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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Axialschub-Ausgleichssystem für einen
Kreiselverdichter mit verbesserten Sicherheitseigenschaften.
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Im
Allgemeinen ist ein Kreiselverdichter eine Maschine, welche einem
verdichtbaren Fluid einen Druck verleiht, der größer als der Einlassdruck ist, und
welche die für
diese Druckerhöhung
erforderliche Energie auf das Fluid selbst mittels einem oder mehreren
in Reihe angeordneter Impeller oder Rotoren überträgt, die radiale Schaufeln haben
und mit hoher Drehzahl durch einen mit der Verdichterwelle über eine
Kupplung verbundenen Motor angetrieben werden.
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Typische
Kreiselverdichter werden für
eine große
Vielfalt von Anwendungen eingesetzt, bei denen hohe Durchflussraten
bei mittleren bis niedrigen Drücken
erforderlich sind, wie z. B. in Kühlsystemen, in der petrochemischen
Industrie, wie z. B. Ethylen- und katalytischen Krackanlagen, und
CO2-Verdichtungseinheiten in Harnstoffanlagen,
in der Energieindustrie, in Flüssigpropangas-
und Sauerstoffanlagen und in Einheiten zur Druckhaltung in Gaspipelines und
für die
Wiederinbetriebsetzung dieser. Die installierte Leistung ist im
Allgemeinen hoch.
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In
einem Kreiselverdichter wird eine Druckdifferenz in der axialen
Richtung zwischen den verschiedenen Stufen erzeugt, und es ist daher
erforderlich, ein System von Dichtungen zwischen dem Rotor und dem
Stator jeder Stufe auf der Verdichterrotorwelle einzubauen, um somit
das Phänomen
einer Rückströmung des
komprimierten Fluids in die vorhergehenden Stufen zu minimieren,
um dadurch einen geeigneten Wert des Verdichtungswirkungsgrades
aufrechtzuerhalten.
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Die
Zunahme des Druckes in der stromabwärts verlaufenden Richtung bewirkt
die Erzeugung radialer und axialer Kräfte in dem Rotorkörper aufgrund
des Vorliegens unvermeidlicher zeitlicher Unregelmäßigkeiten
des Gesamtsystems, und diese Kräfte
müssen
sowohl statisch wie auch dynamisch ausgeglichen werden.
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Eine
der Eigenschaften, die am häufigsten
in Rotoren von Kreiselverdichtern, und von allen Rotationsmaschinen,
die mit hoher Drehzahl und mit Fluiden bei hohem Druck arbeiten,
erforderlich ist, ist die Dimensionsstabilität auch bei Vorliegen von Betriebsschwankungen
aufgrund zeitlicher Unregelmäßigkeiten
der stromaufwärts
oder stromabwärts
vorhandenen Strömung
oder der Dichte oder des Drucks des momentan verdichteten Gases.
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Aufgrund
der dem Fluid progressiv durch die verschiedenen Komponentenstufen
des Verdichters verliehenen Druckzunahmen werden erhebliche axiale
Kräfte
erzeugt und wirken auf die Welle der Maschine ein. Die Resultierende
dieser Kräfte
ist üblicherweise
so groß,
dass sie (unabhängig
vom Typ) mit einem einfachen Axialschublager nicht ausgeglichen
werden kann.
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Um
diese axialen Kräfte
zu begrenzen, ist es übliche
Praxis, eine Druckausgleichstrommel stromabwärts von der letzten Stufe einzubauen.
Da der Bereich stromabwärts
von der Trommel über
die Ausgleichsleitung mit dem Maschineneinlass verbunden ist, wird
die Trommel einem Differenzdruck angenähert gleich dem, der durch
die gesamte Maschine erzeugt wird, unterworfen. Die auf die Trommel
einwirkende entsprechende Kraft ist daher von der Ausgabe zu dem
Einlass gerichtet (für
den Zweck der Vereinfachung beziehen wir uns hier auf eine Maschine mit
in Reihe angeordneten Stufen) und wirkt daher den auf die einzelnen
Impeller einwirkenden Kräften entgegen.
