EP3158198B1

EP3158198B1 - Flüssigkeitsring-verdichtungsmaschine

Info

Publication number: EP3158198B1
Application number: EP15729826.6A
Authority: EP
Inventors: Heiner KÖSTERS; Inke WRAGE; Jörg WICKBOLD; Stefan LÄHN
Original assignee: Sterling Industry Consult GmbH
Current assignee: Sterling Industry Consult GmbH
Priority date: 2014-06-18
Filing date: 2015-06-16
Publication date: 2020-09-09
Anticipated expiration: 2035-06-16
Also published as: US10590932B2; WO2015193318A1; CN106536936B; US20170130718A1; CN106536936A; EP3158198A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Flüssigkeitsring-Verdichtungsmaschine mit einer ersten Verdichtungsstufe, die ein exzentrisch in einem Gehäuse gelagertes erstes Flügelrad aufweist, und einer zweiten Verdichtungsstufe, die ein exzentrisch in einem Gehäuse gelagertes zweites Flügelrad aufweist. Beide Verdichtungsstufen sind einfach wirkend. Ein Dichtspalt trennt die erste Verdichtungsstufe von der zweiten Verdichtungsstufe.
In Flüssigkeitsring-Verdichtungsmaschinen wird durch das Flügelrad ein Flüssigkeitsring in Bewegung gehalten, so dass die Kammern zwischen den Flügeln des Flügelrads durch den Flüssigkeitsring abgeschlossen werden. Da das Flügelrad exzentrisch in dem Gehäuse gelagert ist, dringt der Flüssigkeitsring je nach Winkelstellung des Flügelrads unterschiedlich weit in die Kammer ein und wirkt dadurch als Kolben, der das Volumen der Kammer verändert. In dem Winkelbereich, in dem das Volumen der Kammer klein ist, tritt das zu verdichtende Gas in die Kammer ein. Mit der Drehung des Flügelrads vermindert sich das Volumen der Kammer und das verdichtete Gas tritt am Ende des Verdichtungsvorgangs in einer anderen Winkelstellung des Flügelrads wieder aus.
Indem in einer Verdichtungsmaschine mehrere Verdichtungsstufen hintereinander geschaltet sind, lässt sich ein vergrößerter Druckunterschied zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite der Verdichtungsmaschine erzeugen. Das auf der Eingangsseite angesaugte Gas wird mit der ersten Verdichtungsstufe verdichtet. Von der Ausgangsseite der ersten Verdichtungsstufe gelangt das Gas zur Eingangsseite der zweiten Verdichtungsstufe, um dort weiter verdichtet zu werden.
Indem die erste Verdichtungsstufe und die zweite Verdichtungsstufe lediglich durch einen Dichtspalt voneinander getrennt sind, wird eine kompakte Bauform der Flüssigkeitsring-Verdichtungsmaschine möglich. Bekannt sind solche Flüssigkeitsring-Verdichtungsmaschinen mit zwei Verdichtungsstufen beispielsweise aus der DE 89 06 100 U1 oder aus der DE 890 256 C .
Allerdings kann aufgrund des Druckunterschieds zwischen der ersten Verdichtungsstufe und der zweiten Vernichtungsstufe ein Leckfluss durch den Dichtspalt hindurch entstehen. Ein solcher Leckverlust wirkt sich negativ auf den Wirkungsgrad der Verdichtungsmaschine aus.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Flüssigkeitsring-Verdichtungsmaschine mit verbessertem Wirkungsgrad vorzustellen. Ausgehend vom genannten Stand der Technik wird die Aufgabe gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist der Dichtspalt zwischen einem Saugabschnitt der ersten Verdichtungsstufe und einem Saugabschnitt der zweiten Verdichtungsstufe angeordnet.
Zunächst werden einige Begriffe erläutert. Als Dichtspalt wird der Übergangsbereich zwischen zwei sich relativ zueinander bewegenden Komponenten der Verdichtungsmaschine bezeichnet. Der Dichtspalt ist so gestaltet, dass der Übergang eines Mediums durch den Dichtspalt hindurch stark behindert ist.
Der Begriff Saugabschnitt bezeichnet einen Umfangsabschnitt der Verdichtungsmaschine. Wenn eine Kammer des Flügelrads den Saugabschnitt durchläuft, vergrößert sich das zwischen den Flügeln und dem Flüssigkeitsring eingeschlossene Volumen der Kammer. In dem Saugabschnitt wird das zu verdichtende Gas zu der Kammer zugeführt.
Bei einer einfach wirkenden Verdichtungsstufe kommt es während eines vollständigen Umlaufs (360°) einer Kammer des Flügelrads nur zu einem Verdichtungsvorgang. Die Kammer durchläuft also lediglich einen Saugabschnitt und einen Druckabschnitt. Der Verdichtungsvorgang erstreckt sich regelmäßig über einen Umfangswinkel von mehr als 180°. Im Unterschied dazu werden bei einer doppelt wirkenden Verdichtungsstufe während eines vollständigen Umlaufs zunächst ein erster Saugabschnitt und ein erster Druckabschnitt und dann ein zweiter Saugabschnitt und ein zweiter Druckabschnitt durchlaufen. Der einzelne Verdichtungsvorgang erstreckt sich über weniger als 180°.
