DE2230781B2 - Turboverdichter mit Rekuperationsturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Turboverdichter mit Rekuperationsturbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches I.

Turboverdichter mit jeweils einer Rekuperationsturbine sind beispielsweise aus CUPS 2 10 878, CH-PS 21 649, CH-PS 2 13 987 und US-PS 11 10 864 bekanntgeworden. Die Rekuperationsturbine erlaubt dabei, auch bei geringer oder fehlender Entnahme von Druckluft aus dem Austrittskanal des Verdichters durch einen Verbraucher, einen Mindestdurchsatz durch den Verdichter zur Vermeidung des sogenannten Pumpens aufrechtzuerhalten, wobei ein Teil des durch den Verdichter aufzubringenden Energiebetrags von der Rekuperationsturbine geliefert wird.

Selbstverständlich ist es bei Turbinen und Verdichtern erwünscht, günstige Slrömungsverhältnisse herzustellen, damit ein möglichst hoher Wirkungsgrad unter allen Betriebsbedingungen erzielt wird. Von den obengenannten Schriften befassen itch die CH-PS 10 878, die CH-PS 2 13 987 und die US-PS 11 10 864 aber nicht mit dem Problem günstigerer Strömungsbedingungen. Gemäß der CH-PS 3 21649 sollen zwar turbinenneitig Maßnahmen getroffen werden, die möglichst günstige Strömungsverhältnisse unter dem Gesichtspunkt höchstmöglicher Energieausnutzung ergeben. Die Auslaßöffnung der Turbine ist dort jedoch vom Verdichter völlig getrennt gehalten, sodaß sich aus dieser Schrift kein Hinweis darauf ergibt, daß sich durch s die bauliche Zusammenfassung von Turbinen-Auslaßöffnung und Verdichter-Ansaugöffnung besonders günstige Strömungsbedingungen schaffen lassen.

Auch aus CH-PS 2 Ϊ3 987 und US-PS V, 10 864 sind Hinweise auf eine besonders günstige strömungstechni sehe Anordnung von Turbinen-Auslaßöffnung und Verdichter-Ansaugöffnung nicht entnehmbar, obwohl beide Schriften die Wiedereinleitung des von der Turbinen-Auslaßöffnung abgegebenen Luftstroms in die Ansaugöffnung des Verdichters beschreiben. Dabei ist in US-PS 1110 864 die Anordnung sogar so getroffen, daß das Turbinenlaufrad in der Ansaugöffnung des Verdichters liegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, optimale Strömungsbedingungen an der Ansaugseite des Ver dichters zu schaffen, wenn die Außlaßöffnung der Turbine mit der Ansaugöffnung des Verdichters verbunden ist.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe in erster Linie durch die in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen.

Der Vorteil dieser Ausbildung besteht darin, daß eine gegenseitige Störung der direkt von der Außenluft und der aus der Ausiaßöffnung der Turbine in die Ansaugöffnung des Verdichters gelangenden Luftströ-

jo me weitgehend vermieden wird. Dabei lassen sich gleichzeitig auch die optimalen Anblaswinkel für den Verdichterläufer einhalten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

j5 Fig. I schematisch die Anordnung der Hauptteile eines Gasverdichters einschließlich der Gasströmungswege;

Fig.2 die erste Verdichiungsstufe des Gasverdichlers in einem vergrößerten axialen Schnitt.

Ein zweistufiger Gasverdichter ist mit einem Luftfilter 12 ausgerüstet, das einen Gaseinlaß 14 für den Verdichter 16 der ersten Gasverdichtungsstufe umschließt. Die zweite Gasverdichtungsstufe 18 des Verdichters weist einen Zwischenkühler 22 auf.

Weiterhin sind in das Aggregat zwei Nebelbeseitigungsvorrichtungen 26 und 26' (Fig. 1) eingebaut. Alle vorstehend genannten Teile werden durch ein Gehäuseteil 30 unterstützt, das auf seiner Rückseite einen nicht dargestellten Motor trägt, der die primäre Antriebs-

■50 energiequelle für den Verdichter 16 bildet.

