Gas nach weiterer Verdichtung
den Lagern des Rotors zuzuführen.
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Nach
einem zweiten Aspekt der Erfindung können beide Verdichter fliegend,
also überhängend gelagert
sein, so dass sich alle Lager axial zwischen dem Haupt- und dem Hilfsverdichter
befinden.
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Der
Hilfsverdichter selbst kann ein Axialverdichter oder eine andere
Art von dynamischem Verdichter sein. Der Begriff "dynamischer Verdichter" wird hierin so verwendet,
dass er Kreiselverdichter mit einschließt, welche axiale und/oder
radiale Ströme
erzeugen und schließt
somit insbesondere sowohl Axial- als auch Misch- als auch Zentrifugalverdichter mit
ein.
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Es
wird in Betracht gezogen, dass ein Gasreiniger auf der Einlassseite
des Hilfsverdichters vorgesehen sein kann, um Partikel und andere,
im Produktionsgasstrom suspendierte Verunreinigungen auszuscheiden.
Der Gasreiniger kann vorteilhaft ein Trägheitsabscheider sein.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung strömt
das Gas für
die Gaslager entgegengesetzt zum axialen Hauptgasstrom des Produktionsgases.
Zwar kann das Gas in den Hauptstrom des Produktionsgases abgelassen
werden, nachdem es die Lager durchströmt hat, es wird jedoch vorgezogen,
das Gas zu kühlen,
indem Wärme
vom Gas in den Hauptstrom des Produktionsgases abgeleitet wird,
woraufhin das Gas wieder zum Einlass des Hilfsverdichters zurückgeführt werden
kann. Auf diese Weise kann das den Gaslagern zugeführte Gas
in einem im Wesentlichen geschlossenen Kreislauf fließen.
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Wenn
das den Lagern zugeführte
Gas in einem geschlossenen Kreis mit einem Gasreiniger fließt, braucht
der Gasreiniger nicht in der Lage zu sein, Stoffpartikel im gesamten
Produktionsgasstrom auszuscheiden, so dass über lange Zeiträume eine zuverlässige Funktion
gewährleistet
ist. Der Gasreiniger kann in diesem Fall sogar ein einfacher Filter sein.
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Da
in der vorliegenden Erfindung Gas immer axial in den Verdichter
ein- und aus ihm austritt, kann ein modularer Einsatz vorgesehen
werden, bei dem mehrere solcher Verdichter im Tandem (aerodynamisch
wie auch elektrisch) eng miteinander verbunden sind. Des Weiteren
können
Module und/oder ein Tandem-Modulpaket
auch in verschiedenen Tiefenlagen in dem Produktionstübbing eines
Bohrschachtes bzw. einer "Quelle" angeordnet werden,
um die Aufwärtswande rung
der Tröpfchen
zu optimieren, und die Kondensation von Dampf zu verhindern.
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Die
Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beispielartig
näher erläutert werden;
dabei zeigt:
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1:
eine axiale Schnittansicht durch eine erste Ausführungsform eines dynamischen
Bohrlochkompressors,
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2:
ein Detail einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung, dargestellt im axialen Schnitt,
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3:
einen Axialschnitt durch einen Verdichter gemäß einer dritten Ausführungsform
der Erfindung,
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4:
ein Detail einer vierten Ausführungsform
der Erfindung, dargestellt im axialen Schnitt,
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5a und 5b sind
idealisierte Enthalpie-Entropie-Diagramme, welche sich auf die Ausführungsformen
der 3 und 4 beziehen,
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6a zeigt
einen Axialschnitt durch einen Verdichter gemäß einer weiteren Ausführungsform der
Erfindung, und
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6b zeigt
einen Schnitt durch den Verdichter aus der 6a, entlang
der Ebene A-A in 6a.
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In 1 bezeichnet
die Bezugszahl 1 die Produktionsröhre bzw. das Produktionstübbing eines Bohrschachtes,
Bezugszahl 2 bezeichnet das äußere Gehäuse eines Kompressors oder
Verdichters, und die Bezugszahl 3 bezieht sich auf das
Gehäuse eines
Elektromotors. Von den feststehenden Schaufeln 4 des Verdichters
und von den Armen eines Tragsterns 5 wird das Gehäuse für den Elektromotor konzentrisch
in dem Verdichtergehäuse
gehalten.