Indem die Verdichtungsmaschine so gestaltet ist, dass die Saugabschnitte der beiden Verdichtungsstufen aneinandergrenzen, wird die Druckdifferenz minimiert, die über dem Dichtspalt anliegt. Die Druckdifferenz ist lediglich so groß wie die Druckdifferenz zwischen dem Saugabschnitt und dem Druckabschnitt der ersten Verdichtungsstufe. Aufgrund der geringen Druckdifferenz wird der Leckverlust durch den Dichtspalt hindurch gering gehalten, was sich positiv auf den Wirkungsgrad der Verdichtungsmaschine auswirkt.
Mit der Erfindung wird in Kauf genommen, dass in radialer Richtung starke Kräfte auf die Welle der Verdichtungsmaschine wirken. Indem bei beiden Verdichtungsstufen der Saugabschnitt in demselben Winkelabschnitt der Verdichtungsmaschine angeordnet ist, üben beide Verdichtungsstufen eine Kraft in derselben Richtung auf die Welle aus. Damit steht die Erfindung im Gegensatz zu der gängigen Vorgehensweise, gemäß der Maschinen so gestaltet werden, dass die internen Kräfte sich möglichst weitgehend gegenseitig aufheben. Danach würde man die Saugabschnitte der beiden Verdichtungsstufen um 180° versetzt anordnen, so dass die Kräfte einander entgegengesetzt sind. Die Erfindung hat aber erkannt, dass es möglich ist, die auftretenden Kräfte durch konstruktive Maßnahmen aufzufangen und dass der dadurch bedingte Mehraufwand gering ist verglichen mit dem Vorteil, der sich beim Wirkungsgrad ergibt. Wären die beiden Verdichtungsstufen um 180° gegeneinander verdreht, würde zwischen dem Saugabschnitt der ersten Verdichtungsstufe und dem Druckabschnitt der zweiten Verdichtungsstufe im Wesentlichen die komplette Druckdifferenz zweier Verdichtungsstufen über dem Dichtspalt anliegen. Die Verminderung des Wirkungsgrads wäre beträchtlich.
Die beiden Verdichtungsstufen sind vorzugsweise von einer gemeinsamen Welle angetrieben, so dass die Flügel der beiden Verdichtungsstufen sich mit derselben Winkelgeschwindigkeit bewegen. Die Verdichtungsmaschine kann eine erste Steuerscheibe umfassen, die der ersten Verdichtungsstufe zugeordnet ist, sowie eine zweite Steuerscheibe, die der zweiten Verdichtungsstufe zugeordnet ist. Die Steuerscheiben weisen Saugschlitze auf, durch die hindurch das zu verdichtende Gas in die Kammern des Flügelrads eintritt. Die Steuerscheiben weisen außerdem Druckschlitze auf, durch die hindurch das verdichtete Gas wieder aus den Kammern des Flügelrads austritt. Die Saugschlitze sind im Saugabschnitt der Verdichtungsmaschine, die Druckschlitze sind im Druckabschnitt der Verdichtungsmaschine angeordnet.
Die beiden Verdichtungsstufen sind vorzugsweise zwischen der ersten Steuerscheibe und der zweiten Steuerscheibe angeordnet. Das Flügelrad der ersten Verdichtungsstufe kann an dem der ersten Steuerscheibe gegenüberliegenden Ende mit einer Wand versehen sein, die die Kammern in axialer Richtung abschließt und die sich mit dem Flügelrad dreht. Das Flügelrad der zweiten Verdichtungsstufe kann an dem der zweiten Steuerscheibe gegenüberliegenden Ende mit einer Wand versehen sein, die die Kammern in axialer Richtung abschließt. Vorzugsweise erstreckt sich die Wand in radialer Richtung jeweils mindestens bis zum äußeren Ende der Flügel.
Das Flügelrad der ersten Verdichtungsstufe und das Flügelrad der zweiten Verdichtungsstufe können voneinander getrennt sein, so dass jedes der beiden Flügelräder eine solche Wand aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Flügelräder der beiden Verdichtungsstufen Elemente eines einstückigen Bauteils. Das einstückige Bauteil kann mit einer zentralen Trennwand versehen sein, die gleichzeitig die Kammern beider Verdichtungsstufen abschließt. Die Kammern der ersten Verdichtungsstufe können in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sein zu den Kammern der zweiten Verdichtungsstufe. Beide Verdichtungsstufen können die gleiche Anzahl von Kammern aufweisen.
Der Dichtspalt kann zwischen einer Umfangsfläche der Wand und einer dazu benachbarten Abschlussfläche des Gehäuses ausgebildet sein. Der radiale Abstand zwischen der Umfangsfläche der Wand und der Abschlussfläche des Gehäuses ist bei Zimmertemperatur vorzugsweise kleiner als 1 mm, vorzugsweise kleiner als 0,5 mm. In dem Dichtspalt kann ein Dichtelement aus einem flexiblen Material angeordnet sein, das mit beiden Flächen abschließt.
Das Flügelrad der ersten Verdichtungsstufe kann denselben Durchmesser haben wie das Flügelrad der zweiten Verdichtungsstufe. Damit unterscheidet sich die Erfindung von herkömmlichen Verdichtungsmaschinen, bei denen zwei hintereinander geschaltete Verdichtungsstufen regelmäßig mit zwei verschiedenen Durchmessern ausgestattet sind entsprechend den verschiedenen Druckniveaus und Verdichtungsleistungen. Erfindungsgemäß ist die erste Verdichtungsstufe im Vergleich dazu überdimensioniert, wodurch es möglich wird, den Auslassdruck auch bei reduziertem Ansaugdruck konstant zu halten.
