DE1093040B

DE1093040B - Multi-stage centrifugal compressor with tube intercooler

Info

Publication number: DE1093040B
Application number: DESCH18999A
Authority: DE
Inventors: Joachim Kolbert
Original assignee: Schweizerische Lokomotiv und Maschinenfabrik AG (SLM)
Current assignee: Schweizerische Lokomotiv und Maschinenfabrik AG (SLM)
Priority date: 1955-10-31
Filing date: 1955-11-09
Publication date: 1960-11-17

Description

Mehrstufiger Zentrifugalverdichter mit Röhren-Zwischenkühler Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Zentrifugalverdichter mit Röhren-Zwischenkühler, dessen Rohre rings um die Verdichterachse und parallel zu ihr im Rückführraum von der ihm vorgeschalteten zur ihm nachgeschalteten Verdichterstufe angeordnet sind, also vom zu kühlenden Medium zur Verdichterachse hin umströmt werden.Multistage centrifugal compressor with tubular intercooler The invention relates to a multistage centrifugal compressor with a tubular intercooler, its Pipes around the compressor axis and parallel to it in the return space from it are arranged upstream to it downstream compressor stage, so from medium to be cooled are flowed around towards the compressor axis.

Solche Kühler sind also an der Stelle angeordnet, an der sich bei ungekühlten Verdichtern die Rückführkanäle befinden. Diese Rückführkanäle sollen bekanntlich um des stoßfreien Eintritts ins nächste Laufrad willen an ihren Enden eine bestimmte, meistens eine genau radiale Strömungsrichtung ergeben. Solche bestimmte, d. h. über den ganzen Umfang gleiche Strömungsrichtung aber können die bekannten Kühler jener Art - es sind deren zwei voneinander verschiedene bekannt - nicht liefern oder nicht in genügender Weise liefern.Such coolers are therefore arranged at the point where uncooled compressors are the return ducts. These return channels should as is well known, for the sake of smooth entry into the next impeller at their ends result in a certain, usually an exactly radial flow direction. Such certain d. H. However, the known flow directions can be used over the entire circumference Coolers of that kind - two of which are known to be different from each other - do not deliver or fail to deliver in a sufficient manner.

Denn bei dem einen jener bekannten Kühler sind die Rohre in zur Verdichterachse konzentrischen Reihen angeordnet mit von Reihe zu Reihe radial einwärts immer größerer Teilung, was über den ganzen radialen Strömungsweg hin gleichbleibenden lichten Strömungsquerschnitt, also gleichbleibende Strömungsgeschwindigkeit und daher geringsten Druckverlust des zu kühlenden Gases ergeben soll; aber das gibt einige ausgeprägte Rohrgassen von - das ist sein hier wesentlicher \Tachteil - am Kühleraustritt einander kreuzenden Richtungen, ergibt also Wirbel und eine größtenteils ungeordnete Strömungsrichtung am Kühleraustritt, also Schaufelstöße am Eintritt des nächsten Rades. Und beim anderen jener bekannten Kühler sind die Rohre in dem bei Kühlern um engster Rohrstellung willen allgemein üblichen Raster, nämlich in unter 60° sich kreuzenden geraden, einander parallelen Reihen angeordnet, und zwar ist dieser Raster über das ganze Rohrfeld des Kühlers hin ein und derselbe; und da solcher Raster bequeme, nämlich gerade Gassen nur parallel zu den Rohrreihen ergibt, da also das ringförmige Rohrfeld solche radialen Gassen nur an sechs Stellen des Umfangs bietet, nämlich nur dort, wo die Rohrreihen radial verlaufen, je ein Paar solcher Gassen bietet, so ist die Strömung aus dem Kühler ins nächste Laufrad nur an diesen sechs Stellen in der gewünschten Weise geordnet, aber an den übrigen Teilen des Umfangs mehr oder weniger ungeordnet und Ursache von Eintrittsstößen an den Schaufeln jenes nächsten Rades.Because with one of those known coolers, the pipes are in the direction of the compressor axis concentric rows arranged with increasing radially inwardly from row to row Division, which clears constant over the entire radial flow path Flow cross-section, i.e. constant flow velocity and therefore lowest Pressure loss of the gas to be cooled should result; but there are some pronounced ones Pipe lanes from - this is its main disadvantage here - at the cooler outlet from each other intersecting directions, resulting in eddies and a largely disordered flow direction at the radiator outlet, i.e. the blade impacts at the inlet of the next wheel. And with the other those known coolers are the tubes in the narrowest tube position in coolers for the sake of the general grid, namely in straight lines that cross each other at under 60 °, arranged in parallel rows, this grid is over the whole Pipe field of the cooler one and the same; and since such a grid is convenient, namely straight lanes only result in parallel to the rows of pipes, so there is the ring-shaped pipe field offers such radial lanes only at six points of the circumference, namely only there, where the rows of tubes run radially each have a pair of such lanes, so is that Flow from the cooler to the next impeller only at these six points in the desired one Orderly, but more or less disordered on the remaining parts of the circumference and cause of ingress impacts on the blades of that next wheel.

