-
Mehrstufiger Kreiselverdichter Mehrstufige Kreiselverdichter, wie
sie im Bergbau als Drucklufterzeuger für den Untertagebetrieb der Abbaugeräte dienen,
werden vorwiegend als Einwellenverdichter mit 8 bis 12 oder mehr Laufrädern ausgeführt,
die in Reihe auf einer in zwei Endlagern ruhenden Welle befestigt sind. Dieser Wellenläufer
wird in ein waagerecht geteiltes Gehäuse eingelegt, in dem die Laufräder durch Zwischenwände
getrennt in Einzelkammern umlaufen und die angesaugte Luft von Stufe zu Stufe fortschreitend
bis auf den Enddruck verdichten. Die von Stufe zu Stufe durch die Zwischenwände
hindurchgeführte Welle muß an den Durchgangsstellen durch Labyrinthdichtungen mit
möglichst geringem Spiel abgedichtet werden, um die aus den Radkammern höheren Druckes
durch die Labyrinthe zurückströmenden Leckluftmengen, die bei neuen Verdichtern
schon bis zu ioo/o der gesamten Fördermenge betragen, möglichst klein zu halten.
Das ist jedoch nicht in dem Maße möglich, wie es wünschenswert wäre, weil die Welle
sich schon im Ruhezustand durch das Eigengewicht des Läufers nach der elastischen
Linie .durchbiegt. Um diese Durchbiegung mit einem Zuschlag, der durch das radiale
Auswandern des Massenschwerpunktes des Läufers beim Durchfahren des kritischen Drehzahlbereiches
erforderlich ist, sowie einem weiteren Zuschlag als Sicherheit gegen ein Anstreifen
des Läufers an die Labyrinthe muß das radiale
Gesamtspiel in den
Wellen- undLaufraddichtungen größer gemacht werden, als es erforderlich wäre, wenn
keine Wellendurchbiegung und die durch sie bedingte kritische Drehzahl vorhanden
wären. Das deshalb, weil ein Anstreifen des Läufers Schmelztemperaturen erzeugen
kann und oft erzeugt hat, durch die die Welle krumm wird und den Verdichter betriebsunbrauchbar
macht.
-
Die Einwellenbauart hat somit schwerwiegende betriebliche und fertigungsmäßige
Nachteile. Hinzu kommen weitere Mängel, durch die, da die Maschinen meist im durchgehenden
Tag- und Nachtbetrieb laufen, jährlich Unsummen an nutzlosem Leistungsverbrauch
verloren gehen.
-
Der Umstand nämlich, daß alle Laufräder, da auf derselben Welle eitzend,
mit der gleichen Drehzahl umlaufen müssen, macht es unmöglich, jedes Laufrad mit
seiner festigkeitsmäßig größtmöglichen Drehzahl zu betreiben. Die nach der Druckseite
des Verdichters zu gelegenen, voluinenmäßig kleineren Laufräder laufen ungünstig
langsam und erhöhen dadurch die im ganzen notwendige Gesamträderzahl. Die Folge
hiervon ist außer dem kostspielig .großen Bauaufwand ein erheblich größerer Verlustanteil
an Radscheibenreibung, der bei Bergwerksverdichtern io bis 1a1/9 der gesamten Antriebsleistung
beträgt.
-
Die Einwellenbauart erfordert bei den im Bergbau verlangten Enddrücken
von 6 bis 7 atü eine Räderzahl, die nur mit einer überkritisch laufenden Welle ausführbar
ist. Das dadurch sowohl beim Anfahren wie auch bei jedem Abstellen der Maschine
unvermeidliche Durchfahren des kritischen Drehzahlbereiches löst jedesmal Radialschwingungen
aus, die das Maß der Wellendurchbiegungen nach der elastischen Linie überschreiten
und nach kurzer Betriebszeit durch zeitweises Anstreifen ein Ausweiten der Labyrinthe
zur Folge haben, bis sich die Welle selbst das für eine betriebssichere Inbetriebhaltung
tatsächlich notwendige radiale Spiel in den Labyrinthen geschafft hat. Dadurch werden
die Spaltverluste in den Wellen- und Laufraddichtungen in den einzelnen Stufen mit
fortschreitender Betriebszeit wesentlich höher, als es bei der oben behandelten
neugelieferten Maschine bei noch nicht durch die kritische Drehzahl ausgeweiteten
Labyrinthen der Fall ist. Besonders nachteilig und den Spaltverlust erhöhend ist
der durch die große Wellendicke und die noch größeren Laufraddichtungsdurchmesser
bedingte große überströmquerschnitt in den Labyrinthen, ferner der zusätzliche Spaltv
erhist in dem den erheblichen Längsschub ausgleichenden Ent-1 astungskolben.