Das Flügelrad der ersten Verdichtungsstufe und das Flügelrad der zweiten Verdichtungsstufe drehen sich innerhalb eines Innenraums des Gehäuses. Die exzentrische Anordnung bezieht sich auf diesen Innenraum. Der Durchmesser des Innenraums kann in der ersten Verdichtungsstufe genauso groß sein wie in der zweiten Verdichtungsstufe. Der Innenraum kann über die erste Verdichtungsstufe und die zweite Verdichtungsstufe hinweg eine einheitliche Kontur aufweisen. Für jede Winkelposition gilt dann, dass der Abstand von der Wand des Innenraums bis zum Zentrum der Welle in der ersten Verdichtungsstufe genauso groß ist wie in der zweiten Verdichtungsstufe.
Das Gehäuse der Verdichtungsmaschine kann einen Kanal aufweisen, der sich von der Ausgangsseite der ersten Verdichtungsstufe bis zur Eingangsseite der zweiten Verdichtungsstufe erstreckt. In axialer Richtung erstreckt sich der Kanal vorzugsweise von der ersten Steuerscheibe über die Flügelräder der beiden Verdichtungsstufen hinweg bis zur zweiten Steuerscheibe. Der Kanal kann ferner einen Abschnitt umfassen, der sich über einen Umfangsabschnitt von wenigstens 90°, vorzugsweise wenigstens 120° der Verdichtungsmaschine erstreckt. Dadurch kann das Gas von dem Druckschlitz der ersten Verdichtungsstufe bis zu dem in einer anderen Winkelposition angeordneten Saugschlitz der zweiten Verdichtungsstufe geführt werden.
Die Verdichtungsmaschine kann so gestaltet sein, dass sich an die Eingangsseite der ersten Verdichtungsstufe eine Eingangsöffnung der Verdichtungsmaschine anschließt. Die Eingangsöffnung kann an einem Stutzen ausgebildet sein, der mit einem Flansch zum Anschluss eines Rohrs versehen ist. An die Ausgangsseite der zweiten Verdichtungsstufe kann sich eine Ausgangsöffnung der Verdichtungsmaschine anschließen, die ebenfalls an einem solchen Stutzen ausgebildet sein kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform schließt sich an die Ausgangsseite der zweiten Verdichtungsstufe eine dritte Verdichtungsstufe an. Die dritte Verdichtungsstufe umfasst vorzugsweise ebenfalls ein in einem Gehäuse angeordnetes Flügelrad. Das Flügelrad der dritten Verdichtungsstufe kann mit derselben Welle angetrieben sein wie das Flügelrad der ersten Verdichtungsstufe und das Flügelrad der zweiten Verdichtungsstufe. Die dritte Verdichtungsstufe kann doppelt wirkend ausgelegt sein, was bedeutet, dass jede Kammer während eines vollständigen Umlaufs zwei Verdichtungsvorgänge durchläuft. Die dritte Verdichtungsstufe umfasst also bevorzugt zwei Saugabschnitte und zwei Druckabschnitte, die jeweils um 180° zueinander versetzt sind. In dem Gehäuse der Verdichtungsmaschine kann ein Kanal ausgebildet sein, der sich von dem Druckschlitz der zweiten Verdichtungsstufe bis zu den Saugschlitzen der ersten Verdichtungsstufe erstreckt.
Das Flügelrad der dritten Verdichtungsstufe kann zwischen zwei Steuerscheiben eingeschlossen sein. Dabei können die Saugschlitze in einer der Steuerscheiben und die Druckschlitze in der anderen Steuerscheibe ausgebildet sein. An die Ausgangsseite der dritten Verdichtungsstufe kann sich die Ausgangsöffnung der Verdichtungsmaschine anschließen.
Durch die Druckdifferenz zwischen der ersten Verdichtungsstufe und der zweiten Verdichtungsstufe entsteht eine beträchtliche Kraft in axialer Richtung. Die Verdichtungsmaschine kann mit hinreichend stabilen Hauptlagern ausgestattet sein, um diese Axialkräfte aufzunehmen. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Flügelrad der dritten Verdichtungsstufe einen Entlastungskolben, der einen Druckausgleichsraum in axialer Richtung abschließt. Insbesondere kann die Nabe des Flügelrads als Entlastungskolben ausgebildet sein. In dem Druckausgleichsraum kann der Druck niedriger sein als auf der Ausgangsseite der dritten Verdichtungsstufe, vorzugsweise niedriger sein als auf der Eingangsseite der dritten Verdichtungsstufe. Insbesondere kann der Druckausgleichsraum über einen Kanal an die Eingangsseite der ersten Verdichtungsstufe angeschlossen werden. Der axiale Druck auf die Welle wird durch diese Maßnahme beträchtlich vermindert.
Die erfindungsgemäße Verdichtungsmaschine umfasst vorzugsweise eine durchgehende Welle, die sich über alle Verdichtungsstufen hinweg erstreckt. Die Welle kann mit einem ersten Hauptlager und einem zweiten Hauptlager gelagert sein. Die beiden Hauptlager können so angeordnet sein, dass sie alle Verdichtungsstufen zwischen sich einschließen. Zwischen den beiden Hauptlagern kann die Welle frei von weiteren Lagern sein.