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Durch
Spezifizieren eines geeigneten Trommeldurchmessers kann der nicht
ausgeglichene Schub (welcher durch das Axiallager ausgeglichen werden
muss) auf den gewünschten
Wert reduziert werden. Normalerweise wird der Wert dieser Restkraft
in einer solchen Weise festgelegt, dass die Last immer in derselben
Richtung in allen Betriebsbedingungen anliegt, sodass eine Umkehrung
der Last und eine daraus folgende axiale Verschiebung des Rotors
unter keinen Umständen
auftreten.
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Die
auf die zwei Flächen
der Trommel einwirkende Druckdifferenz bewirkt auch eine Wanderung von
Gas von der Seite höheren
Drucks zu der Seite niedrigeren Drucks.
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Um
diese Strömung
zu minimieren, ist es allgemeine Praxis, eine Dichtung, deren Form
abhängig
vom Typ der Anwendung variieren kann, an der Position der Trommel
einzubauen.
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Wenn
dieses geschieht, liegen die Enden des Verdichters auf einem gemeinsamen
Druck gleich dem Eingangsdruck der Maschine.
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Dichtungen
werden normalerweise eingebaut, um die Strömung von Gas aus den Enden
des Verdichters zu der Außenumgebung
zu blockieren, welche üblicherweise
auf Atmosphärendruck
liegt.
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Bis
in letzter Zeit waren diese Dichtungen in der großen Mehrheit
der Fälle Öldichtungen.
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Über die
letzten zehn Jahre hinweg hat eine erhebliche Entwicklung von mechanischen
Gasdichtungen stattgefunden, sodass derzeitige Standards die Verwendung
dieser Art von Dichtung außer
in bestimmten seltenen Fällen
vorschreiben.
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Es
ist bekannt, dass der Dichtungswirkungsgrad mechanischer Gasdichtungen
sehr hoch ist, und dass die Leckage sehr niedrig ist.
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Die
Kenntnis, dass der Dichtungswirkungsgrad einer Gasdichtung erheblich
größer als
der einer herkömmlichen
Labyrinth- oder Wabendichtung ist, hat zu der Idee der Beseitigung
des Leckagepfad geführt,
der durch die Ausgleichsleitung der Ausgleichstrommel gebildet wird,
und sich somit allein auf die Enddichtung zu verlassen, um die erforderliche
Abdichtung bereitzustellen.
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Diese
Lösung
wurde daher im Fachgebiet angenommen und der Gasdichtung am Ausgabeende
eines Verdichters dementsprechend die zusätzliche Funktion des Ausgleichs
des axialen Schubs gegeben.
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Jedoch
führt die
Beseitigung der Ausgleichstrommel zu einer Anzahl von Schwierigkeiten.
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Die
wichtigsten Aspekte sind die die Sicherheit betreffenden; wenn eine
Unterbrechung in dem Gasdichtungssystem auftritt, ist keinerlei
Element mehr vorhanden, das den Axialschub ausgleicht, und dieses
kann ernsthafte Konsequenzen für
den Verdichter haben.
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Patent
Abstracts of Japan Vol. 13, no. 477 (M885), 27 October 1989 und
JP 01 187395 beschreiben
einen öllosen
Verdichter zur Verbesserung der Ausgleichsgenauigkeit.
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EP 0 550 801 beschreibt
einen Turboverdichter und ein Verfahren für dessen Steuerung.
