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Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Turboverdichter mit zwei nacheinander geschalteten Verdichterstufen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Die Verdichterräder der Verdichterstufen sind auf einer gemeinsamen Welle angeordnet.
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Mehrstufige Turboverdichter sind im Stand der Technik bekannt. Turboverdichter dienen zur Erhöhung der Energiedichte eines gasförmigen Mediums durch Wandlung mechanischer Antriebsarbeit in potentielle Energie des Strömungsmediums. Hierzu wird üblicherweise ein Verdichterrad verwendet, das von einem Gas umströmt wird. Unterschiedliche Verdichterkonzepte sind nach Einteilung der Hauptströmungsrichtung Radialverdichter, Axialverdichter, Diagonalverdichter sowie Querstromverdichter und allgemein bekannt.
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Es ist des Weiteren allgemein bekannt, dass die Verdichtung in mehreren aufeinanderfolgenden Stufen vorgenommen werden kann. Dabei wird das bereits verdichtete Gas ein weiteres Mal in einer zweiten Stufe verdichtet. Es ist ebenfalls bekannt, beide Stufen auf einer gemeinsamen Welle anzuordnen.
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Nachteilig hierbei ist, dass die bekannten Turboverdichter keinen idealen, reversiblen Prozess umsetzen, sondern der Wirkungsgrad eines realen Turboverdichters stets unter dem idealen Wirkungsgrad eines reversiblen Prozesses liegt. Bei zwei- oder mehrstufigen Systemen addieren sich die Verluste auf, so dass der Gesamtwirkungsgrad mehrstufiger Turboverdichter gegenüber dem idealen Wirkungsgrad eines vergleichbaren Carnot-Prozesses noch geringer ist.
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Die
US 7,021,891 offenbart einen zweiflutigen Microimpeller mit zwei Schaufelrädern, die auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Die Schaufelräder sind Rücken an Rücken zueinander ausgerichtet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen mehrstufigen Turboverdichter anzugeben, der eine kompakte Konstruktion mit wenigen Bauteilen mit einem hohen Wirkungsgrad vereint.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Turboverdichter gemäß Patentanspruch 1. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein erfindungsgemäßer Turboverdichter weist eine erste Verdichterstufe mit einem ersten Verdichterrad auf, welcher eine zweite Verdichterstufe mit einem zweiten Verdichterrad nachgeschaltet ist. Die Verdichterräder sind auf einer gemeinsamen Welle, kraft- und/oder formschlüssig, angeordnet und werden dadurch mit der gleichen Drehzahl betrieben.
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Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Strömungsverbindung zwischen der ersten Verdichterstufe und der zweiten Verdichterstufe ein Wärmetauscher angeordnet ist. Ein solcher Wärmetauscher oder Economizer entzieht dem verdichteten Gas Wärme, die abgeführt und ggf. anderweitig verwendet werden kann. Dadurch lässt sich der Gesamtwirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhöhen.
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Gemäß einer ersten möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die erste Verdichterstufe von einer ersten Seite des Turboverdichters aus angeströmt wird und die zweite Verdichterstufe von einer von der ersten Seite verschiedenen oder von der der ersten Seite gegenüberliegenden Seite des Turboverdichters angeströmt wird. „Seite” steht in Bezug auf das strömende Medium ebenfalls für Richtung oder Vektor. Eine derartige Anordnung erlaubt es, den Gasstrom nach der ersten Verdichterstufe von der gemeinsamen Drehachse weg zu leiten und den Wärmetauscher platzsparend anzuordnen. Insbesondere, wenn die beiden Verdichterstufen von entgegen gesetzten Seiten angeströmt werden, lässt sich ein kompakter Aufbau erreichen.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das erste Verdichterrad im Wesentlichen den gleichen Durchmesser aufweist wie das zweite Verdichterrad.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung können die beiden Verdichterräder unterschiedliche Durchmesser aufweisen. So kann beispielsweise das erste Verdichterrad kleiner als das zweite Verdichterrad sein oder umgekehrt.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das erste Verdichterrad und das zweite Verdichterrad als ein Bauteil ausgeführt werden. Dies bewirkt eine Reduktion der notwendigen Bauteile und ermöglicht kurze Toleranzketten.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann zwischen dem ersten Verdichterrad und dem zweiten Verdichterrad eine Dichtung angeordnet sein, die die beiden Verdichterstufen voneinander trennt. Diese Dichtung muss bei einer einteiligen Ausführung der Verdichterräder geteilt erfolgen, damit eine Montage möglich ist.
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In einer möglichen Ausgestaltung kann die Dichtung geläppte Dichtflächen aufweisen, die eine gute Abdichtung ermöglichen.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung kann die Dichtung wenigstens ein erstes Teil und ein zweites Teil aufweisen, die miteinander verbindbar sind. Dies erleichtert die Montage des erfindungsgemäßen Turboverdichters.