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Der
Motor ist ein Hochfrequenz-Induktionsmotor und wird über eine
in der Figur nicht dargestellte Nabelschnur mit hochfrequentem Strom
versorgt. Im typischen Fall liegt die Geschwindigkeit des Motors
im Bereich von 20.000 U/min bis 50.000 U/min. Der bevorzugte Elektromotor
hat einen Stator 6 und einen Permanentmagnet-Anker oder –Rotor 7,
es kann jedoch auch eine alternative Form eines Induktionsmotors
eingesetzt werden, wie z.B. ein Käfigläufermotor.
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Der
Rotor des Verdichters, von dem der Anker des Motors ein Teil ist,
ist mit 8 bezeichnet. Der Rotor läuft in Drehlagern 9 und 10,
und Axialdruck wird von einem Axialdrucklager mit einem Bund 11 aufgenommen.
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Der
Motor treibt das Rad 12 des dynamischen Kompressors an,
welches wiederum ein beschaufeltes Verdichterrad 13 trägt. Stromoberhalb des
Verdichterrades 13 sind Einlassleitschaufeln 14 angebracht,
welche auch das Segment eines inneren Gehäuses 15 konzentrisch
halten.
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Die
Strömungsrichtung
des Gases sowie die Richtung, in welcher der Verdichter den Druck
des Gases erhöht,
sind durch die Pfeile in der Figur dargestellt.
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Der
Kompressor oder Verdichter ist als ein Modul konstruiert. In 1 erstreckt
sich ein vollständiges
Modul über
die Strecke A, ein nächstes
Modul stromabwärts
ist bei B angedeutet, und C ist eine Einlassnasenverkleidung, die
jeweils an einem einzelnen oder am ersten Modul einer Reihe von
miteinander gekoppelten Modulen angebracht wird. Konus D ist ein
Diffusorkonus, der am Auslass eines Moduls bzw. am Auslass des letzten
Moduls von im Tandem miteinander verbundenen Modulen angebracht
wird, d.h. in Gasströmungsrichtung
hintereinander.
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2 zeigt
ein Detail eines Verdichtermoduls, das sich von dem Modul A in 1 dadurch
unterscheidet, dass es zwei Verdichterstufen aufweist, d.h. zwei
beschaufelte Verdichterräder 13a und 13b. Es
können
eine oder mehrere Stufen vorgesehen werden, jeweils abhängig von
der zu erfüllenden
Aufgabe, der Motor leistung und der sich in dem jeweiligen Anwendungsfall
als Optimum erweisenden Konstruktion.
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Gaslager
werden wegen der Drehzahlen des Kompressors eingesetzt, und weil
sie als Schmiermittel ein bereits vorhandenes Medium verwenden können, nämlich das
ausgetragene Gas. Gaslager haben eine kleinere Reibung als Wasser- oder ölgeschmierte
Lager. Wälzlager
hätten
eine zu kurze Lebenserwartung unter den kostspieligen Bedingungen in
einem Bohrloch.
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Da
die Wahrscheinlichkeit hoch ist, dass der/die Verdichter vertikal
oder in einer fast vertikalen Lage montiert werden, werden die (in 1 mit 9 und 10 bezeichneten)
Drehlager nur geringen Lasten widerstehen müssen, so dass sie aller Wahrscheinlichkeit
nach hydrostatische Lager sein können.
Derartige Lager beruhen auf der Einleitung von Gas unter hohem Druck
zur Trennung der einander berührenden
Flächen.
Dieses Hochdruckgas wird nun vom Hilfsverdichter geliefert, wenn
dieser eine ausreichend hohe Drehzahl erreicht hat.
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Das
(in 1 mit 11 bezeichnete) Axialdrucklager
nimmt eine ständige
Last auf und ist daher von hydrodynamischer Bauart, bei welcher
die Trennung durch einen selbst erzeugten Schmierfilm erzielt wird,
wenn die Welle eine ausreichend hohe Drehzahl erreicht.
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Beim
Anfahren ist davon auszugehen, dass es zu Reibkontakt in allen Lagern
kommen wird, bis die Welle auf den Gasfilmen selbsttragend aufreitet. Ein
derartiges Anfahren verbraucht viel Leistung, um die Reibung zu überwinden,
und erfordert eine sorgfältige
Werkstoffwahl und Maßkontrolle.