Dieser letztgenannte Kühler ist wenigstens etwas günstiger als jener erste; denn die aus seinen sechs genau radialen Paaren gerader Rohrgassen austretenden Gasstrahlen bilden, da sie weit schneller als die aus den anderen, nicht radialen Gassen austretenden und daher sich kreuzenden und bremsenden Gasströme sind, gewissermaßen Richtstrahlen, welche die übrigen Gasstrahlen radial zu richten helfen. Diese sechs Richtstrahlen zu verstärken, ist das Ziel der Erfindung.This latter cooler is at least a little cheaper than that one first; because those emerging from its six precisely radial pairs of straight pipe lanes Gas jets form as they are far faster than those from the other, non-radial ones Alleys exiting and therefore crossing and braking gas flows are, so to speak Directional jets, which help to straighten the remaining gas jets radially. These six The aim of the invention is to amplify directional beams.

Die Erfindung will an diesen sechs Stellen je eine zusätzliche Gasse schaffen, die breiter ist als die übrigen Gassen (diese sind beim 60°-Raster bekanntlich je der Rohrteilung).The invention aims to create an additional alley at each of these six points, which is wider than the other alleys (these are known to be each with the 60 ° grid the pipe division).

Die Erfindung betrifft also einen Kühler der eingangs genannten Art, dessen Rohre in unter 60° einander kreuzenden, geraden, einander parallelen Reihen angeordnet sind, und besteht darin, daß das Rohrfeld des Kühlers in sechs einander gleiche Sektoren von 60° Zentriwinkel aufgeteilt ist, in deren jedem die Rohre in zur Mittellängsebene des Sektors senkrechten Reihen so angeordnet sind, daß die Achse des äußersten Rohres an jedem Ende jeder Rohrreihe eine halbe Rohrteilung von der den Sektor begrenzenden Längsebene Abstand hat, so daß also zwischen je zwei einander benachbarten Sektoren eine radial gerichtete Gasse von der vollen Breite der Rohrteilung vorhanden ist.The invention thus relates to a cooler of the type mentioned above, its tubes in straight, parallel rows crossing each other at under 60 ° are arranged, and consists in that the tube field of the cooler in six each other equal sectors of 60 ° central angle are divided, in each of which the tubes in to the central longitudinal plane of the sector perpendicular rows are arranged so that the Axis of the outermost tube at each end of each row of tubes is half a tube division from the longitudinal plane delimiting the sector, so that between each two adjacent sectors a radially directed lane from the full Width of the pipe division is available.

Durch diese zusätzlich breiten Gassen werden am Kühleraustritt die genau radialen Ströme verstärkt und die ungeordneten Ströme vermindert und besser radial gerichtet, werden also die Eintrittsstoßverluste im nachgeschalteten Laufrad vermindert.Through these additional wide lanes, the precisely radial currents amplified and the disordered currents diminished and better radial directed, so the inlet shock losses in the downstream impeller are reduced.

