DE7906133U1

DE7906133U1 - Mehrstufiger turboverdichter mit zahlreichen wellen

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Publication number: DE7906133U1
Application number: DE19797906133U
Authority: DE
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 1978-03-07
Filing date: 1979-03-06
Publication date: 1979-08-30
Also published as: JPS5817358B2; GB2018893B; DE2908774A1; GB2018893A; CH639463A5; FR2419416A1; IT1163966B; FR2419416B1; US4219306A; JPS54117916A; US4219306B1; IT7948208A0; DE2908774C2; BR7901359A

Description

KAWASAKI JUKOGYO KABUSHIKI KAISHA, Kobe-Shi, Japan

Mehrstufiger Turboverdichter mit zahlreichen Wellen

Die Neuerung bezieht sich im allgemeinen auf mehrstufige Turboverdichter und insbesondere auf eine Bauart derselben, bei welcher die Kreiselräder einer Anzahl von Kreiselverdichtern auf je einer von zahlreichen rotierenden Wellen befestigt sind und alle Verdichter durch Gasleitungen verbunden sind, um eine einzige mehrstufige Kombination von Verdichtern mit aufeinanderfolgenden Verdichtungsstufen zu bilden. Ein wichtiges Merkmal dieses mehrstufigen Verdichters gemäß der Neuerung besteht darin, daß ein Kreiselrad einer vorangehenden Stufe unter den Kreiselrädern auf jeder Welle einen Austritts-Strömungswinkel aufweist, der kleiner als derjenige des Kreiselrads der nachfolgenden Stufe ist, wodurch man erreicht, daß die spezifische Drehzahl eines jeden Kreiselrades innerhalb seinen optimalen Bereiches liegt.

Im allgemeinen ist ein gasförmiges Medium, wie beispielsweise Luft oder ein Gas komprimierbar, und wenn daher das gasförmige Medium zu dem Zweck verdichtet wird, seinen Druck zu erhöhen, verringert sich sein Volumen in bekannter Weise gemäß dem Boyleschen Gesetz (auch bekannt als Mariottisches Gesetz).

Damit ein vierstufiger Verdichter Luft ansaugt und einen Austritts- oder Abgabedruck von 686,7 kPa (7 kg/cm ) erzeugt, ist es notwendig, daß das Druckverhältnis (d.h. das Verhältnis des absoluten Austrittsdrucks und Ansaugedrucks) einer jeden Stufe mit einem Wert in der Größenordnung von 1,7 ausgewählt wird, und daß das Ausmaß der VoIu-

menströmung des in ein Flügelrad oder Kreiselrad einge- |j

saugten gasförmigen Mediums um etwa 60% verringert wird, ||

wenn der Einlaß der nachfolgenden Stufe erreicht wird. ' |

Damit man einen Austritts- oder Abgabedruck von I

2 H

686,7 kPa (7 kg/cm ) bei einer dreistufigen Verdichtung |

erreicht, ist es erforderlich, ein Druckverhältnis von J etwa 2 für jede Stufe auszuwählen. In diesem Fall wird $ das Ausmaß des Strömungsvolumens am Einlaß des Kreiselrads der folgenden Stufe um etwa 50% von demjenigen der ·.'* vorhergehenden Stufe verringert. ¥enn folglich das Druck- §, verhältnis pro Stufe zunimmt, nimmt auch das Ausmaß der ^ Verringerung des Strömungsvolumens des gasförmigen Mediums
zu, welches in das Kreiselrad einer nachfolgenden Stufe _t eingesaugt wird.

Um einerseits zu erreichen, daß das Kreiselrad einer jj

jeden Stufe eine hohe Leistung bringt, ist es notwendig, 'J

daß die spezifische Drehzahl N_g, die sich aus der folgenden $

Gleichung ergibt, innerhalb eines optimalen Bereichs für |

jede Stufe liegt: ..... ■ |

N_s = N · Q^1/2 / H_ad ^3/4 (1) *

Es bedeuten: N die Drehzahl des Kreiselrads(UpM); Q das ^:

Strömungsvolumen (m /min) einer jeden Stufe; H ·, die ^;: adiabatische Höhe (m.) einer jeden Stufe. Die spezifische