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Die
durch die elektrischen Verluste des Motors erzeugte Wärme wird
dadurch abgeführt,
dass die Wärme
an den Gasstrom abgegeben wird, wobei das ausgetragene bzw. das
Produktionsgas das einzige zur Verfügung stehende Kühlmedium
ist.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung, welche Gaslager aufweist, ist schematisch in 3 dargestellt.
Diese Figur veranschaulicht eine Version des Moduls, das in 1 bei
A oder B dargestellt ist.
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In 3 ist
das Produktionstübbing
des Schachtes mit 301 bezeichnet, das äußere Gehäuse des Verdichters mit 302,
während
die Bezugszahlen 303a und 303b ein doppelwandiges
Gehäuse
des Motors bezeichnen. Über
stationäre
Leitschaufeln 304 des Verdichters und die Arme eines Lagersterns 305 wird
das Motorgehäuse
konzentrisch im Verdichter gehalten. Der Stator des Motors ist bei 306 dargestellt,
und sein Anker bei 307.
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Der
hohle Rotor des Verdichters, wovon der Anker des Motors ein Teil
ist, ist mit 308 bezeichnet. Der Rotor läuft in Drehlagern 309, 310,
und Axialdruck wird von einem Axialdrucklager mit einem Bund 311 aufgenommen.
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Der
Motor treibt das Rad 312 des dynamischen Verdichters mit
dessen Verdichterschaufeln 313. Stromoberhalb des Verdichters
befinden sich die Leitschaufeln 314, die auch das Segment
des inneren Gehäuses 315 konzentrisch
halten, und stromunterhalb befinden sich die festen Schaufeln.
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Gas
wird von dem Verdichter in den ringförmigen Hauptkanal X gefördert, welcher
den Kanal für den
Hauptstrom des Produktionsgases bildet, gleichzeitig aber auch in
einen ringförmigen
Kanal Y, der von den Wänden 303a und 303b des
Motorgehäuses begrenzt
wird. Der Ringkanal Z wird von dem Raum zwischen dem äußeren Gehäuse 302 des
Verdichters und dem Produktionstübbing 301 gebildet.
An beiden Enden ist der Kanal Z durch Ringplatten verschlossen,
die sich möglichst
eng passend in die Bohrung des Produktionstübbing einfügen. Der Druck im Kanal Z wird
durch die Öffnungen
Z1 im Wesentlichen auf dem stromoberhalb der Einlassleitschaufeln 314 herrschenden
Druck gehalten.
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In ähnlicher
Weise wird der Druck auf der Stirnseite des Verdichterrades 312 und
innerhalb der Rotorbohrung durch die Öffnungen Z2 auf dem Druck stromoberhalb
der Einlaßleitschaufeln
gehalten.
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Das
durch den Kanal Y strömende
Gas fließt bei
Y1 über
eine ausgedehnte Wärmeaustauschfläche, welche
durch Schweißungen
oder ein anderes Befestigungsverfahren in inniger thermischer Verbindung
mit dem inneren Motorgehäuse 303a steht.
Der Gasstrom durch den Kanal Y und über die ausgedehnte Wärmetauscherfläche kühlt den
Stator 6 (in 1) des Motors.
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Die
ausgedehnte Wärmetauscherfläche kann
zum Beispiel von einer Anzahl Kühlrippen
gebildet werden, die in gleichmäßigem Abstand
um den Kreis angeordnet sind und spiralförmig oder axial um das innere
Gehäuse
des Motors laufen.
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Stromunterhalb
der ausgedehnten Wärmeübertragungsfläche strömt das Gas über einen
Reiniger Y2 in den Einlass des dynamischen Hilfsverdichters ein,
der hier mit zwei Stufen dargestellt ist und bei 316 als
eine Einheit angedeutet ist.
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Der
Hilfsverdichter verdichtet das Gas noch weiter in das Volumen U,
das auf der linken Seite in 3 von dem
Drehlager 310 und dem Labyrinthstutzen 318 begrenzt
wird, der zur Gewährung
der Konzentration am Lager befestigt ist.
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Das
komprimierte Gas tritt durch geeignete Öffnungen in das Drehlager 310 ein,
zum Beispiel durch die bei 319 dargestellte Öffnung.
Vom Volumen U aus tritt das Gas in das Dreh- und Axialdrucklager 309 ein,
zum Beispiel über
zwischen benachbarten Rippen liegende Leitungen an der ausgedehnten Wärmetauscherfläche Y1,
wie es durch die strichpunktierten Linie L1 angedeutet ist.