Der Verdichter 16 hat ein Gehäuseteil 36, das eine Ansaugöffnung 38 begrenzt. In Strömungsrichtung hinter der Ansaugöffnung 38 ist ein Verdichterlaufrad 40 drehbar gelagert. Ein in dem Gehäuseteil 36

^ ausgebildeter Kanal 42 leitet das verdichtete Gas vom Verdichter 16 der ersten Stufe zu dem Zwischenkühler 22, von dem aus das verdichtete Gas durch die erste Nebelbeseitigungsvorrichtung 26 und danach durch die zweite Nebelbeseitigungsvorrichtung 26' strömt. Von

(,o der zweiten Nebelbesejtigungsvorrichtung 26' aus wird das gekühlte und entnebelte verdichtete Gas durch einen weiteren Kanal 44 zu einem Einlaßgehäuse 46 der zweiten Gasverdichtungsstufe 18 geleitet, zu der ein Verdichterlaufrad 48 gehört, das in dem Einlaßgehäuse 46 drehbar gelagert ist, von dem aus ein weiterer, in dem Gehäuseteil 30 ausgebildeter Kanal 50 das verdichtete Gas über einen Auslaß 34 einem Verbraucher 52 zuführt. Der Motor treibt über eine Welle 58 und ein

Zahnradgetriebe 56 die Verdichterlaufräder 40 und 48 der beiden Verdichterstufen an.

Mit dem Verdichterlaufrad 40 des Verdichters 16 ist ein Turbinenlaufrad 60 drehfest verbunden, das in einem gondelartigen Gehäuseteil 62 arbeitet, das in dem s Gehäuseteil 36 durch Streben 64 starr unterstützt ist Im Ausführungsbeispiel sind "ier Streben 64 angenommen, doch könnte man auch eine andere Anzahl von Streben vorsehen. Gemäß F i g. 1 und 2 unterteilt ein Wandteil 66 eine durch den Gehäuseteil 62 abgegrenzte innere Kammer 68. Zwei Zuleitungen 70 sowie zwei weitere Zuleitungen 72 erstrecken sich durch die Streben 64 und münden jeweils mit ihren einen Enden in der unterteilten Kammer 68 des Gehäuseteils 62 und mit ihren anderen Enden in zwei Kanälen 74 bzw. 76. In F i g. 1 ist jeweils nur eine Zuleitung jedes Paares von Zuleitungen 70 und 72 dargestellt Die Kanäle 74 und 76 sind in dem Gehäuseteil 36 ausgebildet und an ihren entgegengesetzten Enden mit einem in drei verschiedene Stellungen bringbaren Ventil 80 verbunden. Das Ventil 80 kann entweder vollständig geschlossen oder halb geöffnet oder vollständig geöffnet sein; in jede dieser drei Stellungen wird das Ventil durch eine Bewegung einer Betätigungsstange 82 gebracht um nach Bedarf einen Teil der dem ganzen zweistufigen Verdichter zugeführten Energie an seinem Auslaß 34 aus dem verdichteten Gas zurückzugewinnen. Zu dem Ventil 80 gehören gemäß F i g. 1 mehrere Abschnitte A, B, Cund D. Die Abschnitte A und B ermöglichen es, das Veniil zu schließen, während die Abschnitte C und D jo zum öffnen des Ventils dienen. Werden die Abschnitte A und ßdes Ventils 80 zur Wirkung gebracht, wird das Ventil vollständig geschlossen. Werden die Abschnitte B und C des Ventils 80 zur Wirkung gebracht, kann das Ventil bis zu 50% des am Auslaß 34 verfügbaren ji verdichteten Gases durchlassen und dieses Gas dem Turbinenlaufrad 60 zuführen. Diese Stellung des Ventils 80 ist in F i g. I gezeigt. Sind die Abschnitte Cund D des Ventils zv Wirkung gebracht worden, läßt das Ventil auch den noch verbleibenden Teil der ingesamt durch den Verdichter verdichteten Gasmenge zu dem Turbinenlaufrad 60 strömen.