Drehzahl N erhält man aus dem mechanischen Fluid-Gesetz fi

von ähnlichen Turbogebläsen und Verdichtern. Es handelt $

sich hier um eine Größe, die in einer wichtigen Beziehung |

zur Leistung der Turbomaschine steht, und sie stellt auch |

einen wichtigen Faktor bei der Auswahl der Bauart der j;i

Kreiselräder dar. $■

■ ·

Unter der Typenvielfalt von Kreiselrädern sind die gebräuchlichsten folgende:

Die Zentrifugalbauart, die Diagonal-Strömungs-Bauart oder Bauart mit "Misch-Strömung" sowie die Axial-Strömungs- oder Propeller-Bauart. Für jede Bauart gibt es eine optimale spezielle Drehzahl und Kreiselräder mit gleicher spezieller Drehzahl N_ stellen geometrisch ähnliche Kreiselräder dar, unabhängig von ihren Größen und ihren Drehzahlen. Der optimale Wert der speziellen Drehzahl N weist ferner das Charakteristikum auf, daß er mit zunehmender Breite der Flügel des Kreiselrads beim Zentrifugaltyp größer wird und ferner beim Übergang zur Diagonal-Strö=* mungs-Bauart.

Bisher entsprechen in mehrstufigen Turboverdichtern die Kreiselräder der zahlreichen Stufen der Axial-Strömungs-Bauart, der Zentrifugal-Bauart oder einer Kombination dieser zwei Bauarten. In einer gemeinsamen Bauart hat man z.B. Kreiselräder des Zentrifugaltyps von zwei Verdichtern der Axial-Ansaug-Bauart auf den gegenüberliegenden freitragenden Endabschnitten einer einzigen rotierenden Welle befestigt. Die zwei ICr ei selräder sind folglich in beabstandeten Positionen montiert, wobei ihre Ansaugseiten oder Einlaßseiten voneinander abgekehrt sind. Die Welle wird über ein auf ihr fixiertes getriebenes Zahnrad angetrieben, das sich auf ihrem mittleren Teil zwischen den zwei Kreiselrädern befindet. Einer der Verdichter stellt eine erste Stufe dar, deren Einlaß aus einer Axial-Ansaugöffnung besteht und ihr Auslaß oder ihre Austrittsöffnung ist über eine Rohrleitung oder einen Strömungskanal mit der Einlaßöffnung des anderen Verdichters verbunden, der eine zweite Stufe bildet. Die zwei Verdichter bilden folglich in Kombination einen zweistufigen Verdichter. Die Außendurchmesser des Kreiselrads der ersten Stufe und des Kreiselrads der zweiten Stufe sind mit D_ bzw. D^ bezeichnet.

3. U

In einem mehrstufigen Verdichter dieser Bauart, der nur Kreiselräder der Zentrifugal-Bauart verwendet, ist es notwendig, alle Kreiselräder geometrisch gleich zu gestalten, damit die spezielle Drehzahl N_ eines jeden Kreisel-

rades den optimalen Wert erreicht. Aus diesem Grunde ist es, da das angesaugte Strömungsvolumen Q in den strömungsabwärtigen Stufen abnimmt, wie vorstehend erläutert wurde, notwendig, die Größe des Kreiselrads der strömungsabwärts gelegenen Stufe in Übereinstimmung mit der Verringerung der Volumenströmung Q zu reduzieren. Genauer gesagt, es ist erforderlich, z.B. den Außendurchmesser D, des Kreiselrads der zweiten Stufe bei der oben beschriebenen Ausführungsform zu reduzieren.

Da einerseits die adiabatische Größe H-, verhältnisgleich oder proportional zum Quadrat der Außen-Umfangs^eschwindigkeit eines Kreiselrads ist, ist es notwendig, die Drehzahl der zweiten Stufe im umgekehrten Verhältnis zum Außendurchmesser des Kreiselrades zu erhöhen, um die adiabatischen Größen H , gleich zu machen und damit auch die Druckverhältnisse der Stufen. Um dies in der Praxis tat- . sächlich zu realisieren, ist es jedoch notwendig, die Kreiselräder auf getrennten bzw. unabhängig rotierenden Wellen zu befestigen, wodurch jedoch die Zahl der Maschinen-Bauteile zunimmt und Schwierigkeiten bei der Konstruktion des Verdichters auftreten können.