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Es
ist nun wünschenswert,
die thermische Symmetrie zu wahren, wie sie durch vier in gleichem Abstand
um den Kreis herum angeordneten Leitungen erzielt würde.
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Die
Volumen V und W kommunizieren miteinander über den Luftspalt zwischen
der Bohrung des Stators des Motors und dessen Anker, demzufolge
sind die Gasdrücke
in diesen beiden Volumen im Wesentlichen gleich. über hohle
Lagersternarme, die hier nicht dargestellt sind, und die zur konzentrischen Halterung
der ver schiedenen Gehäuse
erforderlich sind, sind das Volumen V und das Volumen W beide mit
dem Kanal Z verbunden. Dabei ist anzumerken, dass sich aufgrund
von Durchgängen
wie z.B. den Räumen
zwischen den Lagern, die Drücke
links und rechts eines Lagers ausgleichen.
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Bei
der Bestimmung der Gasdrücke
werden die Gasstromdruckverluste und andere Effekte, die im Detail
eine Auswirkung auf den Druck haben, nicht berücksichtigt.
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Die
Drücke
werden wie folgt bezeichnet:
- P1: der Gasdruck
stromoberhalb des Verdichtermoduls. Durch die Verbindung solcher
Durchgänge
wie Z1 und Z2 ist dieser Druck auch der Druck im Kanal Z sowie der
Druck, der auf die linke Fläche
des Verdichterrades 312 wirkt, und der innerhalb der Bohrung
des Rotors 308 wirkt. Aufgrund ihrer Verbindung mit dem
Kanal Z über
die hohlen Lagersternarme liegen auch die Räume V und W auf dem Druck P1.
- P2: der Druck stromunterhalb der Statorschaufeln 304 und
auch der Druck im Kanal X.
- P3: der Druck im inneren Teil der Läuferschaufeln 313.
Dies ist der Druck im Kanal Y und der Druck auf der Einlassseite
des Hilfsverdichters 316, und
- P4: der Druck stromunterhalb des Hilfsverdichters. P4 ist auch
der Druck, der den Lagern 309, 310 und 311 zugeführt wird.
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Beim
Betrieb des Moduls heben der innere Teil der Läuferschaufeln 313 zusammen
mit dem Hilfsverdichter 316 den Druck des Gases vom Druck P1 über den
Druck P3 bis auf den Druck P4 an. Gas mit dem Druck P4 strömt zum Lager,
wo es im Wesentlichen durch sein Entweichen in die Volumen V und
W auf den Druckpegel P1 gedrosselt wird. In ähnlicher Weise wird das durch
die Labyrinthdichtung 318 entweichende Gas vom Druck P4
auf den Druck P1 gedrosselt.
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Die
im Betrieb auf den Rotor wirkenden Axialkräfte sind:
eine Axialdruckkraft
von rechts nach links (gemäß der Darstellung
in 3), die von dem Verdichterrad 312 und
den Läuferschaufeln 313 des
Hauptverdichters erzeugt wird,
eine Axialdruckkraft von links
nach rechts, die vom Hilfsverdichter 316 erzeugt wird,
die
Schwerkraftwirkung auf den Rotor, die je nach der Neigung des Moduls
von rechts nach links wirkt, und
eine von links nach rechts
wirkende Kraft, die durch die Druckdifferenz am Ausgleichskolben 317 erzeugt wird.
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Der
Durchmesser D kann bei der Konstruktion so gewählt werden, dass die vom Ausgleichskolben 317 erzeugte
Axialkraft in der Praxis den größtmöglichen
Teil der Resultierenden der anderen Axialkräfte ausgleicht.
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Eine
andere Ausführungsform
ist in 4 dargestellt, welche eine Abwandlung der Ausgestaltung
nach 3 ist. Zur klaren Unterscheidung zwischen beweglichen
und stationären
Teilen sind hier die stationären
Teile im oberen Teil der Figur schraffiert.
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Die 3 und 4 können über das
Element 410 in Relation zueinander gesetzt werden, welches
dem rechten Drehlager 310 in dem in 3 gezeigten
Verdichter entspricht. In der Ausführungsform nach 4 ist
der Hilfsverdichter auf der rechten Seite des Lagers ein zweistufiger
Zentrifugalverdichter, im Gegensatz zu dem zweistufigen Axialverdichter
der Ausführungsform
nach 3.