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Patent
Abstracts of Japan Vol. 12, no. 137 (M690), 26 April 1988 und
JP 62 258195 beschreiben eine
Wellenabdichtungsvorrichtung für
einen Turboverdichter.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Überwindung
der vorstehend erwähnten
Schwierigkeiten, und insbesondere der einer Bereitstellung eines
Axialschub-Ausgleichssystems für
einen Kreiselverdichter mit verbesserten Sicherheitseigenschaften.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Axialschub-Ausgleichssystems für einen Kreiselverdichter mit
verbesserten Sicherheitseigenschaften, welches die Flexibilität hat, die
Anforderungen der verschiedenen Anwendungen des Kreiselverdichters
zu erfüllen,
um den Wirkungsgrad jederzeit zu optimieren.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Axialschub-Ausgleichssystems für einen Kreiselverdichter mit
verbesserten Sicherheitseigenschaften, welcher insbesondere zuverlässig, einfach
und funktionell und relativ preiswert ist.
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Eine
letzte Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines vollständig reversiblen
Systems, mit anderen Worten, eines, welches es ermöglicht,
mittels einfacher Modifikationen rasch zu der herkömmlichen Verdichterkonfiguration
zurückzukehren
(in welcher die Gasdichtung des Ausgabeendes nicht zum Ausgleichen
des Schubs verwendet wird). In anderer Ausdrucksform dieses Konzeptes,
muss diese Flexibilitätseigenschaft
die leichte Anwendung der vorliegenden Lösung bei bereits in der herkömmlichen Konfiguration
produzierten Maschinen ermöglichen, um
deren Leistung zu verbessern.
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Diese
und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden gelöst, indem
ein Axialschub-Ausgleichssystem für einen Kreiselverdichter mit
verbesserten Sicherheitseigenschaften gemäß Beschreibung in Anspruch
1 hergestellt wird. Weitere Eigenschaften des Axialschub-Ausgleichsystems
für einen
Kreiselverdichter mit verbesserten Sicherheitseigenschaften sind
in den nachfolgenden Ansprüchen
beschrieben.
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Die
Eigenschaften und Vorteile eines Axialschub-Ausgleichssystems für einen
Kreiselverdichter mit verbesserten Sicherheitseigenschaften gemäß der vorliegenden
Erfindung werden durch die nachstehende Beschreibung deutlicher
und offensichtlicher, die im Rahmen eines Beispiels und ohne einschränkende Absicht
unter Bezugnahme auf die beigefügte
schematischen Zeichnung erfolgt, in welcher:
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1 eine
Darstellung eines Axialschub-Ausgleichssystems für einen Kreiselverdichter mit
verbesserten Sicherheitseigenschaften gemäß der vorliegenden Erfindung
ist.
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1 zeigt
ein Axialschub-Ausgleichssystem mit verbesserten Sicherheitseigenschaften,
das insgesamt bei 10 für
einen Kreiselverdichter 12 dargestellt ist. Der Kreiselverdichter 12 weist
einen Rotor 14 auf, mit anderen Worten, eine rotierende
Komponente mit Impellern 16, die zueinander benachbart und
mit einer Welle 18 verbunden sind, welche sich in einem
Stator 20, mit anderen Worten, einer festen Komponente,
dreht.
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Der
Kreiselverdichter 12 enthält auch einen Ausgleichskolben
oder eine Ausgleichstrommel 22 gemäß dem Stand der Technik.
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Genauer
gesagt ist der Ausgleichskolben 22 auf der Welle 18 des
Verdichters 12, stromabwärts von der letzten Verdichtungsstufe
verkeilt. Eine Ausgleichsleitung 24 zur Sicherstellung
des korrekten Betriebs des Ausgleichskolbens 22 ist zwischen
einem Einlass der ersten Verdichtungsstufe und einem Bereich stromabwärts von
dem Ausgleichskolben 22 gemäß der bekannten Technik angeordnet.
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Eine
mechanische Einlassgasdichtung 26 ist um die Welle 18 herum
stromaufwärts
vor der ersten Verdichtungsstufe vorgesehen; eine mechanische Auslassgasdichtung 28 ist
stromabwärts
von dem Ausgleichskolben 22 vorgesehen.