Es ist daher bisjetzt übliche Praxis, zwei Verdichter auf einer einzigen rotierenden Welle zu montieren, wodurch die Drehzahlen der Kreiselräder der zwei Verdichter gleichgehalten werden, und ferner ist es üblich, diese Kreiselräder geometrisch im wesentlichen gleich zu gestalten, wobei der Außendurchmesser D^ des Kreiselrads der zweiten Stufe im Verhältnis J2^/~Q kleiner gehalten wird. Der Grund hierfür besteht darin, daß die Verhältnisse zwischen dem adiabatischen Wert H , und dem Außendurchmesser D des Kreiselrads sowie das Strömungsvolumen Q sich wie folgt

* ■

darstellen:

Aus Gleichung (1).

Aus Gleichungen (2) und (3),

Q^1/3 (4)

Im einzelnen wird bei der Konstruktion des oben beschriebenen Beispiels eines zweistufigen Verdichters, dessen Kreiselräder auf einer einzigen Welle befestigt sind, die folgende Gleichung benutzt:

(5)

Darin bedeuten: CK und CL die Ansaug-Strönungsvclumen der Kreiselräder der ersten und zweiten Stufe. Für den Fall eines Druckverhältnisses von 2, wie vorstehend erwähnt, beträgt das Ansaug-Strömungsvolumen Q^ der zweiten Stufe 50% von demjenigen der ersten Stufe. Aus diesem Grund beträgt der Außendurchmesser D^ des Kreiselrads der zweiten Stufe 3 o,5, wie sich aus der Gleichung (5) ergibt, d„h. 79% vom Außendurchmesser D„ des Kreiselrads der ersten

EL

Stufe. Die adiabatische Größe der zweiten Stufe verringert sich daher au:
ersten Stufe.

sich daher auf (0,79) , das sind 63% von derjenigen der

Um folglich einen bestimmten Druckanstieg von dem Verdichter in der Form eines mehrstufigen Turboverdichter zu erreichen, ist es daher notwendig, die Drehzahl der gemeinsamen Welle weiter zu erhöhen oder die Zahl der Stufer

zu steigern. Die zuerstgenannte Maßnahme ist jedoch für den Fall nicht durchführbar, daß die Außen-Umfangsgeschwindigkeit des Kreiselrads der ersten Stufe die zulässige Grenze für das Material des KreiselVerdichters erreicht, während die zuletztgenannte Maßnahme nicht nur zu hohen | Kosten führt sondern gewöhnlich auch zu Schwierigkeiten | bei der Konstruktion. ■;'

Selbst in dem Fall, daß glücklicherweise die gefor- ||

derte Drehzahl der Welle innerhalb der Grenzen liegt, die |

durch die Festigkeit des Materials des Kreiselrads der p

ersten Stufe gesetzt sind und auch durch die mechanische |

Leistung des Fluids, ergibt sich folgendes: |

Da die Fliehkraft, die an dem Kreiselrad der zweiten Stufe \

eingreift, im Verhältnis zum Quadrat der Außen-Umfangsgeschwindigkeit abnimmt, erreicht sie 63% der Fliehkraft für

das Kreiselrad der ersten Stufe. Dies bedeutet, daß die ■$

Fliehkraft der zweiten Stufe wesentlich geringer ist als |

es die zulässige Festigkeit erlauben würde, die dem Mate- |

rial des Kreiselrads eigen ist, was bedeutet, daß das #

Kreiselrad der zweiten Stufe im Hinblick auf eine optimale f

Materialnutzung eine überflüssige Festigkeit aufweist und

die Kosten dadurch unnötig hochgetrieben werden. |,

Der vorliegenden Neuerung liegt daher die Aufgabe · zugrunde, die oben beschriebenen Probleme zu überwinden, γ. die beim Stand der Technik auftreten. f

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen : des Anspruches 1 aufgeführten Merkmale. Der mehrstufige Verdichter weist einen Aufbau auf, bei welchem die Kreiselräder eine Anzahl von Kreiselverdichtern auf jeweils einer von zahlreichen rotierenden Wellen befestigt sind und die Verdichter durch eine Gasleitung untereinander verbunden sind, um eine einzige mehrstufige Kombination von Verdichtern mit aufeinanderfolgenden Verdichtungsstufen zu bilden.