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Bei
gleichen übrigen
Bedingungen wird der Druckanstieg in einem Zentrifugalverdichter
und einem Axialstromverdichter von der Umfangsgeschwindigkeit der
Ver dichterscheibe bestimmt, und von der mittleren Umfangsgeschwindigkeit
der der Läuferschaufeln
der Axialstufe.
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Wenn
sie in einem Gehäuse
mit dem gleichen Durchmesser eingeschlossen ist, kann eine Axialstromstufe
einen größeren mittleren
Durchmesser ihrer Läuferschaufeln
haben, als der Außendurchmesser
der Zentrifugalverdichterscheibe, weil der Zentrifugalverdichter
einen Diffusor auf der Außenseite
seiner Scheibe braucht, während
der Axialstromverdichter dies nicht benötigt. Diese Überlegung
in Bezug auf die 3 und 4 kann zu
einem einstufigen Axial-Hilfsverdichter in der Ausführungsform
der 3 führen,
der dieselbe Arbeit leistet, wie der zweistufige Zentrifugalverdichter
nach 4.
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Die 5a und 5b sind
idealisierte Enthalpie-Entropie-Diagramme für die von den Hilfsverdichtern
der Ausführungsformen
nach den 3 und 4 komprimierten
Gasströme,
die dann in den Lagern gedrosselt bis auf ihren ursprünglichen
Druck abgesenkt werden.
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Mit
Bezug auf die 3 und 5a strömt das Gas
mit einem Druck P1 in das Modul ein. Stromunterhalb der Läuferschaufeln
des Hauptverdichters hat das Gas im Kanal Y einen Druck P3, und nach
dem Durchlaufen des Hilfsverdichters tritt es unter dem Druck P4
in die Lager ein. Dann wird das Gas gedrosselt auf den Druck P1
gesenkt, wenn es aus den Lagern ausströmt.
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Für P1 und
P4 sind in der 51 konstante Drucklinien
eingezeichnet. Das Einströmen
des Gases erfolgt bei 'a', bei 'b' wird das Gas verdichtet, und wird dann
bei 'c' beim Ausströmen gedrosselt.
Das einströmende
Gas ist relativ kühl,
und das ausströmende
Gas wird durch die Energiezufuhr durch den Verdichter von 'a' nach 'b' erwärmt.
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Werden
mittels eines Wärmetauschers
Vorkehrungen getroffen, denselben Gasstrom von 'c' nach 'a' abzukühlen, dann würde der
Gasstrom für die
Lager im geschlossenen Kreis erfolgen. Einmal gereinigt würde das
Gas ständig
erneut verwendet. Die 6a und 6b veranschaulichen
diagrammartig eine Ausführungsform,
in welcher ein solcher geschlossener Kreislauf für das Hochdruckgas vorgesehen
ist.
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In
der Ausführung
nach 6a ist der Hauptverdichter ein zweistufiger Axialverdichter,
wie bei 614, 613, 612 und 604 dargestellt
ist. Ein zylindrisches Abweisgehäuse 603b bildet
zusammen mit dem Gehäuse
des Motors 603a einen Kanal Y, in welchem Gas über Kühlrippen
Y1 des Stators des Motors streicht. Stromunterhalb des Abweisgehäuses verschmelzen
der Kanal Y und der Kanal X zu einem einzigen Kanal.
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Es
soll nun der geschlossene Kreislauf beschrieben werden, wobei das
Volumen T als Ausgangspunkt genommen wird. Gas aus T fließt durch den
Filter 620 zum Einlaß des
Axialstromverdichters 616. Der Verdichter liefert Hochdruckgas
an das Volumen U, und von dort strömt es über Öffnungen 619 zum Drehlager 610,
und dann über
Leitungen, von denen eine bei L1 angedeutet ist, zum Drucklager 609.
Beim Durchgang durch die Lager wird das Gas gedrosselt und tritt
in einem Fall zuerst in das Volumen V und dann über den Luftspalt des Motors
in das Volumen W aus, wo es zu dem aus dem anderen Lager austretenden
Gas tritt. Über
Leitungen, von welchen eine bei 13 angedeutet ist, wird
das Gas zurück zum
Volumen T geleitet. Die Leitungen 13 sind in einem Kanal
gelegt, an dem der Durchgang des Hauptgasstromes an ihnen entlang
die Leitungen kühlt,
und mit ihnen das darin zirkulierende Gas.