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Die
zwei mechanischen Gasdichtungen 26 und 28 werden
mit Gas über
eine Zuführungsleitung 30 nachgefüllt.
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In
der Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst das Axialschub-Ausgleichssystem 10 den
Ausgleichskolben 22 mit seiner Ausgleichsleitung 24 und
auch die mechanischen Gasdichtungen 26 und 28 mit
deren Zuführungsleitung 30.
Genauer gesagt kann die Ausgleichsleitung 24 mittels Blockierelementen 32,
wie z. B. einem Sperrventil, unterbrochen werden.
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Der
Betrieb des Axialschub-Ausgleichssystems 10 für einen
Kreiselverdichter 12 gemäß der Erfindung ist aus der
vorstehend unter Bezugnahme auf 1 gegebenen
Beschreibung ersichtlich und kann wie folgt zusammengefasst werden.
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Die
Blockierungselemente 32 werden betätigt, um die Ausgleichsleitung 24 der
Ausgleichstrommel 22 zu sperren. Dieses macht die mechanischen Dichtungen 26 und 28 allein
für die
Dichtfunktion verantwortlich.
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Insbesondere
hat die an dem Ausgabeende des Verdichters 12 befindliche
mechanische Auslassdichtung 28 die zusätzliche Funktion des Ausgleichs
des axialen Schubs.
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Der
Durchmesser der Gasdichtung des Ausgabeendes muss daher größer als
der der Dichtung des Einlassendes gemacht werden, um den Ausgleich
des sich ergebenden Axialschubs zu ermöglichen.
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Wenn
dieses erfolgt, werden wenigstens die zwei nachstehenden Vorteile
erzielt:
- – Die
Möglichkeit,
leicht zu der Ausgleichskonfiguration zurückzukehren, die durch den Ausgleichskolben 22 bereitgestellt
wird, indem die Ausgleichsleitung 40 wieder in Betrieb
gesetzt wird, und indem die Auslassgasdichtung 28 durch
eine mit einem Durchmesser gleich dem der Einlassdichtung 26 ersetzt
wird, welche sich auf dem Einlassdruck des Kreiselverdichters 12 befindet.
- – Die
Sicherstellung einer größeren Sicherheit, wenn
ein Bruch in dem System der mechanischen Gasdichtungen 26 und 28 auftritt;
dieses ist der Fall, da das Vorhandensein der Ausgleichstrommel 22 und
ihrer Dichtung (selbst wenn sie mit größerem Abstand zur Verhinderung
einer Überhitzung
ausgeführt
ist), obwohl sie keinerlei Beitrag in normalen Betriebsbedingungen
(Leckage nach außen
ist praktisch 0) leistet, die Erzeugung einer Druckdifferenz zwischen
den zwei Seiten der Ausgleichstrommel 22 bewirkt, wenn
der primäre
Ring der Gasdichtung 26 oder 28 unterbrochen wird,
da die Leckage erheblich ansteigt. Somit kehrt die Ausgleichstrommel 22 zu
ihrer normalen Funktion des Ausgleichs des aerodynamischen Schubs
zurück,
der durch die Impeller 16 erzeugt wird (selbst wenn dieser
ein partieller aufgrund des vergrößerten Abstands der Dichtung ist).
Es sollte angemerkt werden, dass es aufgrund der Anwesenheit der
Ausgleichstrommel 22 erforderlich ist, an dem Ausgabeende
eine Gasdichtung 28 mit einem deutlich größeren Durchmesser
als dem zu verwenden, als er gehabt hätte, wenn die Ausgleichstrommel 22 entfernt
worden wäre.
- – Die
Möglichkeit
einer Implementation der erfindungsgemäßen Lösung selbst in bestehenden Maschinen;
natürlich
macht der Umstand, dass sich der Aufbau der Maschine nicht ändert, wenn von
einer Konfiguration auf die andere übergegangen wird (die Gasdichtung 28 und
die Ausgleichstrommel 22 sind am Ausgabeende in beiden
Fällen
vorhanden), möglich,
diese Lösung
in bestehenden Maschinen in einer solchen Weise zu implementieren,
dass die thermodynamische Leistung verbessert wird.