Dabei weist ein Kreiselrad einer vorhergehenden Stufe der Kreiselräder auf jeder Welle einen Austritts-Strömungswinkel auf, der kleiner ist als derjenige des Kreiselrads der nachfolgenden Stufe, was zur Folge hat, daß die speziellen Drehzahlen sämtlicher Kreiselräder optimalen Werten entsprechen. Durch diese Maßnahme wird eine hohe Leistung und ein beträchtliches Druckerhöhungsvermögen in dem mehrstufigen Verdichter gemäß der Neuerung erreicht. Ferner wird die Festigkeit des Materials eines jeden Kreiselrads wirksam genutzt. Als Folge hiervon kann die Gesamtzahl der Stufen des Verdichters verringert werden, wodurch der gesamte Verdichter in kleinen Abmessungen hergestellt werden kann.

Die Neuerung wird anschließend an Hand der Zeichnungen eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

F i g . 1 einen schematischen Längsschnitt von den wesentlichen Teilen eines Beispiels eines Verdichters gemäß einer Ausführungsform dieser Neuerung mit einem Zahnrad-Übersetzungsgetriebe;

F i g . 2 eine vergrößerte Seitenansicht der wesentlichen Teile des in Fig. 1 gezeigten Verdichters und

F i g . 3 ein perspektivisches Schaubild zur Erläuterung der Gasströmung innerhalb eines Kreiselrads.

Es wird nun auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen. Das in diesen gezeigte Beispiel eines vielstufigen Turboverdichters gemäß der Neuerung besteht aus einer Bauart mit Übersetzungsgetriebe, zwei Wellen und einer vierstufigen Anordnung, wobei die Kreiselräder sämtliche vier Stufen aus einer Axial-Saug-Bauart bestehen. Wie in Fig. gezeigt ist, enthält der Turboverdichter ein Gehäuse 1,

welches ein Übersetzungsgetriebe aufnimmt und ein Haupt-Konstruktionsteil des Verdichters bildet. An diesem Gehäuse 1 sind vier Verdichter-Gehäuse 31, 311, 3HI und 3IV befestigt, in denen vier Kreiselräder 21, 211, 2III und 2IV untergebracht sind. Die römischen Zahlen, also I, II, III und IV, dienen dazu, die erste, zweite, dritte und vierte Stufe des vielstufigen Turboverdichters zu kennzeichnen. Die Kreiselräder 21 bis 2IV und die Gehäuse 31 bis 3IV bilden vier Verdichter 4l, 4ll, 4III und 4lV.

Das Kreiselrad 21 der ersten Stufe besteht aus einer Bauart, in der eine Diagonalströmung bei axialer Ansaugung vorliegt, während das Kreiselrad 211 der zweiten Stufe von einer Ausführung ist, bei welcher eine zentrifugale Strömung bei axialer Ansaugung vorliegt. Diese zwei Kreiselräder 21 und 211 sind überstehend an gegenüberliegenden Enden einer einzigen rotierenden Welle 6 befestigt, welche in zwei Lager 5 drehbeweglich abgestützt ist. Die Lager sind zwischen den Kreiselrädern 21 und 211 positioniert sowie an den gegenüberliegenden Seiten eines Ritzels 7, welches an mittleren Teil der Welle 6 angeordnet ist und mit einem großen treibenden Zahnrad 8 kämmt.

Das Kreiselrad 2III der dritten Stufe besteht aus einer Bauart, in welcher eine Diagonalströmung bei axialer Ansaugung vorherrscht, während das Kreiselrad 2IV der vierten Stufe aus einer Zentrifugal-Bauart mit axialer Ansaugung besteht. Diese zwei Kreiselräder 2III und 2IV sind ebenfalls überstehend an gegenüberliegenden Enden einer anderen einzigen rotierenden Welle 10 befestigt, die in Lager 9 drehbeweglich abgestützt ist. Die Lager 9 sind zwischen den Kreiselrädern 2III und 2IV angeordnet sowie an gegenüberliegenden Seiten eines Ritzels 11, das am mittleren Teil der Welle 10 vorgesehen ist und mit dem großen treibenden Zahnrad 8 kämmt.