Eines der Hauptlager kann als Kegelrollenlager ausgebildet sein, wobei das Hauptlager vorzugsweise zwei Kegelrollenlager aufweist, die entgegengesetzt ausgerichtet sind. Ein solches Hauptlager ist gut für die Aufnahme axialer Kräfte ausgelegt. Vorzugsweise ist das Hauptlager auf der Ausgangsseite der Verdichtungsmaschine als solches Kegelrollenlager ausgebildet. Auf der Eingangsseite der Verdichtungsmaschine kann ein Hauptlager verwendet werden, das eine geringere Aufnahmefähigkeit für axiale Kräfte hat. Die Welle wird durch die Hauptlager vorzugsweise so gehalten, dass sie in axialer Richtung spielfrei ist. Das druckseitige Ende der Welle ist vorzugsweise innerhalb des Gehäuses angeordnet. Das saugseitige Ende der Welle kann aus dem Gehäuse herausragen, so dass dort ein Antriebsmotor angeschlossen werden kann.
Da die Flügelräder mit einem sehr geringen Abstand zu den Steuerscheiben betrieben werden, sollten die Flügelräder eine exakt definierte Position auf der Welle haben. Bevorzugt sind Distanzhülsen vorgesehen, die zwischen der Welle und den Flügelrädern angeordnet sind und die die radiale Position der Flügelräder definieren. Die Distanzhülsen können aus einem anderen Material bestehen als die Welle. Beispielsweise kann die Welle aus einfachem Stahl und die Distanzhülse aus Edelstahl bestehen.
Die Distanzhülsen sind vorzugsweise so gestaltet, dass sie zu der Welle passen, also in Radialrichtung spielfrei sind und sich in Axialrichtung relativ zu der Welle verschieben lassen. Innerhalb der Flügelräder sind die Distanzhülsen ebenfalls in Radialrichtung spielfrei und in Axialrichtung verschiebbar. Jedes Flügelrad-Bauteil kann zwischen zwei Distanzhülsen eingeschlossen sein. Die Flügelrad-Bauteile können für jede Distanzhülse einen Absatz aufweisen, an dem die Distanzhülse in axialer Richtung anliegt und der eine genaue axiale Position für die Distanzhülse definiert. Die Flügelräder und die Distanzhülsen können auf diese Weise gegenüber Kräften in Axialrichtung eine feste Einheit bilden, in der jedes Element eine definierte Position hat. Die Position dieser Einheit relativ zu der Welle kann beispielsweise durch zwei Wellenmuttern definiert werden, zwischen denen die Einheit eingespannt ist. Vorzugsweise umfasst die Einheit zwei äußere Distanzhülsen und eine zentrale Distanzhülse, wobei die beiden Flügelräder jeweils zwischen einer äußeren Distanzhülse und der zentralen Distanzhülse angeordnet sind. Die Distanzhülsen können als Wellenschutzhülsen ausgebildet sein, die durch geeignete Dichtungen einen Kontakt zwischen dem geförderten Medium und der Welle verhindern.
Wenn die Distanzhülsen aus einem anderen Material bestehen als die Welle, kann es aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten zu Spannungen kommen. Um solche Spannungen kontrolliert aufzunehmen, kann eine der Distanzhülsen mit einer Schwächung versehen sein, so dass die Spannungen zu einer Verformung der Distanzhülse im Bereich der Schwächung führen. Die anderen Distanzhülsen verformen sich dann nicht, so dass die Flügelräder weiterhin der definierten Position gehalten werden. Die Schwächung kann beispielsweise ausgebildet sein als eine oder mehrere Nuten, die sich über den Umfang der Distanzhülse erstrecken. Eine Welle, bei der ein Flügelrad zwischen zwei Distanzhülsen eingespannt ist und bei der eine der Distanzhülsen eine solche Schwächung aufweist, bildet eine eigenständige Erfindung.
Bevorzugt sind alle Distanzhülsen, die zwischen einem Flügelrad und der Eingangsseite der Verdichtungsmaschine angeordnet sind, frei von einer Schwächung. Geschwächt ist vorzugsweise eine Distanzhülse, die zwischen Flügelrad und einem druckseitigen Ende der Welle angeordnet ist.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird der Dichtspalt zwischen der ersten Verdichtungsstufe und der zweiten Verdichtungsstufe gezielt für die Versorgung mit der den Flüssigkeitsring bildenden Betriebsflüssigkeit genutzt. Dazu ist die zweite Verdichtungsstufe mit einer Zuführung für Betriebsflüssigkeit versehen. Durch den Dichtspalt tritt ein Teil der Betriebsflüssigkeit in die erste Verdichtungsstufe über, um dort den Flüssigkeitsring zu bilden. Die erste Verdichtungsstufe kann (abgesehen von dem Dichtspalt) frei von einer Zuleitung für Betriebsflüssigkeit sein. Die durch den Dichtspalt hindurchtretende Menge an Betriebsflüssigkeit reguliert sich von selbst, da der Druck in der ersten Verdichtungsstufe absinkt, wenn die Menge an Betriebsflüssigkeit zu gering ist. Bei dieser Ausführungsform ist es nicht erforderlich, den Dichtspalt so klein wie möglich zu halten, sondern der Dichtspalt kann entsprechend dem gewünschten Fluss von Betriebsflüssigkeit eingestellt werden. Die erfindungsgemäße Erhöhung des Wirkungsgrads ergibt sich daraus, dass die Betriebsflüssigkeit bei höherem Druck zugeführt wird, anstatt sie von der ersten Verdichtungsstufe zur zweiten Verdichtungsstufe zu fördern. Die Betriebsflüssigkeit mit dem erforderlichen Druck steht regelmäßig zur Verfügung durch auf der Druckseite der Verdichtungsmaschine angeordnete Flüssigkeitsabscheider.
