EP0653566B1 - Getriebeverdichter für die Verdichtung von Sauerstoff - Google Patents

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EP0653566B1
EP0653566B1 EP94112720A EP94112720A EP0653566B1 EP 0653566 B1 EP0653566 B1 EP 0653566B1 EP 94112720 A EP94112720 A EP 94112720A EP 94112720 A EP94112720 A EP 94112720A EP 0653566 B1 EP0653566 B1 EP 0653566B1
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EP
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compressor
gear
bearing
rotor shaft
oxygen
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EP94112720A
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Heinrich Dr. Prümper
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GHH Borsig Turbomaschinen GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/05—Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/056—Bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F04D25/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F04D25/16—Combinations of two or more pumps ; Producing two or more separate gas flows
    • F04D25/163—Combinations of two or more pumps ; Producing two or more separate gas flows driven by a common gearing arrangement

Definitions

  • the invention relates to a gear compressor according to the generic term of Claim 1 as known from US-A-3 355 096.
  • oxygen has been mainly produced using so-called classic, multi-stage single-shaft compressor and depending on Compressor of this type compresses final pressure.
  • Oxygen can also be compressed by gear compressors, if the following design features are observed. So must the lubricating oil for the bearings and the pumped medium oxygen be carefully separated from one another due to the risk of explosion. That is why in such compressors are those between the bearings and sealing systems (labyrinths) located on the impellers extended and designed as multi-chamber systems. This will however the overhang between the center of gravity of the impeller and the camp center disproportionately large, which is inevitable unfavorable rotor dynamic properties leads.
  • the invention has for its object in the compression of oxygen in a geared compressor Keep oxygen and the lubricating oil separate from each other and at the same time favorable rotor dynamic properties for the To achieve gear compressor.
  • the geared compressor shown serves to compress Oxygen and contains four compressor stages, of which in Fig. 1 on the left side the first and the third compressor stage 1, 3 are shown, while the second and fourth Compressor stage 2, 4 are only indicated by stub shafts.
  • the compressor stages 1 to 4 are integrated oil-lubricated gear driven.
  • the gearbox contains a central drive gearwheel within a gear housing 5 6, mesh with the pinion 7.
  • Each pinion 7 sits on a rotor shaft 8, the end facing away from the pinion 7
  • Impeller 9 of a compressor stage 1 to 4 carries.
  • Each rotor shaft 8 is on the side facing away from the impeller 9 in the Gearbox 5 in an oil-lubricated, as a tilting segment bearing trained camp 10 stored.
  • the passage of the rotor shaft 8 through the gear housing 5 is on one side by a End cap 11 and on the other side with a Air seal applied shaft seal 12 against the free Sealed atmosphere.
  • Each is a free-standing plate 13 Retaining structure is in on two opposite sides a distance from the gear housing 5.
  • the plates 13 are via spacers 14 with the gear housing 5 connected and stand together with the gear housing 5 a foundation, not shown. Is between the plates 13 thus an intermediate space through which ambient air flows.
  • Each compressor stage 1 to 4 contains an impeller 9, which in one Compressor housing 15 rotates.
  • the compressor housing 15 is with provided an inlet part 16 and on the rear side closed by a rear wall 17.
  • the rear wall 17 of the Compressor housing 15 is attached to the plate 13 so that the Plates 13 carry the compressor stages 1 to 4.
  • each compressor stage 1 to 4 passes through the plate 13 and is here in an additional warehouse 18 stored.
  • a hydraulic tilting segment bearing can be used as a bearing be used with an oxygen compatible Lubricants e.g. B. water is lubricated.
  • the additional bearing 18 can also be designed as a magnetic bearing be.
  • Such magnetic bearings are known. You lead the wave by means of controlled magnetic fields. Because of these magnetic bearings Rotor shaft 8 guided precisely and self-balancing.
  • This auxiliary warehouse is in the inlet part 16 of the compressor housing 15 is arranged.