Das treibende Zahnrad 8 ist auf einer langsam drehenden Welle 13 befestigt, die in Lager 12 drehbar abgestützt ist und mit ihrem einen Ende durch eine Kupplung 14 mit der Abtriebswelle einer Antriebsvorrichtung oder Antriebsmaschine 15 gekuppelt ist. Die Drehzahl der Antriebsmaschine 15 wird erhöht entsprechend den Übersetzungsverhältnissen zwischen dem treibenden Zahnrad 8 und den Ritzeln 7 und 11, wodurch die Wellen 6 und 10 mit einer derart hohen Drehzahl angetrieben werden, daß die Kreiselräder 21, 211, 2III und 2IV, welche auf diesen Wellen befestigt sind, die von ihnen geforderten Druckverhältnisse erzeugen. Für den Fall, daß das treibende Zahnrad 8 mit zahlreichen Ritzeln, beispielsweise den Ritzeln 7 und 11 kämmt, unterscheiden sich deren Übersetzungsverhältnisse im allgemeinen, und die Drehzahlen der Wellen 6 und 10 sind gewöhnlich unterschiedlich.

Zwischenkühler 16, 17 und 18, die getrennt von der Hauptkonstruktion des Verdichters vorgesehen sind, sind durch Verbindungsrohrleitungen 22 zwischen der Auslaßöffnung 211 des Verdichters 41 und der Ansaugöffnung 2011 des Verdichters 4ll, zwischen der Auslaßöffnung 2111 des Verdichters 411 und der Ansaugöffnung 20III des Verdichters 4III und zwischen der Auslaßöffnung 21III des Verdichters 4lII und der Ansaugöffnung 20IV des Verdichters 4lV verbunden.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, sind die Verdichter 4l und 4ll der ersten und zweiten Stufen an den gegenüberliegenden Enden der gleichen Welle 6 vorgesehen, so daß die Drehzahlen ihrer Kreiselräder 21 und 211 gleich sind. In gleicher Weise sind die Verdichter 4III und 4IV der dritten und vierten Stufe auf den gegenüberliegenden Enden der gleichen Welle 10 vorgesehen, so daß die Drehzahlen ihrer Kreiselräder 2III und 2IV gleich sind.

Im abgebildeten Beispiel bestehen die Kreiselräder
21 und 211 der ersten Stufe und der dritten Stufe aus
einer Diagonal-Strömungs-Bauart, auch bekannt als "Misch-Strömungs"-Bauart. Ein Diagonal-Strömungs-Kreiselrad ist
im allgemeinen ein Kreiselrad, welches einen Gaseinlaß,
an dem das vorwärts zu treibende Gas in axialer Richtung
strömt und einen Auslaß aufweist, an dem das Gas in einer
Richtung diagonal zur axialen Richtung oder schräg zu
dieser ausströmt.

Im einzelnen wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 davon j§

ausgegangen, daß eine Meridional-Ebene 33 im Gas-Strömungs- f

pfad durch ein Kreiselrad von dessen Einlaß 31 zu seinem ?

Auslaß 32 vorhanden ist. In diesem Fall weist an einer |

Strömungslinie 34 innerhalb der Meridional-Sbene die J

Austrittsgeschwindigkeit C der Gasströmung aus dem Kreisel- I

rad heraus nicht nur eine radiale Komponente C_R und eine ^

tangentiale Komponente C_Q wie bei einem Kreiselrad der |

Zentrifugalbauart auf, sondern auch eine axiale Komponente |

C-. Wenn folglich der Austritts-Strömungswinkel am Aus- . f

laß 32 des Kreiselrads, d.h. der Winkel c*j zwischen der ;|

Strömungskomponente C entlang der oben erwähnten Strö- J&

mungslinie und der axialen Richtung Z gleich 0° wird, f

hat man ein Kreiselrad der Axial-Strömungs-Bauart, wohin- ,,;