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Gemäß einer möglichen Ausgestaltung können das erste Teil und das zweite Teil mittels Passstiften aneinander festgelegt sein. Auf diese Weise lassen sich wenigstens zwei Teile der Dichtung präzise und mit geringen Toleranzen aneinander festlegen. Alternativ dazu können das wenigstens eine erste Teil und das wenigstens eine zweite Teil mittels Nut- und Federverbindungen aneinander fest gelegt sein. Nut- und Federverbindungen sind gut abdichtbar.
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Eine weitere mögliche Ausgestaltung betrifft zwei Scheiben mit komplementären Formen, die ineinander geschoben werden können und zusammen die Dichtung ergeben. Die ineinanderschiebbaren Scheiben können als Segmente oder als Scheiben mit nach außen offenen Nuten ausgebildet sein, die sich beim Ineinanderschieben ergänzen. Auf diese Weise lässt sich eine leichte Montage bei einteiligen Verdichterrädern mit einer guten Abdichtung verbinden.
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Für zweiteilige Ausgestaltungen der Verdichterräder lässt sich die Dichtung auch als mehrteilige Scheibe, beispielsweise dreiteilig, ausgestalten, bei der eine Tragscheibe vorgesehen ist, welche nicht zur Anlage an der Welle vorgesehen ist, welcher zwei Einsätze aufweist, die Anlageflächen zur Welle aufweisen. Die Anlageflächen können ebenfalls geläppt sein. Durch die dreiteilige Scheibe wird ein Leckageluftstrom im Bauteil wenigstens zweifach umgelenkt, was eine gute Abdichtung ermöglicht.
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Auch für einteilige Wellen lassen sich dreiteilige oder vierteilige Scheiben konstruieren, die jeweils eine bessere Abdichtung ermöglichen.
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Die Erfindung wird anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert. Dabei zeigen schematisch:
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1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Verdichterschaltung;
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2 einen Querschnitt durch zwei erfindungsgemäß auf einer gemeinsamen Welle angeordneter Verdichterräder mit einer Abdichtung;
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3A bis 3B unterschiedliche Konfigurationen von Verdichterrädern im Rahmen der Erfindung;
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4A bis 4C unterschiedliche Verdichterradgeometrien im Rahmen der Erfindung;
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5A bis 5F verschiedene Ausgestaltungen zweiteiliger Dichtungen im Rahmen der Erfindung;
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6A bis 6C eine weitere zweiteilige Ausführungsform einer Dichtung;
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7A bis 7D eine weitere zweiteilige Ausführungsform einer Dichtung;
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8A bis 8C eine dreiteilige Ausführungsform einer Dichtung;
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9A bis 9C eine weitere dreiteilige Ausführungsform einer Dichtung;
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10A bis 10B eine weitere dreiteilige Ausführungsform einer Dichtung sowie
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11A bis 11C eine vierteilige Ausführungsform einer Dichtung.
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1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Turboverdichters 2 zur Verdichtung eines gasförmigen Mediums. Der Turboverdichter 2 weist eine erste Verdichterstufe 4 und eine zweite Verdichterstufe 6 auf. Die Anströmung der Verdichterstufen 4 und 6 findet auf den gegenüberliegenden Seiten, bzw. Richtungen über Eingänge 8 und 10 statt.
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Zwischen einem Ausgang 12 der ersten Verdichterstufe 4 und dem Eingang 10 der zweiten Verdichterstufe 6 ist ein Wärmetauscher 14 angeordnet. Der Wärmetauscher 14 dient zum Abführen von Energie aus dem verdichteten Medium und damit zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades des zweistufigen Verdichters 2.
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Die beiden Verdichterstufen 4, 6 weisen in 1 nicht dargestellte Verdichterräder auf, die auf einer gemeinsamen Welle 18 angeordnet sind. Die Verdichterräder und die unterschiedlichen Konfigurationen im Rahmen der Erfindung sind in den nachfolgenden Figuren gezeigt. Zwischen den beiden Verdichterstufen ist eine Dichtung 20 angeordnet, die ebenfalls in den nachfolgenden Figuren genauer dargestellt wird.
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2 zeigt einen Querschnitt durch zwei Verdichterräder 22, 24, die auf der gemeinsamen Welle 18 angeordnet sind. Das Verdichterrad 22 ist dabei der ersten Verdichterstufe 4 zugeordnet, das Verdichterrad 24 der zweiten Verdichterstufe 6.
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Zwischen den beiden Verdichterstufen ist die Dichtung 20 angeordnet, die ein Abströmen bzw. Leckage des verdichteten Mediums von der zweiten Verdichterstufe 6 zur ersten Verdichterstufe 4 verhindert. Die Verdichterräder 22, 24 sind einstückig ausgebildet, was hohe Konzentrizität und einfache Montage ermöglicht. Die Verdichterräder 22, 24 sind auf die Welle 18 stirnseitig aufgesteckt.