  • the auxiliary camp exists from a conical catch bearing 19, which has a conical bearing ring 20 contains, is supported on rollers 21 and a conical Section of the hub 22 of the impeller 9 surrounds.
  • the conical Bearing ring 20 of the backup bearing 19 is by means of a Electromagnet 23 against the force of a spring 24 in one Spaced from the hub 22. If the The magnet system of the magnetic bearing becomes the electromagnet 23 ineffective, and the spring 24 presses the conical bearing ring 20th against the hub 22, whereby the impeller 9 is guided without play and can leak safely.
  • the rotor shaft 8 is to the outside atmosphere inside the rear wall 17 of the compressor housing 15 by means of a short shaft seal 25 sealed, which as ceramic, dry, gas lubricated Floating ring seal is formed.
  • the leakage oxygen can passed together with sealing air into an exhaust air system will. He could also easily go to the machine shop escape.
  • rotors with larger ones Seal diameters are compared to oil-lubricated bearings, through this design principle rotors with larger ones Seal diameters.
  • Rotor shaft 8 gives favorable leverage in the Oil-lubricated bearings 10.
  • the rotor shaft 8, as shown in Fig. 3, also in another oil-lubricated bearing 26 may be mounted on the the other side of the pinion 7 in the gear housing 5 is arranged.
  • the additional bearing has 18th especially when using a magnetic bearing Function of a guide and damping bearing.
  • the diameter of the rotor shaft 8 enlarges what by using a ceramic, dry gas-lubricated floating ring seal as shaft seal 25 is favored.
  • the slight overhang of the Center of gravity and the enlarged diameter of the Rotor shaft 8 reduce the susceptibility to vibration of the Impeller 9, so that larger vibration amplitudes avoided and a smooth run is achieved.
  • the great Space between the lubricating oil containing ambient air leading gear housing 5 and the oxygen-promoting Compressor stages 1 to 4 ensure a clean separation of Lube oil and oxygen.
  • the invention is therefore also for the compression of gases other than oxygen can be used if the compressed gas is absolutely free of oil is required in the range of a few ppm.

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Description

Die Erfindung betrifft einen Getriebeverdichter nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, wie er aus US-A-3 355 096 bekannt ist.
Bisher wird Sauerstoff hauptsächlich mit Hilfe sogenannter klassischer, mehrstufiger Einwellenverdichter und je nach Enddruck mehrgehäusiger Verdichter dieser Bauart komprimiert. Sauerstoff kann auch durch Getriebeverdichter verdichtet werden, wenn folgende konstruktive Merkmale beachtet werden. So müssen das Schmieröl für die Lager und das Fördermedium Sauerstoff wegen der Explosionsgefahr sorgsam voneinander getrennt werden. Deshalb sind bei solchen Verdichtern die zwischen den Lagern und den Laufrädern liegenden Dichtungssysteme (Labyrinthe) stark verlängert und als Mehrkammersysteme ausgebildet. Dadurch wird jedoch der Überhang zwischen dem Schwerpunkt des Laufrades und der Lagermitte unverhältnismäßig groß, was unvermeidbar zu ungünstigen rotordynamischen Eigenschaften führt. Besonders in den letzten Verdichterstufen, wo der Sauerstoffdruck und die Rotordrehzahl hoch sind, besteht wegen des großen Überhangs bei kleinen Anregungen (Störungen) oder in der Startphase des Verdichters die Gefahr hoher Schwingungsamplituden. Durch ein Anstreifen der rotierenden Teile aufgrund von Schwingungen kann punktuell die Metallzündtemperatur in der hochverdichteten Sauerstoffatmosphäre erreicht werden. Der gesamte Verdichter oder zumindest die betreffende Verdichterstufe verbrennen in diesem Fall bei hohen Temperaturen. Deshalb sind Getriebeverdichter dieser Bauart und deren Konstruktion stets brandgefährdet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Verdichtung von Sauerstoff in einem Getriebeverdichter den verdichteten Sauerstoff und das Schmieröl voneinander getrennt zu halten und gleichzeitig günstige rotordynamische Eigenschaften für den Getriebeverdichter zu erreichen.