-
Erschwerend macht sich der Einfluß der kritischen Drehzahl bei der
Auslegung von mehrstufigen Einwellenverdichtern für kleine Ansaugeleistungen geltend.
Hierbei verlangt die große Räderanzahl und die hierfür notwendige große Lagerdistanz.
für den überkritisch betriebenen Läufer vielfach eine so dicke' - Welle, daß in
radialer Richtung zwischen Welle bzw. Einlauf-und Laufradaußendurchmesser nicht
mehr genügend Raum zur Unterbringung der Schaufeln übrig bleibt. Hierfür ist nun
bereits bekanntgeworden, die Gesamträderzahl, die der nicht ausführbare Einwellenläufer
hätte haben müssen, in eine Anzahl Einzelwellenläufer mit kürzerer, ausführbarer
Lagerdistanz aufzuteilen und jeden dieser kürzeren Wellenläufer über ein gemeinsames
Zahnrad durch ein mit diesem in Eingriff gebrachtes Ritzel anzutreiben. Aber auch
hierbei war es noch nicht möglich, jedes einzelne Laufrad mit seiner festigkeitsmäßig
größtmöglichen Drehzahl zu betreiben, da auch hier die durch ein Zahnradgetriebe
antriebsmäßig zusammengefaßten Einzelwellenläufer mehrere Laufräder haben, die mit
gleicher Drehzahl umlaufen. Demgegenüber macht die Bauweise gemäß der Erfindung
den Konstrukteur ganz frei von dem hemmenden Einfluß der kritischen Drehzahl und
dem durch sie bedingten Zwang zu einem Kompromiß bei der Größenbemessung der radialen
Spaltspiele in den Labyrinthdichtungen.
-
Die Erfindung geht von einem mehrstufigen Krenselverdichter aus, bei
dem ein Antriebsmotor über ein aus einem für alle Laufräder gemeinsamen Zahnrad,
oder anderem Übertragungsorgan. und an dessen Umfang angeordneten Ritzeln bestehendes
Getriebe die mit den Ritzeln gekuppelte Antriebswelle der betriebsmäßig hintereinandergeschalteten
Laufräder mit unterschiedlichen Drehzahlen antreibt.
-
Sie schlägt vor, jedem Laufrad ein Ritzel zuzuordnen und dieses so
zu bemessen, daß jedes Laufrad über eine als Torsionsstab ausgebildete Ritzelwelle
mit der für dasselbe günstigsten Drehzahl angetrieben werden kann.
-
Jedes Laufrad erhält auf seiner dem Antriebsritzel zugekehrten Seite
einen für die Kupplung mit dem Antriebsritzel eingerichteten, durch eine Labyrinth-
oder Flüssigkeitsstopfbüchse, durch die der Torsionsstab hindurchgeführt ist, nach
außen abgedichteten Ansatz.
-
Auf seiner vom Antriebsritzel abgewendetem Einlaßseite besitzt es
eine Mittelsacklochbohrung. in die ein am Verdichtergehäuse befestigter oder mit
diesem aus einem Stück bestehender Tragzapfen eingreift, der einerseits als Gleit-
oder Wälzlager und zum anderen als Axialdrucklager für das Laufrad ausgebildet ist.
-
Bei einem Kreiselverdichter gemäß der Erfitidung ist also keine mit
hintereinandergeschalteten Laufrädern besetzte Welle und auch kein diese im ganzen
umschließendes Gehäuse vorhanden. Statt dessen werden getrennt aufgestellte, einzeln
über ein Getriebe beliebiger Art mit unterschiedlichen Drehzahlen angetriebene,
hintereinandergeschaltete Einradgebläse verwendet, die so gebaut werden können,
daß der Massenschwerpunkt des Läufers innerhalb der Lagerstützlänge .des Tragzapfens
verbleibt. Im Läufer verbliebene Unwuchtroste können unmittelbar vom Ölfilm des
Gleitlagers oder von den Rollbahnen der Wälzlager in einer die Laufruhe verbessernden
Weise aufgenommen werden, so daß ein radiales Auswandern des
Läufers
aus der Lagermitte unmöglich ist. Die Gefahr des Anstreifens der Labyrinthdichtungen
ist aber damit beseitigt. Die Spaltspiele und die Labyrinthdurchrnesser können um
ein -Mehrfaches kleiner bemessen werden, und die dadurch auf höchstens ein Viertel
des sonst Notwendigen verringerten Spaltverluste bleiben trotz Fortfalls jeder Paßarbeit
auf lange Betriebsdauer unverändert erhalten. Die Formgebung des Laufrades hinsichtlich
der Beschaufelung ist bei der neuen Bauweise frei wählbar.
