EP1746290A1 - Centrifugal compressor - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen kompakten Radialverdichter, der sich durch eine kleine Baugröße, niedrige Kosten, eine hohe Lebensdauer, einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Leistungsfähigkeit hinsichtlich Druck und Volumenstrom auszeichnet.The invention relates to a compact radial compressor, which is characterized by a small size, low cost, high durability, high efficiency and high performance in terms of pressure and flow.
Radialverdichter sind in den verschiedensten Ausführungsformen bekannt. Die Erfindung bezieht sich speziell auf kleinere Radialverdichter, deren Antriebsleistung sich in der Größenordnung zwischen 5 und 10 kW bewegt und die dazu verwendet werden können, anderen Maschinen, beispielweise einer Druckereimaschine, Druckluft zur Verfügung zu stellen. Übliche Verdichter in dieser Leistungsklasse liefern eine Gesamtdruckdifferenz in der Größenordnung von 80 mbar bei einem Volumenstrom in der Größenordnung von 2.000 m3/h. Der Wirkungsgrad ist dabei vergleichsweise gering.Radial compressors are known in various embodiments. The invention relates specifically to smaller centrifugal compressors whose drive power is on the order of 5 to 10 kW and which can be used to provide compressed air to other machines, such as a printing machine. Conventional compressors in this performance class deliver a total pressure difference of the order of 80 mbar at a volume flow of the order of 2,000 m 3 / h. The efficiency is comparatively low.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen kompakten Verdichter zu schaffen, der sich durch eine höhere Leistungsfähigkeit auszeichnet.The object of the invention is to provide a compact compressor, which is characterized by a higher performance.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein zweistufiger Radialverdichter vorgesehen mit einem Antriebsmotor, einer Antriebswelle, auf der zwei Laufräder angeordnet sind, wobei der Antriebsmotor ein schnellaufender Asynchronmotor mit einer Drehzahl größer 10.000 U/min und einer Leistung in der Größenordnung von 5 bis 10 kW ist. Die Kombination aus Zweistufigkeit des Verdichters und Betrieb mit einer überkritischen Drehzahl führt zu einer besonders hohen Leistungsfähigkeit. Der erfindungemäße Verdichter liefert eine Gesamtdruckdifferenz in der Größenordnung von 200 mbar bei einem Volumenstrom von 700 bis 900 m3/h.To achieve this object, a two-stage centrifugal compressor is provided with a drive motor, a drive shaft on which two wheels are arranged, wherein the drive motor is a high-speed asynchronous motor with a speed greater than 10,000 U / min and a power in the order of 5 to 10 kW , The combination of two stages of the Compressor and operation with a supercritical speed leads to a particularly high performance. The inventive compressor provides a total pressure difference in the order of 200 mbar at a flow rate of 700 to 900 m 3 / h.
Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die beiden Laufräder identisch sind. Dies verringert die Herstellungskosten, da bei derselben Anzahl von Radialverdichtern eine höhere Stückzahl von Laufrädern gefertigt werden kann.It is preferably provided that the two wheels are identical. This reduces the manufacturing cost, as with the same number of centrifugal compressors, a higher number of wheels can be made.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das Laufrad Schaufeln aufweist, die räumlich verwunden sind. Bei üblichen Verdichtern dieser Leistungsklasse werden Schaufeln verwendet, die sich in radialer Richtung erstrecken. Dies ist zwar hinsichtlich des Fertigungsaufwandes von Vorteil; der Wirkungsgrad leidet jedoch unter einer derart simplen Ausgestaltung der Schaufeln. Beim erfindungsgemäßen Radialverdichter sind die Schaufeln schraubenförmig verwunden, wobei die Abweichung der Mittelachse der Schaufeln von einer radialen Ausrichtung mit zunehmenden Abstand von der Mittelachse des Laufrades zunimmt.According to the preferred embodiment of the invention it is provided that the impeller has blades which are spatially wound. In conventional compressors of this performance class blades are used, which extend in the radial direction. Although this is advantageous in terms of manufacturing costs; However, the efficiency suffers from such a simple design of the blades. In the centrifugal compressor of the present invention, the vanes are helically wound, with the deviation of the central axis of the vanes from a radial orientation increasing with increasing distance from the central axis of the impeller.