EP0653566B1

EP0653566B1 - Getriebeverdichter für die Verdichtung von Sauerstoff

Info

Publication number: EP0653566B1
Application number: EP94112720A
Authority: EP
Inventors: Heinrich Dr. Prümper
Original assignee: GHH Borsig Turbomaschinen GmbH
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 1993-11-16
Filing date: 1994-08-16
Publication date: 1998-12-23
Anticipated expiration: 2014-08-16
Also published as: JPH08226399A; UA37208C2; SK93794A3; EP0653566A1; DE59407534D1; DE4339060A1; US5503523A; CZ286941B6; CZ193394A3; RU2082022C1; PL305839A1; SK280754B6; PL174005B1; RU94041733A

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

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.
Getriebeverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Lager (18) durch ein mit Sauerstoff verträgliches Schmiermittel geschmiert ist.
Getriebeverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Lager (18) ein Magnetlager ist.
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.
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.
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.