-
Die axiale Festlegung des Laufrades auf seinem Tragzapfen erfolgt
bei Ausführung der Lagerun als Gleitlager durch Ausbildung des in das Mittelsackloch
hineinragenden Zapfenendes als Axiäldrucklager, das nur gering belastet ist. sobald
das Laufrad, wie im Ausführungsbeispiel dargestellt, druckentlastet gebaut wird.
Bei Anwendung von Wälzlagern übernehmen besondere Drucklager die axiale Festlegung
des Laufrades im Gehäuse.
-
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele für einen erfindungsgemäß
ausgebildeten Kreiselverdichter dargestellt. Die Fig. i bis .I zeigen einen vierstufigen
Kreiselverdichter, bei dem vier Einradgebläce 1, 1I. III und IV auf einer Seite
eines Zahnradgetriebes untergebracht sind. Sie sind an einer Wand a mittels
Schrauben b befestigt. Fig. q. zeigt einen Schnitt A-B durch Gebläse IV.
Die Wand a ist auf zwei U-Schienen c und d aufgeschweißt und durch je zwei senkrechte
Wände e und f sowie ein Rippenkreuz g versteift. Rechts der Wand a
und zwischen den Wänden f sind 3 Zwischenkühler h1, h2 und h3 eingebaut, in denen
das Fördermittel Luft oder Gas nach dem Verlassen der Gebläse 1, 1I und III zurückgekühlt
wird. Auf der linken Seite der Gebläse ist auf zwei Tragschienen i, die mit den
Schienen c, d und den Wänden e verschweißt sind, ein Zahnradgetriebe befestigt,
das aus dem Zahnrad Z und den mit ihm in Eingriff stehenden Ritzeln z1 bis z4 besteht.
Letztere sind mit den achsgleich liegenden Gebläselaufrädern durch Torsionsstäbe
k1 bis k4 gekuppelt und treiben die Laufräder h bis 14 an. Das nach außen überstehende
Ende der Zahnradwelle kann durch eine Kupplung m nach der einen oder anderen Seite
mit der Welle einer geeigneten Antriebsmaschine gekuppelt werden. Das Fördermittel
wird durch den Saugstutzen ri angesaugt und durch eine Drosselklappe o auf Saugspannung
eingestellt. Die Ausblasstutzen der Gebläse I bis III sind durch sich erweiternde
Rohrkrümmer p, bis p3 mit den Zwischenkühlern lt, bis h3 verbunden, aus denen das
Fördermittel nach erfolgter Rückkühlung durch Überströmrohre q1 bis q3 den Saugstutzen
der nachgeschalteten Gebläse zugeleitet wird. Vom Druckstutzen des Gebläses IV wird
das auf Enddruck verdichtete Fördermittel über einen Regelschieber r der zu den
Verbraucherstellen führenden Druckleitung s zugeleitet.
-
Die aus Fig.4 ersichtliche Bauart ist für alle vier Gebläse die gleiche.