Ein Verlust an Kühlwirkung ist dadurch nicht zu befürchten, denn die Kühlung ist bei dieser ja nicht sehr großen Verbreiterung der Gassen von 0,866 Teilung auf die volle Teilung erfahrungsgemäß fast die gleiche. Auch ein Mehrbedarf an Raum braucht nicht einzutreten, denn wohl ist jeder Rohrfeldsektor des erfindungsgemäßen Kühlers um 0,134 der Rohrteilung weiter von der Achse entfernt als beim bekannten Kühler, doch wird bei geeignet gewählter Rohranzahl jedes Sektors der die Sektoren umhüllende Kreis erfahrungsgemäß nicht größer. Die Gefahr, daß das Innere der Sektoren von staubhaltigem Gas etwas leichter verschmutzt wird, weil es von etwas geringerer Gasmenge durchströmt, also etwas weniger kräftig durchblasen wird als beim bekannten Kühler, ist gering.A loss of cooling effect is not to be feared because the Cooling is with this not very large widening of the alleys of 0.866 pitch Experience has shown that it is almost the same on the full pitch. Also a need for more space need not enter, because every pipe field sector is probably the one according to the invention The cooler is 0.134 of the pipe spacing further from the axis than with the known Cooler, but with a suitably selected number of tubes, each sector becomes that of the sectors Experience has shown that the enveloping circle is not larger. The danger that the interior of the sectors is more easily polluted by dusty gas because it is slightly less polluted by gas Amount of gas flows through it, so it is blown through a little less forcefully than with the known Cooler, is low.

Der bekannte Kühler ist in der waagerechten Achsebene geteilt. Das hat den Nachteil, daß an der Teilfuge die Rohre wegen der Flanschdicke um mehr als den Betrag einer Teilung voneinander entfernt sein müssen. Erfindungsgemäß empfiehlt sich daher, daß jeder Rohrboden die Form eines ungeteilten Kreisringes aufweist und die den Zwischenkühler aufnehmende Umleitkammer des Verdichtergehäuses an ihrer einen Stirnseite mit einem abnehmbaren Deckel verschlossen ist, so daß der Zwischenkühler in axialer Richtung ausgebaut werden kann.The well-known cooler is divided in the horizontal axis plane. That has the disadvantage that the pipes because of the flange thickness at the parting line by more than the amount of a division must be separated from each other. According to the invention recommends therefore that each tube sheet has the shape of an undivided circular ring and the bypass chamber of the compressor housing, which receives the intercooler, on its one end face is closed with a removable cover, so that the intercooler can be expanded in the axial direction.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; es zeigt Fig.l einen Halblängsschnitt durch einen zweistufigen Zentrifugalverdichter, Fig.2 einen Halbquerschnitt durch den Zwischenkühler des Verdichters nach der Schnittlinie II-II der Fig. 1, Fig. 3 einen Teilquerschnitt durch die eine Umlenkplatte des Zwischenkühlers nach der SchnittlinieIII-III der Fig. 1, Fig. 4 einen Teilquerschnitt durch die andere Umlenkplatte des Zwischenkühlers nach der Schnittlinie IV-IV der Fig. 1.In the drawing, the invention is illustrated by way of example; it shows Fig.l a half longitudinal section through a two-stage centrifugal compressor, 2 shows a half cross-section through the intercooler of the compressor according to the section line II-II of FIGS. 1, 3 show a partial cross section through one of the deflecting plates of the intercooler according to the section line III-III of Fig. 1, Fig. 4 is a partial cross-section through the Another baffle plate of the intercooler according to the section line IV-IV of FIG. 1.

Der allgemeine Aufbau des Zentrifugalverdichters geht aus Fig. 1 hervor. Im Gehäuse 1 des Verdichters ist die Welle 2 gelagert, auf welcher die Laufräder 3 und 4 der ersten und zweiten Verdichterstufe sitzen. Diese münden in die radial im Gehäuse angeordneten Diffusoren 5 und 6. In der von der ersten zur zweiten Stufe führenden Umleitkammer 7 befindet sich der ringförmige Zwischenkühler 8, dessen axial liegende Rippenkühlrohre 9 durch die Zu- und Ablaufleitungen 10 bzw. 11 von Kühlwasser durchflossen werden.The general structure of the centrifugal compressor is shown in FIG. The shaft 2, on which the impellers 3 and 4 of the first and second compressor stage sit, is mounted in the housing 1 of the compressor. These open into the diffusers 5 and 6 arranged radially in the housing. In the bypass chamber 7 leading from the first to the second stage is the annular intercooler 8, the axially located finned cooling tubes 9 of which are traversed by the inlet and outlet lines 10 and 11 of cooling water .