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das Laufrad aus einem Stück einer Guß-Aluminiumliegierung besteht. Dies ermöglicht zum einen, die Schaufeln in der gewünschten Form herzustellen. Dabei werden verlorene Kerne verwendet. Das geringe spezifische Gewicht der verwendeten Gußlegierung führt zu einem geringen Gesamtgewicht. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß die Außenflächen des Laufrades maschinell bearbeitet sind, insbesondere spanend.According to the preferred embodiment of the invention, it is provided that the impeller consists of one piece of a cast aluminum alloy. This allows on the one hand to produce the blades in the desired shape. It uses lost cores. The low specific weight of the casting alloy used leads to a low total weight. Preferably, it is provided that the outer surfaces of the impeller are machined, in particular machined.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das Laufrad auf der Antriebswelle durch Klemmung befestigt ist. Dies ermöglicht, auf Paßfedern etc. zu verzichten, die bei der hohen Antriebsdrehzahl der Laufräder besondere Probleme hinsichtlich der Unwucht und Festigkeit hervorrufen würden.According to the preferred embodiment of the invention it is provided that the impeller is mounted on the drive shaft by clamping. This makes it possible to dispense with feather keys, etc., which would cause particular problems in terms of imbalance and strength at the high input speed of the wheels.
Um sicherzustellen, daß das Laufrad bezüglich der Antriebswelle eine präzise definierte und vorzugsweise zentrierte Position beibehält, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Toleranzring zwischen der Antriebswelle und dem Laufrad angeordnet. Der Toleranzring ist im wesentlichen ein steifer Federring mit im Querschnitt wellenförmigem Verlauf, der das für die Montage notwendige Spiel zwischen der Antriebswelle und dem Laufrad beseitigt. Vorteilhafter Nebeneffekt des Toleranzringes ist, daß er zur Drehmomentübertragung zwischen der Antriebswelle und dem Laufrad beiträgt.To ensure that the impeller maintains a precisely defined and preferably centered position with respect to the drive shaft, a tolerance ring is disposed between the drive shaft and the impeller according to a preferred embodiment of the invention. The tolerance ring is essentially a stiff spring ring with a wave-shaped in cross section, which eliminates the necessary for the assembly game between the drive shaft and the impeller. Advantageous side effect of the tolerance ring is that it contributes to the torque transmission between the drive shaft and the impeller.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das Laufrad eine Vielzahl von Wuchtbohrungen aufweist, in die selektiv Wuchtschrauben eingeschraubt werden können. Da die Laufräder mit einer überkritischen Drehzahl angetrieben werden, ist ein besonders sorgfältiges Auswuchten unumgänglich. Dieses kann auch erst im montierten Zustand des Radialverdichters erfolgen, da selbst bei vorher perfekt ausgewuchteten Laufrädern die Unwucht, die bei der Montage der Laufrädern, beispielsweise durch eine geringfügig exzentrische Anordnung auf der Antriebswelle, entstehen könnte, fatale Folgen im Betrieb haben könnte. Die Wuchtbohrungen des ersten Laufrades sind auf der Ansaugseite des Verdichters zugänglich, so daß nach dem Auswuchten keinerlei Bearbeitung an sich drehenden Bauteilen erforderlich ist. Es hat sich herausgestellt, daß es völlig ausreichend ist, zum endgültigen Auswuchten nur die Wuchtbohrungen des ersten Laufrades zu verwenden. Die nach der Montage des ersten Laufrades nicht mehr zugänglichen Wuchtbohrungen des zweiten Laufrades sind nicht erforderlich.According to the preferred embodiment of the invention it is provided that the impeller has a plurality of balancing bores into which selective balancing screws can be screwed. Since the impellers are driven at a supercritical speed, a particularly careful balancing is inevitable. This can also be done only in the mounted state of the centrifugal compressor, since even with previously perfectly balanced impellers, the imbalance that could arise during assembly of the wheels, for example, by a slightly eccentric arrangement on the drive shaft, could have fatal consequences in operation. The balancing bores of the first impeller are accessible on the suction side of the compressor, so that after the balancing no machining on rotating components is required. It has been found that it is quite sufficient to use only the balancing bores of the first impeller for final balancing. The after the installation of the first impeller not accessible balancing bores of the second impeller are not required.