gegen, wenn dieser Winkel*^ 90° beträgt, das Kreiselrad ■· ein solches der Zentrifugal-Bauart ist. Aus diesem Grund

besitzt ein Kreiselrad, das die Eigenschaften eines Dia- ■

goan-Strömungs-Typs zeigt, in der Praxis tatsächlich einen ^

Austritts-Strömungswinkeld" im Bereich von 20 bis 70°. I

In diesem Fall eignet sich ein solches Kreiselrad |

für eine Anwendung, wo Eigenschaften verlangt werden, die f

zwischen denjenigen der Zentrifugal-Bauart und denjenigen |

der Axial-Strömungs-Bauart liegen, z.B. zur Verwendung in |

einem mittleren spezifischen Drehzahlbereich. Je kleiner ||

der Austritts-Strömungswinkel <v ist, desto größer ist die |j

t · · • e ·

spezifische Drehzahl N und um so höher die Leistung. Bei einem Diagonal-Strömungs-Kreiselrad kann daher eine optimale spezifische Drehzahl N, die größer als diejenige eines Kreiselrads der Zentrifugal-Bauart mit dem gleichen Außendurchmesser ist, verwendet werden. Wie aus der Gleichung (1) hervorgeht, ist das Strömungsvoluinen Q proportional zum Quadrat der spezifischen Drehzahl N . Ein Diagonal-Strömungs-Kreiselrad, welches eine hohe optimale spezifisehe Drehzahl N aufweist, kann daher im Vergleich zu einem Kreiselrad der Zentrifugalbauart mit dem gleichen Außendurchmesser ein größeres Strömungsvolumen liefern, proportional zum Quadrat des Verhältnisses der optimalen spezifischen Drehzahlen N₀ der zwei Bauarten von Kreiselrädern.

Aufgrund dieser Charakteristika eines Diagonal-Strömungs-Kreiselrades wird gemäß dieser Neuerung der Austritts-Strömungsv^inkel CCI des Kreiselrads 21 der ersten Stufe auf einen Wert eingestellt, der kleiner ist als der Austritts-Strömungswinkel c*-II des Kreiselrads der zweiten Stufe, wie in Fig. 2 gezeigt ist, so daß das Verhältnis zwischen den optimalen spezifischen Drehzahlen und den Strömungsvolumen der ersten und zweiten Stufe durch folgende Gleichung ausgedrückt werden kann:

üs£ . /ffl" (6)

n_sII V QIi

Dies gilt für den Fall, daß das Kreiselrad 21 der ersten Stufe der Diagonal-Strömungs-Bauart und das Kreiselrad 211 der zweiten Stufe von der Zentrifugal-Bauart auf einer einzigen Welle fest montiert sind, wie vorstehend beschrie- hen wurde und in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist. Durch diese Einstellung der Austritts-Strömungswinkel co ι und <& II erzielt man eine maximale Leistung, und zwar aufgrund optimaler spezifischer Drehzahlen N der zwei Kreiselräder 21 und

211, die im wesentlichen den gleichen Außendurchmesser D aufweisen und mit der gleichen Drehzahl umlaufen.

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Ferner ist es möglich, die Zentrifugal- oder Fliehkräfte der Kreiselräder 21 und 211 für die erste und zweite Stufe voll bis zu den zulässigen Grenzen auszunutzen, die durch ihre Materialien vorgegeben sind. Für den Fall z.B., daß das Druckverhältnis jeder Stufe 2 ist, beträgt das Strömungsvolumen am Einlaß der nachfolgenden Stufe etwa 50% von demjenigen der vorhergehenden Stufe, wie vorstehend erläutert wurde. Aus diesem Grund gilt für die Verhältnisse der optimalen spezifischen Drehzahlen folgendes:

(7)

Um das optimale spezifische Drehzahl-Verhältnis 1,4 im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Neuerung zu erhalten, hat man das Kreiselrad 211 der nachfolgenden Stufe demzufolge als ein solches der Zentrifugal-Bauart koncipiert, d.h., der Austritts-Strömungswinkel ckll wurde auf 90° festgelegt, während das Kreiselrad 21 der vorhergehenden Stufe so ausgelegt wurde, daß es einem Diagonal-Strömungs-Typ mit einem Austritts-Strömungswinkel cK/I von 45° entsprach.