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Getriebeverdichter erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Getriebeverdichter wird zwischen dem Schmieröl führenden Getriebegehäuse und den Sauerstoff fördernden Verdichterstufen ein Zwischenraum geschaffen, der zur Umgebungsluft hin offen ist. Durch diesen Zwischenraum lassen sich Sauerstoff und Schmieröl voneinander trennen. Eventuell aus der Wellenabdichtung der Verdichterstufen austretender Sauerstoff wird in der Umgebungsluft soweit verdünnt und entspannt, so daß in Verbindung mit eventuell austretendem Schmieröl keine Explosion mehr auftreten kann. Die Lagerung der Rotorwellen in Lagern in der Haltekonstruktion erlaubt einen sehr kurzen Überhang des Schwerpunktes des Laufrades bei gleichzeitig verdickter Rotorwelle. Hierdurch wird die rotordynamische Stabilität verbessert und das Auftreten von möglichen größeren Schwingungsamplituden, die zu einem Anstreifen der rotierenden Teile in dem sauerstoffgefüllten Raum führen können, vermieden. Der so ermöglichte ruhige und gleichmäßige Lauf des Laufrades wird durch die Verwendung eines Magnetlagers gemäß Patentanspruch 3 noch verstärkt. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung können die vorteilhaften Eigenschaften der Getriebeverdichter - optimale Stufenwirkungsgrade und große Regelbarkeit - für die Sauerstoffverdichtung voll genutzt werden.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
einen Längsschnitt durch einen Getriebeverdichter,
Fig. 2
die Einzelheit Z nach Fig. 1 und
Fig. 3 und 4
jeweils .einen Längsschnitt durch einen Getriebeverdichter gemäß einer anderen Ausführungsform.
Der dargestellte Getriebeverdichter dient der Verdichtung von Sauerstoff und enthält vier Verdichterstufen, von denen in Fig. 1 auf der linken Seite die erste und die dritte Verdichterstufe 1, 3 gezeigt sind, während die zweite und die vierte Verdichterstufe 2, 4 nur durch Wellenstümpfe angedeutet sind.
Die Verdichterstufen 1 bis 4 sind durch ein integriertes ölgeschmiertes Getriebe angetrieben. Das Getriebe enthält innerhalb eines Getriebegehäuses 5 ein zentrales Antriebszahnrad 6, mit dem Ritzel 7 in Eingriff stehen. Jedes Ritzel 7 sitzt auf einer Rotorwelle 8, deren dem Ritzel 7 abgewandtes Ende ein Laufrad 9 einer Verdichterstufe 1 bis 4 trägt. Jede Rotorwelle 8 ist auf der dem Laufrad 9 abgewandten Seite in dem Getriebegehäuse 5 in einem ölgeschmierten, als Kippsegmentlager ausgebildeten Lager 10 gelagert. Der Durchtritt der Rotorwelle 8 durch das Getriebegehäuse 5 ist auf der einen Seite durch eine Abschlußkappe 11 und auf der anderen Seite durch eine mit Sperrluft beaufschlagte Wellendichtung 12 gegenüber der freien Atmosphäre abgedichtet.
Jeweils eine freistehende, als Platte 13 ausgebildete Haltekonstruktion ist auf zwei gegenüber liegenden Seiten in einem Abstand von dem Getriebegehäuse 5 angeordnet. Die Platten 13 sind über Abstandhalter 14 mit dem Getriebegehäuse 5 verbunden und stehen zusammen mit dem Getriebegehäuse 5 auf einem nicht gezeigten Fundament auf. Zwischen den Platten 13 ist damit ein von Umgebungsluft durchströmter Zwischenraum gebildet.