Über die Bauweise des Zwischenkühlers gibt Fig. 2 im Zusammenhang mit dem in Fig.1 gezeigten Längsschnitt genaueren Aufschluß. Die gerippten Kühlrohre 9 sind an ihren Enden in Bohrungen der beiden ungeteilten Rohrböden 15 eingewalzt und, wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, zu Sektoren A bis F von 60° Winkelteilung gruppiert. Mit diesen Rohrböden sind die beiden Umlenkplatten 18, 19 wasserdicht verschraubt. In jedem der so gebildeten sechs Sektoren sind die Kühlrohre mit Teilung t in senkrecht zur Sektormittelebene stehenden Reihen angeordnet; die Rohre sind von Reihe zu Reihe um eine halbe Teilung gegeneinander versetzt, also im 60°-Raster angeordnet, der, wie oben als bekannt dargelegt, die dichteste Besetzung der Rohrfelder mit Rohren ermöglicht. Die beiden Rohrreihen an den Flanken je zweier unmittelbar nebeneinanderliegender Rohrfeldsektoren bilden eine radial gerichtete, ganz gerade Gasse; da die Rohre dieser Flankenreihen zweier aneinandergrenzender Sektoren jeweils in einer zur radialen Mittellinie der Gasse senkrechten, also in einer tangentialen Ebene nebeneinanderliegen, haben diese zwischen je zwei einander benachbarten Sektoren liegenden radialen Gassen die volle Breite der Rohrteilung.FIG. 2 shows the construction of the intercooler in context with the longitudinal section shown in FIG. The finned cooling tubes 9 are rolled into the bores of the two undivided tube sheets 15 at their ends and, as can be seen from FIG. 2, grouped into sectors A to F with an angular division of 60 °. The two deflection plates 18, 19 are screwed watertight to these tube sheets. In each of the six sectors thus formed, the cooling tubes with division t in are vertical arranged rows standing to the center plane of the sector; the pipes are from row to row offset from each other by half a division, i.e. arranged in a 60 ° grid, which, as stated above as known, the most dense occupation of the pipe fields with pipes enables. The two rows of tubes on the flanks of two directly adjacent to each other Pipe field sectors form a radially directed, very straight lane; there the pipes these rows of flanks of two adjacent sectors each in one to the radial The center line of the alley is vertical, i.e. side by side in a tangential plane, have these radial lanes located between two adjacent sectors the full width of the pipe division.

Der Zirkulationsweg des Kühlwassers ist aus den Fig. 1, 3 und 4 ersichtlich. Wie bereits erwähnt, tritt es durch das am Umfang angeordnete Ringzuleitungsrohr 10 ein und wird dann durch die sechs Verteilrohre 16 je zu der innersten Ruhrreihe 17 der Rohrfeldsektoren geleitet. Durch diese hindurch gelangt es zu der linksseitigen ringförmigen Umlenkplatte 18. In dieser Umlenkplatte, die in Fig. 4 durch den SektorF im Schnitt dargestellt ist, wird dann das Kühlwasser in Umlenktaschen 20 zur nächstäußeren Rohrreihe geleitet. Von hier aus tritt es durch Umlenktaschen 21 der rechtsseitigen Umlenkplatte 19, die in Fig. 3 durch die Sektoren D und E gezeigt sind, in die nächstäußere Rohrreihe ein, um auf diese Weise nacheinander alle Rohrreihen im Gegenstrom zur Luft zu durchströmen und dann durch sechs Rückleitungsrohre 22 zu dem ringförmigen Ableitungsrohr 11 zu ge- langen.The circulation path of the cooling water can be seen from FIGS. 1, 3 and 4. As already mentioned, it enters through the ring feed pipe 10 arranged on the circumference and is then passed through the six distribution pipes 16 each to the innermost row 17 of the pipe field sectors. Through this it reaches the left-hand annular baffle 18. In this baffle, which is shown in section F in FIG. 4 by sector F, the cooling water is then conducted in deflection pockets 20 to the next outer row of tubes. From here it enters the next outer row of tubes through deflection pockets 21 of the right-hand deflection plate 19, which are shown in Fig. 3 by the sectors D and E, in order in this way to flow through all the rows of tubes one after the other in countercurrent to the air and then through six return pipes 22 to the annular long discharge pipe 11 to overall.