Das Verhältnis zwischen dem Kreiselrad 2III der dritten Stufe und dem Kreiselrad 2IV der vierten stufe, die auf der anderen Welle 10 befestigt sind, wie Fig. 1 zeigt, ist identisch mit dem vorstehend beschriebenen. Das Kreiselrad 2III der dritten Stufe besteht demzufolge aus einem Diagonal-Strömungs-Typ mit einem Austrittsströmung swinkel von 45°, während das Kreiselrad 2IV der vierten Stufe der Zentrifugalbauart entspricht.

Das optimale spezifische Drehzahlverhältnis des Kreiselrads 211 der zweiten Stufe und des Kreiselrads 2IH der dritten Stufe wird in üblicher V/eise dadurch eingestellt, daß man die Zahl der Zähne der Ritzel 7 und 11 in geeigneter

Weise auswählt, d.h. in Übereinstimmung mit dem Unterschied zwischen den Drehzahlen der rotierenden Wellen 6 und 10 und dem Unterschied zwischen den Außendurchmessern der Kreiselräder.

Der vielstufige Turboverdichter mit dem oben beschriebenen Aufbau gemäß der Neuerung arbeitet wie folgt:

Wie in Fig. 1 angedeutet ist, wird ein gasförmiges Medium a, wie z.B. Luft oder ein Gas, durch den Verdich- ( ter 4l der ersten Stufe verdichtet, wobei sein Druck angehoben wird, und nach dem Durchtritt durch den Zwischenkühler 16 wird das gasförmige Medium eingeführt in den Verdichter 411 der zweiten Stufe, dessen Kreiselrad 211 sich auf der gleichen rotierenden Welle 6 befindet. Das gasförmige Medium a wird durch diesen Verdichter 411 weiter verdichtet, wobei sein Druck erhöht wird.

In diesen Behandlungsschritten der Verdichtung und der Druckerhöhung liegen die spezifischen Drehzahlen N j und N_sjj der Kreiselräder 21 und 211 innerhalb ihrer entsprechenden optimalen Bereiche, so daß die entsprechenden Verdichtungsleistungen hoch sind. Ferner wird die Temperatur des gasförmigen Mediums a, das durch den Verdichter 41 der ersten Stufe verdichtet und unter Druck gesetzt wird, durch die Verdichtung erhöht, jedoch wird dieses gasförmige Medium a durch den Zwischenkühler 16 gekühlt, bevor es in den Verdichter 4ll der zweiten Stufe eintritt. Die Verdichtungsschritte entsprechen daher annähernd einer isothermischen Verdichtung, wodurch die Verdichtungsleistung weiter erhöht wird.

Das von dem Verdichter 411 der zweiten Stufe abgegebene gasförmige Medium a wird weiter durch den zweiten Zwischenkühler 17 gekühlt und tritt anschließend in den Verdichter 4III, dessen Kreiselrad 2III auf der anderen rotierenden Welle 10 befestigt ist. Das gasförmige Medium a

I I

I I ι

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strömt, nachdem es durch den Verdichter 4III mit der dritten Stufe -weiter verdichtet worden ist, durch den dritten Zwischenkühler 18 und gelangt in den Verdichter 4lV der vierten Stufe, dessen Kreiselrad 2IV auf der gleichen rotierenden Welle 10 befestigt ist. Das gasförmige Medium a wird auf diese Weise verdichtet und sein Druck wird auf den geforderten Wert erhöht, und schließlich wird es abgegeben.

Wenn der geforderte Abgabedruck relativ niedrig liegt, wird in manchen Fällen der Verdichter 4lV der vierten Stufe weggelassen, so daß man einen Gesamtverdichter der dreistufigen Bauart erhält. In anderen Fällen können unter dem Einsatz von drei oder mehr rotierenden Wellen zusätzlich zu den vier Verdichtern der oben beschriebenen vier Stufen weitere Verdichter (nicht gezeigt) vorgesehen v/erden.