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist stromabwärts des Laufrades ein Austrittsdiffusor angeordnet, der vorzugsweise parallelwandig und unbeschaufelt ausgeführt ist. Der Austrittsdiffusor sorgt für eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit des aus dem Laufrad austretenden Mediums, wodurch sich der statische Druck erhöht.According to the preferred embodiment of the invention, an outlet diffuser is arranged downstream of the impeller, which is preferably designed parallel-walled and without blades. The outlet diffuser reduces the flow velocity of the fluid exiting the impeller, increasing the static pressure.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Antriebswelle in zwei Wälzlagern gelagert ist, von denen eines zwischen den Laufrädern und dem Antriebsmotor und das andere auf der von den Laufrändern abgewandten Seite des Antriebsmotors angeordnet ist. Anders ausgedrückt sind die beiden Laufräder auf der frei auskragenden Antriebswelle gelagert. Diese hinsichtlich der potentiell möglichen Schwingungen der Laufräder unerwartete Lageranordnung hat den Vorteil, daß zwischen den beiden Lagern nur sehr wenige Trennfugen notwendig sind, nämlich zwei. Die beiden Lagerschalen sind in den Lagerschilden des Antriebsmotors angeordnet, die jeweils unmittelbar am Motorgehäuse angebracht sind. Falls dagegen eine Lagerung auf beiden Seiten der Laufräder notwendig wäre, müßten sämtliche Teile des Gehäuses des Verdichters mit sehr hoher Genauigkeit ausgeführt werden, da das Gehäuse aus mehreren Teilen zusammengesetzt ist und verhindert werden müßte, daß sich die Gehäusetoleranzen so addieren, daß sich unzulässige Fehlstellungen der beiden Lagerachsen ergeben.According to the preferred embodiment of the invention it is provided that the drive shaft is mounted in two rolling bearings, one of which between the Impellers and the drive motor and the other is arranged on the side remote from the running edges of the drive motor. In other words, the two wheels are mounted on the freely projecting drive shaft. This with respect to the potential possible vibrations of the wheels unexpected bearing arrangement has the advantage that only very few joints between the two camps are necessary, namely two. The two bearing shells are arranged in the end shields of the drive motor, which are each mounted directly on the motor housing. In contrast, if storage on both sides of the wheels would be necessary, all parts of the housing of the compressor would have to be executed with very high accuracy, since the housing is composed of several parts and should be prevented that the housing tolerances add up so that improper misalignments the two bearing axes result.
Zur Verbesserung der Lagerung der Antriebswelle kann vorgesehen sein, daß Wälzlager verwendet werden, deren Laufringe aus Stahl und deren Wälzkörper aus Keramik bestehen. Solche Hybridlager stellen geringere Anforderungen an die Schmierung und bieten eine sehr hohe Lebensdauer.To improve the storage of the drive shaft can be provided that rolling bearings are used, the races made of steel and their rolling elements made of ceramic. Such hybrid bearings place less demands on lubrication and offer a very long service life.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß auf der von den Laufrändern abgewandten Seite des Antriebsmotors eine Wuchtscheibe angeordnet ist. Im Hinblick auf die überkritische Drehzahl des Antriebsmotors und der Laufräder hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, mittels der Wuchtscheibe über weitere Möglichkeiten zum Auswuchten der Baugruppe bestehend aus der Antriebswelle, den Laufrädern und dem Elektromotor zu verfügen.According to the preferred embodiment of the invention it is provided that on the side remote from the running edges of the drive motor, a balancing disc is arranged. In view of the supercritical speed of the drive motor and the wheels, it has been found to be advantageous to have by means of the balancing disc on other ways of balancing the assembly consisting of the drive shaft, the wheels and the electric motor.