Auch die dritte Verdichtungsstufe kann mit einer Zuführung für Betriebsflüssigkeit versehen sein.
Die erfindungsgemäße Verdichtungsmaschine kann als Flüssigkeitsring-Kompressor ausgebildet sein, der dazu ausgelegt ist, das Gas auf der Ausgangsseite mit einem Druck deutlich über Atmosphärendruck abzugeben. Bei einem Atmosphärendruck von etwa 1 bar ist der Ausgangsdruck vorzugsweise höher als 8 bar, beispielsweise zwischen 10 bar und 15 bar. Bei einer Ausführungsform mit drei Verdichtungsstufen kann der Druck auf der Ausgangsseite der ersten Verdichtungsstufe beispielsweise zwischen 2 bar und 3 bar liegen und der Druck auf der Ausgangsseite der zweiten Verdichtungsstufe zwischen 4 bar und 6 bar liegen. Der erfindungsgemäße Kompressor hat ein hohes Saugvermögen, weswegen er auch mit einer leichten Androsselung betrieben werden kann, ohne dass der Druck auf der Ausgangsseite wesentlich absinkt. Beispielsweise kann der Druck auf der Eingangsseite zwischen 200 mbar und 500 mbar liegen, ohne dass der Druck auf der Ausgangsseite unter 10 bar absinkt. Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Verfahren, bei dem der erfindungsgemäße Kompressor in diesen Druckbereichen verwendet wird. Alternativ kann die erfindungsgemäße Verdichtungsmaschine auch als Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe ausgebildet sein, die dazu ausgelegt ist, das Gas bei etwa Atmosphärendruck abzugeben.
Die erfindungsgemäße Verdichtungsmaschine kann zur Verwendung in großen Industrieanlagen, wie beispielsweise Raffinerien, bestimmt sein, wo hohe Volumenströme zu verarbeiten sind. Die Verdichtungsmaschine kann beispielsweise für eine Antriebsleistung zwischen 500 kW und 2 MW ausgelegt sein. Die Verdichtungsmaschine kann ferner dazu ausgelegt sein, bei Atmosphärendruck einen Volumenstrom zwischen 800 m³/h und 3000 m³/h anzusaugen. Der Durchmesser der Welle kann beispielsweise zwischen 15 cm und 30 cm liegen.
Die Verdichtung des Gases erfolgt in der erfindungsgemäßen Verdichtungsmaschine im Wesentlichen isotherm, da das Gas während der Verdichtung in intensiven Kontakt zu dem Flüssigkeitsring steht. Über die Temperatur des Flüssigkeitsrings kann die Temperatur des austretenden Gases eingestellt werden. Der isotherme Wirkungsgrad ist definiert als Quotient aus der in dem Gasstrom auf der Ausgangsseite zusätzlich enthaltenen thermodynamischen Leistung und der Antriebsleistung an der Welle der Verdichtungsmaschine, wenn die Temperatur des Gasstroms auf der Ausgangsseite mit der Temperatur auf der Eingangsseite übereinstimmt. Dieser isotherme Wirkungsgrad liegt bei der erfindungsgemäßen Verdichtungsmaschine zwischen 30 % und 50 %, vorzugsweise zwischen 35 % und 50 %. Im Unterschied dazu liegt der isotherme Wirkungsgrad bei bisherigen Flüssigkeitsring-Verdichtungsmaschinen in der Größenordnung von 25 % bis 30%.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand vorteilhafter Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1:: eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kompressors;
Fig. 2:: eine teilweise weggebrochene Ansicht des Kompressors aus Fig. 1;
Fig. 3:: eine Schnittansicht des Kompressors aus Fig. 1;
Fig. 4:: eine Komponente des Kompressors aus Fig. 1;
Fig. 5:: eine Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kompressors; und
Fig. 6:: einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 5.

Ein in den Figuren 1 und 2 gezeigter Flüssigkeitsring-Kompressor umfasst ein Gehäuse 14, das über vier Beine 15 auf dem Boden steht und in dem eine Welle 16 drehbar gelagert ist. Die Welle 16 erstreckt sich über die gesamte Länge des Kompressors. Mit der Welle 16 werden die insgesamt drei Verdichtungsstufen 17, 18, 19 des Kompressors gemeinsam angetrieben.
Ein aus dem Gehäuse 14 herausragender Wellenzapfen 20 dient zum Anschluss eines nicht dargestellten Antriebsmotors. Der Antriebsmotor kann beispielsweise eine Leistung von 1 MW haben. Das gegenüberliegende Ende der Welle 16 ist innerhalb des Gehäuses 14 angeordnet.
Der Kompressor umfasst eine Eingangsöffnung 21, die sich durch einen Stutzen hindurch erstreckt, der mit einem Flansch versehen ist. Durch die Eingangsöffnung 21 hindurch wird das Gas in den Kompressor hinein angesaugt. Der Kompressor umfasst außerdem eine entsprechend ausgebildete Ausgangsöffnung 22, durch die hindurch das verdichtete Gas wieder abgegeben wird. Die Verdichtung erfolgt durch die drei Verdichtungsstufen 17, 18, 19, die das Gas nacheinander durchläuft.