Der Auslaß 34 steht gemäß F i g. 1 in Verbindung mit einer den Druck fühlenden Vorrichtung 86 zum Betätigen des Ventils 80. Die Vort 'chtung 86 ist mit der -es Betätigungsstange 82 des Ventils mechanisch verbunden. Ferner ist ein Anschlußstück 88 vorhanden, das eine Umgehungsleitung 90 mit dem Kanal 50 und dem Ventil 80 verbindet. Daher überwacht die den Druck fühlende und das Ventil betätigende Vorrichtung 86 ständig den w in dem Kanal 50 herrschenden Gegendruck, um das Ventil 80 in Abhängigkeit von dem Gegendruck zu betätigen. Wird der Verbraucher 52 abgestellt, so daß sich im Kanal 5C ein höherer Gegendruck aufbaut, wird das Ventil 80 zunächst zur Hälfte und dann vollständig r> geöffnet, so daß das verdichtete Gas zum Turbinenlaufrad 60 zurückgeleitet wird. Wie bekannt arbeitel so der Verdichter stets in seinem Nennleistungsbereich, d. h. ein Pumpen wird vermieden, und die Entspannung des verdichteten Gases in der Turbine führt zu einer mi Rückgewinnung von Energie.

Ist das Ventil 80 in der in F i g. I gezeigten Weise halb geöffnet, wird eine bis zu 50% betragende Teilmenge des insgesamt durch den Verdichter verdichteten Gases durch die Umgehungsleitung 90, den Abschnitt C des f> Ventils 80, den Kana! ^y4 und die beiden Zuleitungen 70 der einen Hälfte der Kammer 68 zugeführt, um von dort aus zu dem Turbinenlaufrad 60 zu gelangen

Ist das Ventil 80 vollständig geöffnet, kann auch die zweite Hälfte der verdichteten Gasmenge 80, den Kanal 76 und die beiden Zuleitungen 72 zu dem Gehäuseteil 62 gelangen und in die andere Hälfte der Kammer 68 einströmen. Somit ermöglicht das Ventil 80 eine stufenlose Regelung der Verdichteranlage.

Gemäß F i g. 1 münden die Kanäle 74 und 76 in dem Ventil 80, während ihre anderen Enden gemäß F i g. 2 Kammern bilden, die konzentrisch zur Kammer 68 des Gehäuseteils 62 angeordnet sind. Diese Kammern bildenden Enden der Kanäle 74 und 76 sind als Aussparungen auf der Außenseite des Gehäuseteils 36 ausgebildet Da sich die Zuleitungen 70 und 72 durch die Wände des Gehäuseteils 36 erstrecken, verbinden sie die innere Kammer 68 mit den Kanälen 74 und 76.

Gemäß F i g. 2 bildet ein Ende des Kanals 42 einen ringförmigen Austrittskanal, der konzentrisch zum Verdichterlaufrad 40 der ernten Stufe angeordnet ist Das durch diese verdichtete Gas strömt innerhalb des Gehäuseteil 30 durch nicht dargestellte Kanäle zu dem Zwischenkühler 22 und dann nacheinander durch die Nebelbeseiiigungsvorrichtungen 26 und 26'. Das gekühlte und entnebelte Gas strömt von der Nebelbeseitigungsvorrichtung 26' innerhalb des Gehäuseteils 30 nach oben und durch den Kanal 44, der an seinem anderen Ende im Einlaßgehäusc 46 der zweiten Verdichterstufe mündet. Das verdichtete Gas wird dem Verdichterlaufrad 48 der zweiten Verdichterstufe zugeführt, um weiter verdichtet und dann dem abgegebenden Kanal 50 zugeführt, zu werden. Gemäß Fig. 2 verläuft der Kanal 50 quer zum Verdichter 16 der ersten Stufe oberhalb des Gehäuseteils 36.