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Vom
Volumen U zum Volumen V besteht über
den Labyrinthstutzen 618 auch ein Leckpfad für Hochdruckgas.
Diese Leckage durch das Labyrinth ist ein Parallelpfad, in dem das
Gas auf denselben niedrigeren Druck gedrosselt wird, wie das durch
das Lager geleitete Hochdruckgas.
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Die
einzige Verbindung zwischen dem geschlossenen Kreislauf und dem
Hauptgasstrom ist über
die Leckagen durch den Labyrinthstutzen 612a. Diese Leckage
gleicht die Drücke
beiderseits des Labyrinths aus, und damit ist der Druck des geschlossenen
Kreislaufes der Druck P3 stromunterhalb der zweiten Stufe der Läu ferschaufeln
des Hauptkompressors. 5b stellt das Enthalpie-Entropie-Diagramm des geschlossenen
Kreislaufes dar.
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Mit
Bezug auf die 5B ist die Kühlung des Gases von 'b' nach 'c' abhängig von
der Wirksamkeit des Wärmeüberganges über die
Leitung 13. Zwischen der durch den Hilfsverdichter in den
umlaufenden Gasstrom eingeleiteten Energie und dem Wärmeverlust
durch Übergang
auf den Hauptgasstrom über
die Wände
der Leitungen 13 muss ein Ausgleich geschaffen werden.
Dieser Ausgleich wird durch die Temperatur des umlaufenden Gasstromes
geschaffen. Mit zunehmender Temperatur verliert das Gas mehr Wärme über die
Wände der
Leitungen 13, gleichzeitig fällt die Energieeinleitung in
das Gas durch den Verdichter. Das Gas im geschlossenen Kreislauf
liegt dann auf der Temperatur, bei welcher der Wärmeverlust und die eingeleitete
Energie im Gleichgewicht sind. Es ist nun wünschenswert, daß die Temperatur
des Gases am Einlass des Hilfsverdichters so nahe, wie es praktisch
machbar ist, an die Temperatur des Gasstromes im Kanal X gebracht wird,
indem der Gas-Gas-Wärmeübertragungskoeffizient
der Wand der Leitungen 13 optimiert wird.
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Der
Gasstrom in den geschlossenen Kreis hinein bzw. aus diesem heraus
durch das Labyrinth 612a ist so klein, dass die Gefahr
abnimmt, dass die Lager durch Materialpartikel beschädigt werden.
Es ist wahrscheinlich, dass alle Materialpartikel, die anfangs in
dem durch das Labyrinth 612a in den geschlossenen Kreis
eintretenden Gas mitgerissen worden sind, zuvor durch die Wirbelkomponente
herausgeschleudert werden, welch Komponente dem Gas durch das beschaufelte
Verdichterrad verliehen wird.
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Der
Strömungswiderstand
in den kombinierten Kanälen
X und Y wird erhöht
durch die in dem Durchflussbereich im Weg liegenden Leitungen und Kühlrippen.
Aus diesem Grund ist der Hauptverdichter 604, 612, 613, 614 zu
Zwecken der Veranschaulichung gegenüber dem in 3 dargestellten
Verdichter in einen Zweistufenverdichter abgeändert worden. Ob eine solche Änderung
notwendig ist, kann nur anhand einer Konstruktionsstudie von Fall zu
Fall bestimmt werden.
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Der
Hilfsverdichter 616 der 6a ist
ein einstufiger Verdichter, verglichen mit dem zweistufigen Hilfsverdichter
in 3.
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Der
Schnitt A-A in 6a außerhalb des Motorgehäuses ist
in 6b veranschaulicht. Die Kühlrippen des Stators sind bei
Y1 zwischen dem Motorgehäuse 603a und
dem Ablenkgehäuse 603b angeordnet.
Die vier Leitungen L1 laufen zwischen jeweils benachbarten Kühlrippen
entlang. Es sind acht in gleichmäßigem Abstand
um den Kreis herum im Kanal X angeordnete Leitungen 13 dargestellt.
Die Leitungen 13 können
vorteilhaft sowohl mit inneren als auch mit äußeren Rippen extrudiert werden,
um so den Wärmeübergang
der Gase zu erhöhen.