Der Zapfen z( hat ein nach außen überstehendes Ende, das Mitnehinerzähne hat, die
in durchgehende Längsnuten einer auf das Zapfenende aufschiebbaren Muffe v passen
und die Muffenbohrung auf halbe Länge ausfüllen (s. Fig. i). In die rechte Hälfte
der Muffenbohrung greift das linke Ende des Torsionsstabes k4 mit ebensolchen passenden
Mitnehmerzähnen ein, wodurch die Kupplung zwischen Ritzelzapfen und Torsionsstab
zustande kommt. Das rechte Ende des Torsionsstabes k4 (s. Fig. q.) greift mit gleichartigen
Mitnehmerzähnen in passende Nuten ein, die in der Bohrung eines Nabenansatzes w
des anzutreibenden Laufrades 14 angebracht sind. Der N abenansatz w des anzutreibenden
Laufrades braucht mit dem Laufradkörper nicht aus einem Stück zu bestehen, sondern
kann zwecks Fertigungserleichterung auch breiter gestaltet sein, ohne am Wesen der
Erfindung etwas zu ändern. Auf diese Weise wird durch Einfügen eines festigkeitsmäßig
eben ausreichend bemessenen Torsionsstabes zwischen Ritzelzapfen u und Laufradnabenanisatz
w das Laufrad l4 mit der festigkeitsmäßig größtmöglichen Drehzahl angetrieben. Der
technische Erfolg dieser neuen Antriebsweise besteht darin, daß zur Übertragung
der Antriebsleistung auf das Laufrad ein wesentlich kleinerer Durchmesser der als
Torsionsstab ausgebildeten Ritzelwelle ausreicht und daß dadurch die den Torsionsstab
nach außen abdichtende Labyrinthdichtung E betriebsungefährlich mit wesentlich kleinerem
radialen Spiel ausgeführt werden kann, wodurch die Spaltverluste auf höchstens ein
Viertel des sonst Üblichen gebracht werden können. Der Lagerzapfen y kann mit seinem
dem Laufrad abgewandten Ende mit Treibsitz im Gehäuse befestigt werden, das in Form
eines aus radialen Rippen F gebildeten Radsternes das Zapfenende umschließt und
das einströmende Fördermittel dem Laufrad in geordneter Führung zuleitet. Statt
einer zylindrischen Treibsitzpassung kann das Zapfenende auch Kegelform erhalten,
wodurch die genaue Einstellbarkeit in Achsrichtung fehlt. In Sonderfällen kann der
Zapfen mit dem Gehäuse aus einem Stück bestehend gefertigt werden, ohne am Prinzip
der Erfindung etwas zu ändern. Der in Fig. i bis q. dargestellte Verdichter hat
waagerechte Drehachsen. Hierbei wird der das Laufrad tragende Ölfilm zusätzlich
durch das Laufradgewicht belastet, was bei senkrechten Drehachsen fortfällt. Waagerechte
Drehachsen erfordern deshalb einen höheren Öldruck für die Zapfenschmierung. Senkrechte
Drehachsen haben mithin geringere Lagerreibung und verbessern den Gesamtwirkungsgrad.
Bei senkrechter Drehachse :wird das Übersetzungsgetriebe und die Antriebsmaschine,
die dann auch ,senkrechte Drehachse erhält über oder unter den Verdichter gestellt.
Mit dieser Anordnung wird außer einer vereinfachten Lagerschmierung noch eine erhebliche
Platzersparnis für die Aufstellung im Maschinenhaus erzielt.
-
Die senkrechteAnordnung wird veranschaulicht, wenn die Zeichnung in
der Bildebene im Uhrzeigersinn um cgo° gedreht betrachtet wird. Für
Verdichter
kleinerer Ansaugeleistung kann hierbei der in der Zeichnung gewählte Trägerunterbau
an einer aufgemauerten Wand befestigt werden, wobei die trapezförmigen Versteifungswände
f Tragkonsolen bilden.
-
Bei Verdichtern mit Ansaugeleistungen, bei denen infolge zu großer
Abmessungen der Gebläsegehäuse diese nicht alle auf einer Seite des Getriebes Platz
finden können, werden die Gebläse auf beide Getriebeseiten verteilt und dementsprechend
auch die die Laufräder antreibenden Ritzel und Ritzelwellen. Dadurch wird an der
erfindungsgemäßen Gestaltung im Prinzip nichts geändert. Die Kupplung des gemeinsamen
Antriebsorgans, das bei großen Ansaugeleistungen vorwiegend ein gemeinsames Zahnrad
sein wird, erfolgt dabei durch eine etwas längere Zwischenwelle, die in gleicher
Weise zwischen Motor und gemeinsamen Zahnrad eingefügt werden kann, wie es für die
Torsionsstäbe k1 bis k4 für das erste Ausführungsbeispiel beschrieben ist. Ein Ausführungsbeispiel
dieser Art ist in Fig.5 im Aufriß und in Fig. 6 im Grundriß gezeigt. Dabei ist jedem
Laufrad ein Ritzel ü1 bis N4 zugeordnet, die alle von einem gemeinsamen Zahnrad
Z angetrieben werden. Jedes Ritzel ist so bemessen, daß das von ihm über eine als
Torsionsstab ausgebildete Ritzelwelle angetriebene Laufrad mit der für dasselbe
günstigsten, d. h. festigkeitsmäßig größtmöglichen Drehzahl umlaufen kann. Die Zeichnung
zeigt die auf einem Kühlwasserbehälter K aufgestellten Einradgebläse I, 1I, III
und IV und das Getriebegehäuse G, in dem das Zahnrad Z gelagert ist. Die Ritzel
sind wellenlos auf mit dem Gehäuse G fest verbundenen Tragzapfen gelagert.