Die beiden Einlasse zur Turbine der ersten Verdichterstufe, die durch die Zuleitungen 70 und 72 und die zugehörigen Teile der inneren Kammpr 68 gebildet werden, sind parallel geschaltet und gleichachsig mit der Ansaugöffnung 38 angeordnet. Daher wird das Gas dem V^rdichterlaufrad 40 unter dem optimalen Anblasewinkel zugeführt, für den die Schaufeln dieses Laufrads konstruiert sind. Gemäß Fig. 2 sind Leitschaufeln 96 vorhanden, die von radial nach innen in den Gehäuseteil 36 hineinragenden Rippen 94 getragen iverden und dazu dienen, dem von einer ringförmigen Düse 92 und dem Turbinenlaufrad 60 abgegebenen Gasstrom die gewünschte Richtung zu geben und ihn dem Verdichterlaufrad 40 zuzuführen.

Gemäß Fig. I wird dem Zwischenkühler 22 ein Kühlmittel, z. B. Wasser, mit Hilfe einer Speiseleitung 110 zugeführt und aus dem Zwischenkühler durch oine Rohrleitung 112 abgeführt. In die Speiseleitung 110 ist ein Drosselventil 114 eingeschaltet, damit die Menge des dem Zwischenkühler je Zeiteinheit zugeführten Kühlmittels geregelt werden kann. Der GaseinlaQ des Zwischenkühlers ist mit einem Temperaturfühler 116 versehen, der die Gaseinlaßtemperatur überwacht und mit dem Drosselventil 114 gekuppelt ist, um die Kühlmittelzufuhr zu regeln. Diese Anordnung ist vorgesehen, um zu gewährleisten, daß der Zwischenkühler 22 ohne Rücksicht auf unterschiedliche Temperaturen des ihm zugeführten Gases so 3etrieben wird, daß das abgekühlte Gas mit einer bestimmten optimalen Temperatur abgegeben wird. Bei einem angenommenen Beispiel ist ein Zwischenkühler 22 vorhanden, durch den eine feste Gastemperatur von etwa 35⁰C aufrechterhalten wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   1 Turboverdichter mit Rekuperationsturbine, von dessen Verdichter-Austrittskanal eine Rückfuhrleitung zur Eintrittsseite der Turbine abgezweigt ist, die wiederum an den Verdichter so angebaut ist, daß das Turbinenlaufrad in der Ansaugöffnung des Verdichters liegt, wobei die Eintrittsseite der Turbine gegen die Ansaugöffnung des Verdichters durch einen Leitkörper abgegrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der die Eintrittsseite der Turbine (92, 60) gegen die Ansaugöffnung (38) des Verdichters (16) abgrenzende Leitkörper als gondelartiger Gehäuseteil (62) ausgebildet und konzentrisch zur Ansaugöffnung (38) des Verdichters (16) angeordnet ist.
2. 2. Turboverdichter nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß der gondelartige Gehäuseteil (62) da·: Turbinenlaufrad (60) umschließt
3. 3. Turboverdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gondelartige Gehäuseteil (62) dem Turbinenlaufrad (60) in Strömungsrichtung nach- und dem Verdichterlaufrad (40) vorgeschaltete Leitschaufeln (96) umschließt.
4. 4. Turboverdichter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, Jaß Zuleitungen (70, 72) zum gondelartigen Gehäuseteil (62) zugleich Streben (64) zum Tragen des gondelartigen Gehäuseteils (62) innerhalb der Ansaugöffnung (38) des Verdichters (16) sind.
5. 5. Turooverdichter nach einem der Ansprüche 2—4, dadurch gekcnnzeic^f ,let, daß der gondelartige Gehäuseteil (62) sich zu einer dem Turbinenlaufrad (60) in Strömungsricfitung vorgeschalteten, ringförmigen Düse (92) verengt.
6. 6. Turboverdichter nach einem der Ansprüche 1 —5, dadurch gekennzeichnet, daß der gondelartige Gehäuseteil (62) mit einem die Ansaugöffnung (38) des Verdichters (16) außen begrenzenden Gehäuseteil (36) zu einer Baueinheit zusammengefaßt ist.