Jede Verdichterstufe 1 bis 4 enthält ein Laufrad 9, das in einem Verdichtergehäuse 15 umläuft. Das Verdichtergehäuse 15 ist mit einem Einlaufteil 16 versehen und auf der rückwärtigen Seite durch eine Rückwand 17 verschlossen. Die Rückwand 17 des Verdichtergehäuses 15 ist an der Platte 13 befestigt, so daß die Platten 13 die Verdichterstufen 1 bis 4 tragen.
Die Rotorwelle 8 einer jeden Verdichterstufe 1 bis 4 tritt durch die Platte 13 hindurch und ist hier in einem zusätzlichen Lager 18 gelagert. Als Lager kann ein hydraulisches Kippsegmentlager verwendet werden, das mit einem mit Sauerstoff verträglichen Schmiermittel z. B. Wasser geschmiert ist.
Das zusätzliche Lager 18 kann auch als Magnetlager ausgebildet sein. Derartige Magnetlager sind bekannt. Sie führen die Welle mittels geregelter Magnetfelder. Durch diese Magnetlager ist die Rotorwelle 8 präzise und selbstauswuchtend geführt.
Bei einem Ausfall des Magnetsystems der Magnetlager wird der Verdichter abgeschaltet, und die Rotorwelle 8 wird in einem Hilfslager abgefangen. Dieses Hilfslager ist in dem Einlaufteil 16 des Verdichtergehäuses 15 angeordnet. Das Hilfslager besteht aus einem konisches Fanglager 19, das einen konischen Lagerring 20 enthält, auf Rollen 21 abgestützt ist und einen konischen Abschnitt der Nabe 22 des Laufrades 9 umgibt. Der konische Lagerring 20 des Fanglagers 19 ist mit Hilfe eines Elektromagneten 23 entgegen der Kraft einer Feder 24 in einem Abstand von der Nabe 22 gehalten. Bei einem Ausfall des Magnetsystems des Magnetlagers wird der Elektromagnet 23 unwirksam, und die Feder 24 drückt den konischen Lagerring 20 gegen die Nabe 22, wodurch das Laufrad 9 spielfrei geführt wird und sicher auslaufen kann.
Die Rotorwelle 8 ist zur Außenatmosphäre innerhalb der Rückwand 17 des Verdichtergehäuses 15 durch eine kurze Wellendichtung 25 abgedichtet, die als keramische, trockene, gasgeschmierte Schwimmringdichtung ausgebildet ist. Dabei kann der Leckage-Sauerstoff zusammen mit Sperrluft in ein Abluftsystem geleitet werden. Er könnte auch problemlos in die Maschinenhalle entweichen. Verglichen mit ölgeschmierten Lagern lassen sich durch dieses Konstruktionsprinzip Rotoren mit größeren Durchmessern abdichten.
Die beschriebene Lagerung der Rotorwelle 8 in dem zusätzlichen Lager 18 in der Platte 13 und in dem ölgeschmierten Lager 10 in dem Getriebegehäuse 5 bei Anordnung nur eines Laufrades 9 je Rotorwelle 8 ergibt günstige Hebelverhältnisse in dem ölgeschmierten Lager 10. Abweichend von dieser Ausführung kann jedoch die Rotorwelle 8, wie in Fig. 3 dargestellt ist, auch in einem weiteren ölgeschmierten Lager 26 gelagert sein, das auf der anderen Seite des Ritzels 7 in dem Getriebegehäuse 5 angeordnet ist. In diesem Fall hat das zusätzliche Lager 18 insbesondere bei Verwendung eines Magnetlagers vor allem die Funktion eines Führungs- und Dämpfungslagers.
Gemäß Fig. 4 trägt jede von einem Ritzel 7 angetriebene Rotorwelle 8 zwei Laufräder 9. Hinter jedem der so angeordneten LKaufräder 9 ist ein als Magnetlager ausgebildetes zusätzlicher Lager angeordnet, das als Führungs und Dämpfungslager wirkt.