Die Wuchtscheibe steht vorzugsweise in wärmeleitender Verbindung mit dem benachbarten Wälzlager, so daß entstehende Reibungswärme und auch die Wärme, die vom Elektromotor in das Wälzlager abgeleitet wird, über die Wuchtscheibe an die Umgebung abgegeben werden kann.The balancing disk is preferably in heat-conducting connection with the adjacent roller bearing, so that resulting frictional heat and also the heat that is derived from the electric motor in the rolling bearing, can be discharged through the balancing disk to the environment.
Vorzugsweise ist ein Fremdlüfter vorgesehen, der zur Kühlung des Antriebsmotors dient. Dies ermöglicht, auf ein Lüfterrad auf der Antriebswelle zu verzichten. Es hat sich nämlich herausgestellt, daß ein solcher Lüfterrad bei der überkritischen Drehzahl des Antriebsmotors ein extrem hohes Betriebsgeräusch erzeugt, ohne übermäßig wirksam zu sein.Preferably, a forced cooling fan is provided, which serves to cool the drive motor. This makes it possible to dispense with a fan on the drive shaft. It has been found that such a fan at the supercritical speed of the drive motor generates an extremely high operating noise without being overly effective.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, die in den beigefügten Zeichnung dargestellt ist. In diesen zeigen:
- Figur 1 einen erfindungsgemäßen Radialverdichter in einer ersten perspektivischen Ansicht;
- Figur 2 den Radialverdichter von Figur 1 in einer zweiten perspektivischen Ansicht;
- Figur 3 den Radialverdichter von Figur 1 in einer teilgeschnittenen Ansicht;
- Figur 4 eine erste schematische Ansicht einer Schaufel eines Laufrades des erfindungsgemäßen Radialverdichters; und
Figur 5 eine zweite schematische Ansicht der Schaufel.
- 1 shows a radial compressor according to the invention in a first perspective view;
- FIG. 2 shows the radial compressor of FIG. 1 in a second perspective view;
- Figure 3 shows the radial compressor of Figure 1 in a partially sectioned view;
- Figure 4 is a first schematic view of a blade of an impeller of the radial compressor according to the invention; and
- Figure 5 is a second schematic view of the blade.
In den Figuren ist ein zweistufiger Radialverdichter gezeigt, der als wesentliche Bestandteile einen Antriebsmotor 5 (siehe die Figuren 1 und 2) sowie ein Gehäuse 7 aufweist, in welchem zwei Laufräder 10, 12 (siehe Figur 3) angeordnet sind.In the figures, a two-stage radial compressor is shown, which has as essential components a drive motor 5 (see Figures 1 and 2) and a
Der Antriebsmotor 5 ist ein schnellaufender Asynchronmotor mit Freqenzumrichter, dessen Antriebsdrehzahl in der Größenordnung von 15.000 U/min liegt. Zur Kühlung ist ein Fremdlüfter 6 vorgesehen.The
Der Antriebsmotor 5 weist eine Antriebswelle 14 auf, die einstückig und durchgehend ausgeführt ist. Die Antriebswelle 14 ist in zwei schematisch angedeuteten Wälzlagern 16 gelagert, die in zwei Lagerschilden auf der Vorderseite und der Rückseite des Antriebsmotors 5 aufgenommen sind. Aufgrund der geringen Anzahl von Trennfugen zwischen den die Wälzlager 16 aufnehmenden Bauteilen, nämlich hier genau zwei Trennfugen, lassen sich die Wälzlager 16 mit hoher Genauigkeit relativ zueinander ausrichten. Bei den Wälzlagern 16 handelt es sich um Hybridlager mit Laufringen aus Stahl und Wälzkörpern aus Keramik.The
An den Antriebsmotor 5 schließt sich das Gehäuse 7 an, welches mehrteilig ausgeführt ist. Es weist zwischen dem ersten Laufrad 10 und dem zweiten Laufrad 12 einen doppelwandigen Austrittsdiffusor 18 und nach dem zweiten Laufrad 12 einen doppelwandigen Austrittsdiffusor 20 auf. Der zweite Austrittsdiffusor 20 führt zu einem Auslaß 22 (siehe die Figuren 1 und 2). Konzentrisch mit der Antriebswelle 14 und auf der vom Antriebsmotor 5 abgewandten Seite ist ein Einlaß 24 ausgebildet.To the