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Während des
Startvorgangs mit dem unter Druck gesetzten Kreiselverdichter 12 bewirkt
der Unterschied im Durchmesser zwischen den zwei Gasdichtungen 26 und 28 die
Erzeugung eines Axialschubs gleich dem Produkt des relativen Innendruckes
des Verdichters 12 und der Differenz der Fläche zwischen
der Ausgabegasdichtung 28 und der der Einlassgasdichtung 26 an
dem Einlassende. Natürlich
wird der Startschub größer, sobald
die Differenz zwischen den Durchmessern der zwei Gasdichtungen 26 und 28 zunimmt.
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Der
axiale Schub bewirkt das Auftreten eines Reibungsdrehmomentes auf
dem Schublager der Welle 18 (in dem Falle von geschmierten
Lagern): dieses Drehmoment nimmt mit dem axialen Schub zu.
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Um
den Start des Kreiselverdichters 12 zu ermöglichen,
kann es erforderlich sein, ein Direktschmierungsschublager zu benutzen,
welches als der "jack
in oil"-Typ bekannt
ist.
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Ein
weiterer Aspekt von erheblicher Bedeutung für den korrekten Betrieb des
Axialschub-Ausgleichssystems 10 für den Kreiselverdichter 12 gemäß der vorliegenden
Erfindung betrifft das Versorgungssystem für die Gasdichtungen 26 und 28.
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Dieses
beruht darauf, da wie bekannt, eine mechanische Gasdichtung für den korrekten
Betrieb ein Versorgungssystem benötigt, welches die Dichtung
mit sauberem frischem Gas füllt,
um die zwischen den Dichtungsringen erzeugte Wärme abzuführen.
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In
der vorliegenden Anwendung arbeitet die Gasdichtung 28 deutlich
mit einem Druck auf dem primären
Ring der gleich dem Ausgabedruck des Verdichters 12 ist.
In Anwendungen des Verdichters 12, wie z. B. solchen, die
einen hohen Druck erfordern (wie z. B. Reinjektion), bei dem der
Einsatz des Axialschub-Ausgleichssystems 10 für den Kreiselverdichter 12 gemäß der Erfindung
aufgrund der erheblichen Leckage der Ausgleichstrommel 22 besonders vorteilhaft
ist, erfordert die Versorgung der Endgasdichtung 28 die
Zuführung
von Gas bei hohem Druck. Derartiges Gas steht nicht immer leicht
in einer Industrieanlage zur Verfügung.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des Axialschub-Ausgleichssystems 10 für einen Kreiselverdichter 12 gemäß der vorliegenden
Erfindung entnimmt die Versorgungsleitung 30 Gas aus dem
Ausgabeende des Diffusors der letzten Verdichtungsstufe des Kreiselverdichters 12 (unmittelbar
stromaufwärts
vor dem Leitkranz) und leitet es über verdichterexterne Rohre 12 selbst
zu einem Hochdruckfilter; sie führt
es dann in das Innere des Verdichters 12 an den Positionen
der Endlabyrinthdichtungen der Verdichters 12 (an den primären Ringen
der Gasdichtungen 26 und 28) zurück.
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In
der Praxis kann die Versorgungsleitung aufgrund der nachstehenden
Umstände
korrekt arbeiten.
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Zuerst
wird das Gas aus dem Ausgabeende des Diffusors (vor dem Eintritt
in den Leitkranz) entnommen und daher ist sein Druck größer als
der des Ausgabeflansches des Verdichters 12.
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Ferner
ist der Druck an dem primären
Ring der Gasdichtung 28 an dem Ausgabeende kleiner als der
Ausgabedruck des letzten Impellers 16 aufgrund des an der
Rückseite
des letzten Impellers 16 vorhandenen Sekundäreffektes.