Durch die Lagerung der Rotorwelle 8 sehr nahe am Laufrad 9 ergibt sich ein sehr geringer Überhang des Schwerpunktes des Laufrades 9. Gleichzeitig ist der Durchmesser der Rotorwelle 8 vergrößert, was durch die Verwendung einer keramischen, trockenen gasgeschmierten Schwimmringdichtung als Wellendichtung 25 begünstigt wird. Der geringe Überhang des Laufradschwerpunktes und der vergrößerte Durchmesser der Rotorwelle 8 verringern die Schwingungsanfälligkeit des Laufrades 9, so daß größere Schwingungsamplituden vermieden werden und ein ruhiger Lauf erreicht wird. Der große Umgebungsluft enthaltende Zwischenraum zwischen dem Schmieröl führenden Getriebegehäuse 5 und den Sauerstoff fördernden Verdichterstufen 1 bis 4 sorgt für eine saubere Trennung von Schmieröl und Sauerstoff. Beides vermindert die Brandgefahr des Getriebeverdichters, so daß ein sicherer Getriebeverdichter zur Verdichtung von Sauerstoff geschaffen ist. Die Erfindung ist daher auch für die Verdichtung anderer Gase als Sauerstoff einsetzbar, wenn eine absolute Ölfreiheit des verdichteten Gases im Bereich weniger ppm gefordert wird.

Claims (6)

  1. Getriebeverdichter mit einer oder mehreren von jeweils einem Verdichtergehäuse (15) umschlossenen Verdichterstufen (1 bis 4), wobei jede Verdichterstufe (1 bis 4) eine Rotorwelle (8) enthält und jede Rotorwelle (8) ein Ritzel (7) und an mindestens einem Ende ein Laufrad (9) trägt, das in jeweils einem der Verdichtergehäuse (15) umläuft, wobei jede Rotorwelle (8) von einem integrierten, ölgeschmierten Getriebe angetrieben und durch ein ölgeschmiertes Lager (10) in einem das Getriebe umschließenden Getriebegehäuse (5) gelagert ist, wobei jede Rotorwelle (8) zusätzlich durch ein Lager (18) in einer Haltekonstruktion gelagert ist, an der die Verdichtergehäuse (15) befestigt sind und die in einem Abstand von dem Getriebegehäuse (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verdichten von Sauerstoff die Rotorwelle (8) innerhalb des Verdichtergehäuse (15) und bei dem Durchtritt durch das Getriebegehäuse (5) gegenüber der Außenatmosphäre abgedichtet ist und daß zwischen der Haltekonstruktion und dem Getriebegehäuse (5) ein von Umgebungsluft durchströmbarer Zwischenraum gebildet ist.
  2. Getriebeverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Lager (18) durch ein mit Sauerstoff verträgliches Schmiermittel geschmiert ist.
  3. Getriebeverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Lager (18) ein Magnetlager ist.
  4. Getriebeverdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Verdichterstufe (1 bis 4) im Nabenteil ein konisches Fanglager (19) besitzt, das axial soweit verschiebbar ist, daß das Laufrad (9) bei einem Ausfall des Magnetlagers spielfrei geführt ist.
  5. Getriebeverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rotorwelle (8) durch zwei ölgeschmierte Lager (10, 26) in dem Getriebegehäuse (5) gelagert ist und daß das zusätzliche Lager (18) als Führungs- und Dämpfungslager ausgebildet ist.
  6. Getriebeverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rotorwelle (8) zwei Laufräder (9) trägt und daß hinter jedem Laufrad (9) ein Magnetlager angeordnet ist.
EP94112720A 1993-11-16 1994-08-16 Getriebeverdichter für die Verdichtung von Sauerstoff Expired - Lifetime EP0653566B1 (de)

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