Gemäß Fig. 4 ist auf der Welle 16 ein einstückiges Bauteil befestigt, an dem ein Flügelrad 23 der ersten Verdichtungsstufe 17 und ein Flügelrad 24 der zweiten Verdichtungsstufe 18 ausgebildet sind. Die beiden Flügelräder 23, 24 sind durch eine zentrale Wand 26 voneinander getrennt. Außerdem ist mit der Welle 16 ein Flügelrad 25 der dritten Verdichtungsstufe 19 verbunden. Zusammen mit der Welle 16 drehen sich die Flügelräder 23, 24, 25 in dem Gehäuse 14.
Die Schnittdarstellung in Fig. 3 zeigt, dass die Flügelräder 23, 24 exzentrisch in dem Gehäuse 14 gelagert sind. Der Abstand zwischen der Welle 16 und dem oberen Ende des die Flügelräder 23, 24 umgebenden Innenraums ist kleiner als der Abstand zwischen der Welle 16 und dem unteren Ende des Innenraums. Der Innenraum hat eine einheitliche Kontur, so dass der Abstand zwischen der Welle 16 und der Wand des Innenraums in jeder Winkelposition für die erste Verdichtungsstufe 17 und die zweite Verdichtungsstufe 18 gleich groß ist. Die Kammern des ersten Flügelrads 23 haben also in der gleichen Winkelposition ihr kleinstes Volumen wie die Kammern des zweiten Flügelrads 24. Entsprechendes gilt für das größte Volumen sowie die Zwischenpositionen.
Der Winkelabschnitt, in dem das Volumen der Kammern sich vergrößert, wird als Saugabschnitt bezeichnet. Der Winkelabschnitt, in dem das Volumen der Kammern sich verkleinert, wird als Druckabschnitt bezeichnet. In der Schnittdarstellung der Fig. 3 gehört der unterhalb der Welle 16 liegende Bereich zum Saugabschnitt 271, 272 und der oberhalb der Welle liegende Bereich zum Druckabschnitt 281, 282. Während eines vollständigen Umlaufs durchlaufen die Flügelräder 23, 24 genau einen Saugabschnitt 271, 272 und genau einen Druckabschnitt 281, 282. Die erste Verdichtungsstufe 17 und die zweite Verdichtungsstufe 18 sind also einfach wirkend. Der Verdichtungsvorgang erstreckt sich über mehr als 180°.
In axialer Richtung werden die Kammern der Flügelräder 23, 24 jeweils durch eine Steuerscheibe 29, 30 begrenzt. Die Steuerscheiben 29, 30 haben jeweils im Saugabschnitt 271, 272 einen Saugschlitz und im Druckabschnitt 281, 282 einen Druckschlitz. Der Saugschlitz der Steuerscheibe 29 ist an die Eingangsöffnung 21 des Kompressors angeschlossen. Das durch die Eingangsöffnung 21 hindurch angesaugte Gas tritt durch diesen Saugschlitz hindurch in die Kammern des Flügelrads 23 ein. Mit dem Umlauf des Flügelrads 23 vermindert sich das Volumen der Kammer und das verdichtete Gas tritt durch den Druckschlitz der Steuerscheibe 29 wieder aus den Kammern des Flügelrads 23 aus. Der Verdichtungsvorgang der ersten Verdichtungsstufe 17 ist damit abgeschlossen. Wurde das Gas bei einem Atmosphärendruck von 1 bar angesaugt, so kann der Druck am Ausgang der ersten Verdichtungsstufe beispielsweise zwischen 2 bar und 3 bar liegen.
Durch einen in dem Gehäuse 14 ausgebildeten Kanal 31 wird das verdichtete Gas von dem Druckschlitz der Steuerscheibe 29 zu dem Saugschlitz der Steuerscheibe 30 geleitet. Das Gas tritt durch den Saugschlitz hindurch in die Kammern des Flügelrads 24 ein. Mit dem Umlauf des Flügelrads 24 wird das Gas weiter verdichtet. Durch den Druckschlitz der Steuerscheibe 30 tritt das Gas mit einem Druck zwischen beispielsweise 4 bar und 6 bar aus der zweiten Verdichtungsstufe 18 wieder aus.
Das dritte Flügelrad 25, das die dritte Verdichtungsstufe 19 bildet, ist eingeschlossen zwischen einer dritten Steuerscheibe 32 und einer vierten Steuerscheibe 33. Die Steuerscheibe 32 umfasst zwei um 180° zueinander versetzte Saugschlitze. Die Steuerscheibe 33 umfasst zwei um 180° zueinander versetzte Druckschlitze. Der das dritte Flügelrad 25 umgebende Innenraum des Gehäuses ist so gestaltet, dass er zwei Saugabschnitte und zwei Druckabschnitt bildet. Das Flügelrad 25 durchläuft bei einem vollständigen Umlauf also zwei Saugabschnitte und zwei Druckabschnitte und führt damit zwei Verdichtungsvorgänge durch. Jeder Verdichtungsvorgang erstreckt sich über weniger als 180°, die dritte Verdichtungsstufe ist doppeltwirkend. Die Saugschlitze in der Steuerscheibe 32 sind so positioniert, dass sie Zugang zu den Saugabschnitten bieten. Entsprechend sind die Druckschlitze in der Steuerscheibe 33 so positioniert, dass sie Zugang zu den Druckabschnitten bieten.