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Die 3A bis 3B zeigen unterschiedliche weitere möglich Konfigurationen der Verdichterräder 22, 24. Gemäß der 3A bis 3B sind die Verdichterräder 22, 24 zweistückig ausgebildet.
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Gemäß dem Querschnitt in 3A ist zunächst das Verdichterrad 22 der ersten Stufe auf die Welle 18 aufgesteckt, wobei die Welle 18 das Verdichterrad 22 durchragt. Das Verdichterrad 24 der zweiten Stufe ist dann stirnseitig auf die Welle 18 aufgeschoben. Die Verdichterräder 22, 24 weisen entsprechende Passflächen auf, mit Hilfe derer eine exakte Positionierung der Verdichterräder 22, 24 zueinander ermöglicht wird. Eine zweiteilige Ausgestaltung der Verdichterräder 22, 24 ermöglicht die Verwendung einer weniger komplexen Dichtung zwischen den Verdichterstufen und erlaubt ggf. den Austausch einzelner Verdichterräder. Im Gegenzug wird allerdings der Herstell- und Montageaufwand erhöht.
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Gemäß 3B ist die Anordnung umgekehrt, denn das Verdichterrad 24 der zweiten Verdichterstufe 6 ist vollständig auf die nicht dargestellte Welle aufgeschoben, und das Verdichterrad 22 der ersten Stufe ist auf die Stirnseite der Welle aufgesteckt.
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Gemäß den 4A bis 4C werden unterschiedliche Geometrien von Verdichterrädern gezeigt.
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In der Variante nach 4A sind die Verdichterräder 22, 24 gleich groß. Gemäß der Variante nach 4B ist das Verdichterrad 22 der ersten Stufe größer als das Verdichterrad 24 der zweiten Stufe. Dies ist eine in der Praxis häufig anzutreffende Konfiguration zweistufiger Turboverdichter.
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4C zeigt die umgekehrte Variante, bei der das Verdichterrad 22 der ersten Stufe 4 kleiner ist, als das Verdichterrad 24 der zweiten Stufe 6.
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Die 5A bis 5F zeigen unterschiedliche Varianten zweiteiliger Dichtelemente, die zum Anordnen zwischen den Verdichterrädern 22, 24 vorgesehen sind. Eine Dichtung zu den Verdichterrädern 22, 24 hin kann grundsätzlich durch gelappte Dichtflächen erreicht werden.
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In 5A ist eine Dichtungshälfte 26 gezeigt, die mit einer ebenso geformten Dichtungshälfte eine Dichtung ergibt. Die Stirnseite der Dichtungshälfte 26 ist geläppt, wodurch eine Abdichtung zwischen den Dichtungshälften erreicht. Die Ausrichtung der Dichtungshälften geschieht über das Gehäuse des Turboverdichters 2.
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In 5B ist eine Dichtungshälfte 28 gezeigt, die Bohrungen 30 für Passstifte aufweist. Durch die Passstifte können die Dichtungshälften besser zueinander zentriert werden und besser aneinander festgelegt werden. Die Fertigung der Dichtungshälften 28 ist einfacher als die der Dichtungshälften 26, da keine Läppung der Stirnseiten notwendig ist, dafür ist die Montage aufwendiger.
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Gemäß 5C ist eine Dichtungshälfte 32 gezeigt, die stirnseitig eine Nut 34 aufweist. In die Nut 34 lässt sich eine nicht dargestellte Dichtschnur einlegen, die bei der Montage des erfindungsgemäßen Turboverdichters 2 verpresst wird und damit eine Abdichtung der beiden Dichtungshälften 32 gegeneinander bewirkt.
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In 5D es ist eine Dichtungshälfte 36 mit einer stirnseitigen Feder 38 gezeigt, die in eine entsprechende Nut einer weiteren Dichtungshälfte eingreift. Die Nut- und Federverbindung bewirkt eine große Dichtfläche und damit eine gute Abdichtung der entsprechenden Dichtungshälften.
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In 5E ist eine weitere Dichtungshälfte 40 gezeigt, die eine Feder 42 und eine Nut 44 in einem Bauteil kombiniert. Hierdurch ist die Dichtfläche nochmals erhöht, außerdem besteht die Möglichkeit, die Dichtungshälften symmetrisch zu konstruieren, so dass zwei identische Dichtungshälften miteinander zur gesamten Dichtung kombiniert werden können.
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Die Dichtung gemäß 5F ist ebenfalls zweiteilig ausgebildet und weist zwei Dichtscheiben 46, 48 auf, die gegenseitig ineinander gesteckt werden. Die Dichtscheiben 46, 48 weisen Ausnehmungen 50 auf, die zum Aufstecken der Dichtscheiben 46, 48 auf die Welle 18 dienen.