Gemäß der Neuerung wird, wie vorstehend beschrieben, ein vielstufiger Verdichter geschaffen , in dem die Kreiselräder zahlreicher Kreiselverdichter auf zahlreichen unterschiedlichen rotierenden Wellen befestigt sind, und von den auf jeder einzelnen Welle befestigten Kreiselrädern weist das Kreiselrad des Verdichters der vorhergehenden Stufe einen Austrittsströmungswinkel auf, der kleiner als derjenige des Kreiselrads des Verdichters der nachfolgenden Stufe ist, wodurch bewirkt wird, daß die spezifischen Drehzahlen sämtlicher Kreiselräder bei optimalen Werten liegen. Durch diese Maßnahme wird eine hohe Leistung und ein großes Druck-Erhöhungsvermögen im vielstufigen Verdichter gemäß der Neuerung erzielt.

Ferner sind, ohne die obigen vorteilhaften Merkmale zu beeinträchtigen oder nachteilig zu beeinflussen, sämtliche Kreiselräder so ausgeführt, daß sie den gleichen Außendurchmesser aufweisen, wodurch die Materialfestigkeit eines jeden Kreiselrades effektiv genutzt v/erden kann.

III» r *

■ · I t

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Diese Maßnahme gemäß der Neuerung ermöglicht eine Verringerung der Zahl der rotierenden Wellen oder der Zahl der Verdichter in bezug auf den vom Verdichter verlangten Druck. Dies bedeutet mit anderen Worten, daß die Größe des gesamten Verdichters reduziert und seine Konstruktion vereinfacht werden kann.

Es kommt noch folgendes, hinzu: Während die Außenabmessungen eines Verdichters im allgemeinen beeinflußt sind durch den Außendurchmesser des Kreiselrads der ersten Stufe, das eben den größten Außendurchmesser aufweist, ist da das Kreiselrad der ersten Stufe gemäß der Erfindung durch ein solches der Diagonal-Ströraungs-Bauart gebildet ist, der Außendurchmesser dieses Kreiselrads mit Diagonalströmung kleiner als derjenige eines herkömmlichen Kreiselrads der Zentriiugalbauart, wenn ein gasförmiges Medium mit der gleichen Volumenströmung verdichtet wird. In dem Fall, daß z.B. das Druckverhältnis 2 vorliegt, beträgt der Außendurchmesser eines Kreiselrads der Diagonal-Strömungsbauart 79% von demjenigen eines Kreiselrads der Zentrifugalbauart mit äquivalentem Strömungsvolumen. Auch dadurch wird weiter eine Reduzierung der Größe des vielstufigen Verdichters möglich gemacht.

Claims

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1) Mehrstufiger Turboverdichter mit einer Anzahl von Kreiselverdichter!! zum Verdichten eines Gases, die mit entsprechenden Kreiselrädern versehen und durch Gasleitungen verbunden sind, um eine einzige mehrstufige Kombination von Verdichtern mit aufeinanderfolgenden Verdichtungsstufen zu bilden, einer Anzahl von getrennten rotierenden Wellen, von denen eine jede eine Anzahl von Kreiselrädern der aufeinanderfolgenden Stufen trägt und mit einer Antriebsvorrichtung zum Antreiben der rotierenden Wellen,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Kreiselrad (21 oder 2III) einer vorhergehenden Stufe unter den Kreiselrädern (21, 211, 2III und 2IV) auf jeder Welle (6 oder 10) einen Austritts-Strömungswinkel (til oderct-III) aufweist, der kleiner ist als derjenige (dCri oder (CIV) des Kreiselrads (211 oder 2IV) der nachfolgenden Stufe.

2. Mehrstufiger Turboverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Welle (6 oder 10) zwei Kreiselräder (21, oder 2III, 2IV) trägt, von denen mindestens das Kreiselrad (21 oder 2III) der vorhergehenden Stufe ein Diagonal-Strömungs-Kreiselrad ist.

3. Mehrstufiger Turboverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gas-Kühlvorrichtung (16, 17 oder 18) in der Gasleitung (22) zwischen jedem Paar von benachbarten Verdichtern einer vorhergehenden Stufe und der nachfolgenden Stufe eingebaut ist.

4. Mehrstufiger Turboverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Kreiselräder (21, 211, 2III und 2IV) den gleichen Außendurchmesser aufweisen.