Vom Ausgang der zweiten Verdichtungsstufe 18 wird das Gas zu den Saugschlitzen in der Steuerscheibe 32 geleitet, so dass es in die Kammern des Flügelrads 25 eintreten kann. Nach dem Verdichtungsvorgang tritt das Gas mit einem Druck zwischen beispielsweise 10 bar und 15 bar durch die Druckschlitze der Steuerscheibe 33 aus der dritten Verdichtungsstufe aus. Von dort wird das Gas durch die Austrittsöffnung 22 aus dem Kompressor herausgeführt.
Aufgrund der Druckdifferenz zwischen der ersten Verdichtungsstufe 17 und der zweiten Verdichtungsstufe 18 kann sich ein Leckfluss zwischen den Kammern des zweiten Flügelrads 24 und den Kammern des ersten Flügelrads 23 ausbilden. Der Leckfluss geht durch einen Dichtspalt 28 hindurch, der zwischen der Trennwand 26 der Flügelräder 23, 24 und dem umgebenden Gehäuse besteht. Um den Leckfluss gering zu halten, wird der radiale Abstand zwischen der Trennwand 26 und dem Gehäuse so gering wie möglich gehalten und zudem ein Dichtring in dem Dichtspalt 28 angeordnet. Ganz vermeiden lässt der Leckfluss sich mit diesen Maßnahmen jedoch nicht.
Erfindungsgemäß trägt zur Verminderung des Leckflusses weiterhin bei, dass die Saugabschnitte 271, 272 und die Druckabschnitte 281, 282 der ersten Verdichtungsstufe 17 und der zweiten Verdichtungsstufe 18 jeweils in derselben Winkelposition angeordnet sind. Die Druckdifferenz zwischen der ersten Verdichtungsstufe 17 und der zweiten Verdichtungsstufe 18 ist dadurch in allen Winkelpositionen ungefähr gleich und liegt in der Größenordnung von lediglich 2 bar bis 3 bar. Diese geringe Druckdifferenz wirkt ebenfalls der Entstehung eines starken Leckflusses entgegen.
Allerdings hat die in den ersten beiden Verdichtungsstufen 17, 18 übereinstimmende Winkelposition der Saugabschnitte 271, 272 und der Druckabschnitte 281, 282 auch zur Folge, dass große Kräfte in radialer Richtung auf die Welle 16 wirken. Diese Kräfte werden dadurch aufgefangen, dass die Welle 16 sehr massiv ausgeführt ist. Die Welle kann beispielsweise aus Stahl bestehen und einen Durchmesser von 20 cm haben. Diese Dimensionierung hat sich als ausreichend erwiesen, um zu verhindern, dass die Welle 16 sich unter den von den Flügelrädern 23, 24 ausgeübten Kräften übermäßig durchbiegt.
Aufgrund des Druckunterschieds zwischen den Kammern des Flügelrads 24 und den Kammern des Flügelrads 23 wirkt außerdem eine große Kraft in axialer Richtung auf die Welle 16, die in Fig. 3 nach links gerichtet ist. Diese Kräfte werden durch ein groß dimensioniertes Hauptlager 35 aufgefangen. Das Hauptlager 35 ist als Kegelrollenlager ausgebildet, das neben den radialen Kräften auch große axiale Kräfte aufnehmen kann. Das zweite Hauptlager 34 nimmt in erster Linie radiale Kräfte auf. Zwischen den beiden Hauptlagern 34, 35 ist die Welle 16 nicht weiter gelagert.
Um den Leckfluss innerhalb der jeweiligen Verdichtungsstufen 17, 18, 19 gering zu halten, ist es außerdem erwünscht, dass die Flügel der Flügelräder 23, 24, 25 sich mit möglichst geringem Abstand zu den Steuerscheiben 29, 30, 32, 33 bewegen. Dies setzt wiederum voraus, dass die Flügelräder 23, 24, 25 mit hoher Präzision in einer bestimmten Position auf der Welle 16 gehalten werden. Dies geschieht bei dem erfindungsgemäßen Kompressor dadurch, dass zwischen den Flügelrädern und der Welle 16 Distanzhülsen 36, 37, 38 angeordnet sind, die eine exakte Position in Radialrichtung definieren.
Die Distanzhülsen 36, 37, 38 definieren außerdem exakte Positionen in Axialrichtung, indem sie in Axialrichtung an geeigneten Vorsprüngen der Flügelräder 23, 24, 25 anliegen. Mit zwei Wellenmuttern 39, 40 wird die Einheit aus Distanzhülsen 36, 37, 38 und Flügelrädern 23, 24, 25 in axialer Richtung gegeneinander gespannt, so dass alle Elemente eine exakt definierte Position haben.
Die Distanzhülsen 36, 37, 38 bestehen aus Edelstahl und damit aus einem anderen Material als die Welle 16. Erwärmt sich der Kompressor, können aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten Spannungen auftreten. Um diese kontrolliert aufzunehmen, ist die Distanzhülse 38, die zwischen dem dritten Flügelrad 25 und dem druckseitigen Hauptlager 35 angeordnet ist, mit innen liegenden Nuten 41 versehen, die in der vergrößerten Darstellung der Fig. 6 gezeigt sind. Die Nuten 41 bilden eine Schwächung der Distanzhülse 38, so dass eine Verformung durch Wärmeausdehnung in diesem Bereich stattfindet. Durch diese gezielte Verformung wird erreicht, dass die axiale Position der Flügelräder 23, 24, 25 sich bei einer Erwärmung des Kompressors nur sehr geringfügig verschiebt.