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Die 6A bis 6C zeigen eine asymmetrische Ausgestaltung einer Dichtung 52 mit einem ersten Dichtungsteil 54, welches eine Ausnehmung aufweist, die groß genug ist, um das Dichtungsteil 54 auf die Welle 18 zu schieben und einem zweiten Dichtungsteil 56, das in die Ausnehmung eingeschoben ist. Die Dichtungsteile 54, 56 können eine Nut- und Federverbindung aufweisen. In 6B ist die gegenüberliegende Seite der Dichtung 52 gezeigt und 6C zeigt das Dichtungsteil 56 separat mit zwei Federn 58. Die 7A bis 7D zeigen eine weitere mögliche Ausführungsform einer Dichtung 60 im Rahmen der Erfindung, bei der ebenfalls zwei Dichtungsteile 62, 64 vorgesehen sind, die ineinandergeschoben werden. Die beiden Dichtungsteile 62, 64 weisen jeweils Ausnehmungen auf, die groß genug sind, um die Dichtungsteile 62, 64 auf die Welle 18 zu schieben. Durch die großen Anlageflächen zwischen den Dichtungen 62 und 64 lässt sich eine gute Abdichtung erreichen. Darüber hinaus ist die Dichtung leicht zu montieren.
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Die 8A bis 8C zeigen eine dreiteilige Ausführungsform einer Dichtung 70. Die Dichtung 70 weist eine Trägerscheibe 72 auf, in die Dichtungshälften 74, 76 eingesetzt werden. Die Trägerscheibe weist eine zentrale Bohrung 78 auf, die größer ist als der Durchmesser der Dichtungsfläche zwischen den beiden Verdichterrädern 22, 24, so dass diese Bohrung 78 nicht in Anlage kommt. Durch die großen Dichtflächen lässt sich eine gute Abdichtung erreichen. Die dargestellte dreiteilige Ausführung ist nur für zweistückig ausgebildete Verdichterräder geeignet.
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In den 9A bis 9C ist eine Variante einer dreiteiligen Dichtung 80 gezeigt. Eine Trägerscheibe 82 dient zur Aufnahme zweier Dichtungshälften 84, 86. Die 10A, 10B zeigen eine weitere dreiteilige Dichtung 90, bei der Dichtungsteile 92, 94, 96 durch Stecken montierbar sind.
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In den 11A, 11B, ist eine vierteilige Dichtung 100 gezeigt, bei der die vier Dichtungsteile 102, 104, 106, 108 ebenfalls durch Stecken aneinander festlegbar sind. Jeweils zwei Teile lassen sich symmetrisch ausbilden, so dass für die dargestellte Ausführungsform mit vier Teilen nur zwei unterschiedliche Bauteile hergestellt werden müssen.
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Weitere Möglichkeiten zur Abdichtung der Dichtscheibenteile sind T-Nuten, Lavalfüße, Schwalbenschwanzdichtungen oder Verzahnungen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Turboverdichter
- 4
- erste Verdichterstufe
- 6
- zweite Verdichterstufe
- 8
- Eingang der ersten Verdichterstufe
- 10
- Eingang der zweiten Verdichterstufe
- 12
- Ausgang der ersten Verdichterstufe
- 14
- Wärmetauscher
- 16
- Ausgang der zweiten Verdichterstufe
- 18
- Welle
- 20
- Dichtung
- 22
- Verdichterrad der ersten Stufe
- 24
- Verdichterrad der zweiten Stufe
- 26
- Dichtungshälfte
- 28
- Dichtungshälfte
- 30
- Passstiftbohrung
- 32
- Dichtungshälfte
- 34
- Nut
- 36
- Dichtungshälfte
- 38
- Feder
- 40
- Dichtungshälfte
- 42
- Feder
- 44
- Nut
- 46
- Dichtscheibe
- 48
- Dichtscheibe
- 50
- Ausnehmung
- 52
- Dichtung
- 54
- Dichtungsteil
- 56
- Dichtungsteil
- 58
- Feder
- 60
- Dichtung
- 62
- Dichtungsteile
- 64
- Dichtungsteile
- 66
- Ausnehmung
- 68
- Ausnehmung
- 70
- Dichtung
- 72
- Trägerscheibe
- 74
- Dichtungsteil
- 76
- Dichtungsteil
- 78
- Bohrung
- 80
- Dichtung
- 82
- Trägerscheibe
- 84
- Dichtungsteil
- 86
- Dichtungsteil
- 90
- Dichtung
- 92
- Dichtungsteil
- 94
- Dichtungsteil
- 96
- Dichtungsteil
- 100
- Dichtung
- 102
- Dichtungsteil
- 104
- Dichtungsteil
- 106
- Dichtungsteil
- 108
- Dichtungsteil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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