Das zu verdichtende Medium, z. B. Luft, wird vom Laufrad 3 angesaugt, verdichtet und durch den Diffusor5 gedrückt, worauf es an der Gehäuseaußenwand umgelenkt wird. Darauf tritt die erwärmte Luft am Umfang in den Zwischenkühler 8 und durchströmt dabei das Kühlrohrgitter 9 von außen nach innen. Nach dem Verlassen des Kühlers wird die rückgekühlte Luft im Umlenkkana112 nach dem Lauf rad4 der zweiten Stufe geführt, in diesem weiter verdichtet, um dann durch den Diffusor 6 der Spirale 13 und von hier seinem Bestimmungsort zugeleitet zu werden.The medium to be compressed, e.g. B. air, is sucked in by the impeller 3, compressed and pressed through the diffuser5, whereupon it is deflected on the outer wall of the housing. The heated air then enters the intercooler 8 at the periphery and flows through the cooling pipe grille 9 from the outside to the inside. After leaving the cooler, the recooled air is guided in the Umlenkkan112 after the runner wheel4 of the second stage, further compressed in this, in order to then be fed through the diffuser 6 of the spiral 13 and from here to its destination.

Der mutmaßliche Verlauf der Luftströmung innerhalb eines Sektors ist im Sektor B durch Pfeile dargestellt. Man ersieht daraus, daß die Luft, wenn auch innerhalb der Rohrfeldsektoren in Wellenlinien und daher nicht rein radial, so doch durch die zwischen den einzelnen Sektoren gebildeten Gassen ganz gerade und rein radial strömt.The presumed course of the air flow within a sector is in sector B represented by arrows. One can see from this that the air, albeit within the pipe field sectors in wavy lines and therefore not purely radial, so at least through the alleys formed between the individual sectors, straight and clean flows radially.

Zum Ausbau des Ringkühlers aus dem muldenförmigen Gehäuseraum müssen nach Wegnahme des Gehäusedeckels 24 lediglich die Wand 25 und das Laufrad 3 der ersten Verdichterstufe entfernt werden.To remove the ring cooler from the trough-shaped housing space you have to after removal of the housing cover 24 only the wall 25 and the impeller 3 of the first compressor stage.

Claims

PATENT CLAIM: 1. Multistage centrifugal compressor with tube intercooler, the tubes of which are arranged around the compressor axis and parallel to it in the return chamber from the compressor stage upstream to the downstream compressor stage, i.e. the medium to be cooled flows around the compressor axis and in below 60 ° intersecting, straight, parallel rows are arranged, characterized in that the tube field of the cooler is divided into six equal sectors of 60 ° central angle, in each of which the tubes are arranged in rows perpendicular to the central longitudinal plane of the sector so that the The axis of the outermost pipe at each end of each pipe row is half a pipe division from the longitudinal plane delimiting the sector, so that a radially directed lane of the full width of the pipe division is present between every two adjacent sectors. in which the ends of the cooling tubes in holes of Ro Hr bases are attached, characterized in that each tube sheet (15) has the shape of an undivided circular ring and the bypass chamber (12) of the compressor housing (1), which accommodates the intercooler (8), is closed at one end with a removable cover (24) , so that the intercooler (8) can be expanded in the axial direction. 3. Compressor according to claim 1 or 2, characterized in that each sector (A to F) of the cooler has its own coolant supply and discharge lines (16 or 22) , each of which is connected to a common coolant inlet or outlet (10 or . 11) are connected. Considered publications: German Patent Specifications, Nos. 296 871, 567 480; Swiss patents Nos. 73 841, 88 630, 221 383, 241 273; Taschenbuch "Hütte", 28th edition, 1955, vol. 1, p. 499; Stodola, "Steam and Gas Turbines", Verlag Springer, 6th edition, 1924, pp. 745/746; Münzinger, "Dampfkraft", Verlag Springer, 1949, pp. 74/75.