Die beiden Laufräder 10, 12 bestehen aus einer Aluminiumlegierung und sind im Sandgußverfahren hergestellt. Jedes Laufrad weist eine Vielzahl von Schaufeln 26 auf, zwischen denen Strömungskanäle gebildet sind. Die Strömungskanäle und damit auch die Schaufeln 26 werden beim Gießen definiert durch verlorene Kerne. Jede Schaufel 26 ist dreidimensional gekrümmt ausgeführt. Zum einen steigt der Winkel, den ihre Mittelachse mit der Mittelachse der Antriebswelle 14 einnimmt, von einem Wert in der Größenordnung von etwa 45° auf der Eintrittsseite hin zu etwa 90° auf der Austrittsseite. Zum anderen ist die Schaufel selbst etwa schraubenförmig verwunden. Auf diese Weise ergibt sich insgesamt ein sehr guter Wirkungsgrad.The two
Die räumlich gekrümmte Form der Schaufeln läßt sich den Figuren 4 und 5 entnehmen, wobei Figur 5 die Ansicht Y von Figur 4 in einer Abwicklung zeigt. Mit E ist die Eintrittskante bezeichnet, mit A die Austrittskante, mit D die Kontur an der Deckscheibe und mit N die Kontur an der Nabe.The spatially curved shape of the blades can be seen in Figures 4 and 5, wherein Figure 5 shows the view Y of Figure 4 in a development. E is the leading edge, A is the trailing edge, D is the contour on the cover disc and N is the contour on the hub.
Die beiden Laufräder 10, 12 sind auf der Antriebswelle 14 allein durch Klemmung befestigt. Hierzu dient eine Andruckmutter 28, welche die beiden Laufräder über ein Distanzstück 30 und eine Anlagescheibe 32 gegen einen Absatz der Antriebswelle 14 verspannt. Um zu gewährleisten, daß die beiden Laufräder 10, 12 zum einen möglichst zentriert auf der Antriebswelle 14 angeordnet sind und zum anderen ihre Position im Betrieb nicht ändern, sind im Bereich der Ebene ihres Massenschwerpunkts jeweils Toleranzringe 34 angeordnet. Zu diesem Zweck ist die Antriebswelle 14 an der entsprechenden Stelle mit einer Nut versehen. Auch innerhalb des Distanzstücks 30 ist ein Toleranzring 34 angeordnet.The two
Die beiden Laufräder 10, 12 sowie der Distanzring 30 werden vor der Montage statisch gewuchtet. Zusätzlich wird nach der Montage ein dynamisches Wuchten vorgenommen. Zu diesem Zweck sind in jedem Laufrad insgesamt 8 Wuchtbohrungen 36 vorgesehen, in die selektiv Wuchtschrauben eingeschraubt werden können. Hierbei werden nur die Wuchtbohrungen des ersten Laufrades 10 benutzt. Die Wuchtbohrungen des zweiten Laufrades sind nur deswegen vorhanden, weil die beiden Laufräder 10, 12 aus Fertigungsgründen identisch hergestellt werden. Zusätzlich ist auf der von den Laufrädern 10, 12 abgewandten Seite des Antriebsmotors 5 eine Wuchtscheibe 38 vorgesehen, mit der eventuelle Unwuchten weiter verringert werden können. Die Wuchtscheibe 38 dient nebenbei zur Kühlung des auf dieser Seite angeordneten Wälzlagers. Dieses steht zu diesem Zweck in wärmeleitender Verbindung mit der Wuchtscheibe 38, die sich wiederum im Kühlluftstrom des Fremdlüfters 6 befindet.The two
Aufgrund des vergleichsweise geringen Gewichts der Laufräder 10, 12 und außerdem aufgrund der hohen Wuchtgenauigkeit, die mit der beschriebenen Konstruktion erhalten werden kann, können die Laufräder 10, 12 mit einer überkritischen Drehzahl angetrieben werden, obwohl die Antriebswelle 14 im Bereich der Laufräder 10, 12 frei überkragend ausgeführt ist.Due to the relatively low weight of the
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