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Aufgrund
der Tangentialgeschwindigkeitskomponente des Gases in dem Raum zwischen
dem Rotor und dem Stator an der Rückseite des letzten Impellers 16 (der
Druckgradient hängt
von der Dichte des Gases und dem Quadrat der tangentialen Geschwindigkeit
ab) wird eine Druckdifferenz zwischen dem Ausgabeende des letzten
Impellers 16 und der Ausgleichstrommel 22 erzeugt.
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Wenn
wir den Druckabfall über
der Dichtung der Ausgleichstrommel 22 vernachlässigen,
welche einen vergrößerten Abstand
besitzt, ist die vorgenannte Druckdifferenz auch die Druckdifferenz
zwischen dem primären
Ring der Gasdichtung 28 und dem Ausgabeende des Impellers 16 der
letzten Stufe.
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In
Hochdruckanwendungen (über
300 bar) ist diese Druckdifferenz in der Größenordnung von 5–6 bar.
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Alle
Unsicherheiten in der Berechnung von Drücken und demzufolge in der
Spezifikation der Durchmesser der mechanischen Gasdichtungen 26 und 28 können nachträglich durch
geeignete Unterdrucksetzung des primären Rings der Gasdichtung 28 an
dem Ausgabeende oder des der Dichtung 26 an dem Einlassende
kompensiert werden.
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In
Labortests wurde das Axialschub-Ausgleichssystem 10 für einen
Kreiselverdichter 12 gemäß der vorliegenden Erfindung
erfolgreich auf einen Kreiselverdichter 12 mit einem niedrigen
Strömungskoeffizienten
alten Typs angewendet, dessen Leistung nicht zufrieden stellend
war. Vor der Einführung dieser
Lösung
betrug die Rückführung der
Ausgleichsleitung 24 bis zu 35% der Flanschströmungsrate;
nach der Einführung
der beschriebenen Modifikation konnte die vorstehend erwähnte Leckage
nahezu vollständig
beseitigt werden (was Strömungsraten
in der Größenordnung
von 400–500
sL/Min ergab) und die erforderliche Verdichtungsleistung konnte
daher auf angenähert
35% reduziert werden.
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Es
sollte angemerkt werden, dass die Leckage von Gas über die
Ausgleichstrommel minimiert werden kann, indem die Ausgleichsleitung
gesperrt wird. Dieses macht es letztlich möglich, den Wirkungsgrad von
Kreiselverdichtern zu erhöhen.
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Es
sollte an diesem Punkt erwähnt
werden, dass das Axialschub-Ausgleichssystem für einen Kreiselverdichter gemäß der vorliegenden
Erfindung eine vollständig
reversible Lösung
bereitstellt; mit anderen Worten, es ist möglich, von einem Betrieb mit einem
Ausgleichskolben zu einem Betrieb mit mechanischen Gasdichtungen
zu wechseln.
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Das
Axialschub-Ausgleichssystem für
einen Kreiselverdichter gemäß der vorliegenden
Erfindung kann vorteilhaft für
die Aufrechterhaltung und Aufrüstung
bestehender Kreiselverdichter mit Ausgleichskolben des herkömmlichen
Typs verwendet werden, da die Risiken in Verbindung mit einer Lösung unter Verwendung
mechanischer Gasdichtungen alleine dadurch minimiert werden, dass
es ermöglicht
wird, zu einer herkömmlichen
Lösung
mit einem Ausgleichskolben zurückkehren,
indem lediglich ein paar Komponenten ersetzt werden.
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Die
vorstehende Beschreibung hat die Eigenschaften des Axialschub-Ausgleichssystems
für einen
Kreiselverdichter mit verbesserten Sicherheitseigenschaften gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben, und hat die entsprechenden Vorteile demonstriert.