Bei der in Fig. 5 gezeigten alternativen Ausführungsform ist die Nabe 42 des Flügelrads 25 als Druckentlastungskolben gestaltet, um den axialen Druck auf die Welle 16 zu vermindern. In Richtung Druckseite schließt sich an die Nabe 42 ein zylindrischer Hohlraum 43 an, der durch einen Dichtspalt 44 gegenüber der Nabe 42 abgedichtet ist. Der Hohlraum 43 ist über eine Leitung 45 an die Saugseite des Kompressors angeschlossen, auf der im Wesentlichen Atmosphärendruck anliegt. Indem der Atmosphärendruck auf die Ausgangsseite der dritten Verdichtungsstufe 19 geleitet wird, vermindert sich der axiale Druck und die Welle 16 wird entlastet.
Die zweite Verdichtungsstufe 18 sowie die dritte Verdichtungsstufe 19 sind jeweils an eine nicht dargestellte Zuleitung für Betriebsflüssigkeit angeschlossen, die von einem auf der Druckseite des Kompressors angeordneten Flüssigkeitsabscheider gespeist werden. Die erste Verdichtungsstufe 17 hat keine direkte Zuführung für Betriebsflüssigkeit. Vielmehr erfolgt die Versorgung der ersten Verdichtungsstufe mit Betriebsflüssigkeit durch den Dichtspalt 28 hindurch. Der Durchmesser des Dichtspalts ist so gewählt, dass sich der gewünschte Fluss von Betriebsflüssigkeit einstellt.

Claims

Flüssigkeitsring-Verdichtungsmaschine mit einer ersten einfach wirkenden Verdichtungsstufe (17), die ein exzentrisch in einem Gehäuse (14) gelagertes erstes Flügelrad (23) aufweist, und mit einer zweiten einfach wirkenden Verdichtungsstufe (18), die ein exzentrisch in einem Gehäuse gelagertes zweites Flügelrad (24) aufweist, wobei die erste Verdichtungsstufe (17) und die zweite Verdichtungsstufe (18) durch einen Dichtspalt (28) voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtspalt (28) zwischen einem Saugabschnitt (271) der ersten Verdichtungsstufe (17) und einem Saugabschnitt (272) der zweiten Verdichtungsstufe (18) angeordnet ist.
Flüssigkeitsring-Verdichtungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verdichtungsstufe (17) eine erste Steuerscheibe (29) aufweist, dass die zweite Verdichtungsstufe (18) eine zweite Steuerscheibe (30) aufweist, wobei das erste Flügelrad (23) und dass zweite Flügelrad (24) zwischen der ersten Steuerscheibe (29) und der zweiten Steuerscheibe (30) angeordnet sind.
Flüssigkeitsring-Verdichtungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kammern des ersten Flügelrads (23) und den Kammern des zweiten Flügelrads (24) eine Wand (26) ausgebildet ist, die sich mit den Flügelrädern (23, 24) dreht.
Flüssigkeitsring-Verdichtungsmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtspalt (28) zwischen einer Umfangsfläche der Wand (26) und einer Abschlussfläche des Gehäuses (14) angeordnet ist.
Flüssigkeitsring-Verdichtungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (14) einen Kanal (31) aufweist, der sich von einer Ausgangsseite der ersten Verdichtungsstufe (17) bis zu einem Eingangsseite der zweiten Verdichtungsstufe (18) erstreckt.
Flüssigkeitsring-Verdichtungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich an eine Ausgangsseite der zweiten Verdichtungsstufe (18) eine dritte Verdichtungsstufe (19) anschließt, wobei ein Flügelrad (25) der dritten Verdichtungsstufe (19) mit derselben Welle (16) angetrieben wird wie das erste Flügelrad (23) und das zweite Flügelrad (24).
Flüssigkeitsring-Verdichtungsmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Verdichtungsstufe (19) doppelt wirkend ausgelegt ist.
Flüssigkeitsring-Verdichtungsmaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Flügelrad (25) der dritten Verdichtungsstufe (19) zwischen einer ersten Steuerscheibe (32) und einer zweiten Steuerscheibe (33) angeordnet ist und dass in der ersten Steuerscheibe (32) Saugschlitze und in der zweiten Steuerscheibe (33) Druckschlitze ausgebildet sind.
Flüssigkeitsring-Verdichtungsmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Flügelrad (25) der dritten Verdichtungsstufe (19) einen Entlastungskolben (42) aufweist, der einen Druckausgleichsraum (43) in axialer Richtung abschließt, wobei der Druck in dem Druckausgleichsraum (43) niedriger ist als auf der Ausgangsseite der dritten Verdichtungsstufe (19).
Flüssigkeitsring-Verdichtungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Flügelrad-Bauteil (23, 24, 25) in axialer Richtung zwischen zwei Distanzhülsen (36, 37, 38) eingeschlossen ist.
Flüssigkeitsring-Verdichtungsmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Distanzhülsen (38) mit einer Schwächung (41) versehen ist.
Flüssigkeitsring-Verdichtungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Verdichtungsstufe (18) mit einer Zuführung für Betriebsflüssigkeit ausgestattet ist und dass die erste Verdichtungsstufe (17) frei von einer Zuleitung für Betriebsflüssigkeit ist.
Flüssigkeitsring-Verdichtungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Verdichtungsstufe (19) mit einer Zuführung für Betriebsflüssigkeit ausgestattet ist.
Flüssigkeitsring-Verdichtungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie für eine Antriebsleistung zwischen 500 kW und 2 MW ausgelegt ist.