Mehrgehäusige Turbokompressoranlage. Im Gegensatz zum Turbogebläse werden beim Turbokompressor zwischen allen oder einzelnen Stufen Wärmeaustauscher angeord net, deren Flächen bei der angestrebten An näherung an die isotherme Verdichtung so gross werden, dass sie nicht mehr innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses untergebracht werden können. Dadurch ergibt sich für den Kompressor eine Unterteilung in einzelne Stufengruppen, die in je einem besonderen Gehäuse entweder auf einer gemeinsamen Welle oder auf getrennten Wellen, also dreh zahlunabhängig voneinander, angeordnet sein können.
Die letztere Art erbringt bekanntlich den grossen Vorteil, dass jede Gruppe des Kom- pressors, die aus einer oder mehreren axial oder radial durchströmten Stufen besteht, mit der für das jeweilige Fdrdervolumen gün stigsten Drehzahl gebaut, und betrieben wer den kann.
Antriebsseitig stehen dem allerdings noch Schwierigkeiten entgegen, obwohl einige derartige Lösungen bereits bekannt sind, zum Beispiel ein Antrieb von vier Wellen über ein grosses Zahnrad bei verschiedenen Ritzel- durehmessern. Trotz der damit vergleichsweise erreichten Verringerung der Stufenzahl lässt sieh der Aufwand für das Getriebe in wirt schaftlicher Hinsicht nur dann vertreten, wenn ein solches infolge der niedrigen Dreh zahl der Antriebsmaschine, zum Beispiel eines Drehstrommotors, ohnehin erforderlich ist.
Ferner ist auch schon vorgeschlagen wor den, bei einem Turbokompressor mit Dampf- oder Gasturbinenantrieb die Antriebsseite in mehrere hintereinandergeschaltete und mit verschiedenen Drehzahlen betriebene Einzel < turbinen zu unterteilen und jeder derselben einen 'Teil der Kompressorstiüen zuzuordnen,
nämlich der zuerst durchströmten Hochdruck turbine den zuletzt durchströmten Hochdruck teil des Kompressors und der zuletzt durchströmten Niederdruckturbine den, zuerst durchströmten Niederdruckteil des Kompres- sors, so dass sich nach Druckabschnitten ge. trennte Aggregate ergeben.
Die Durchführung der Expansion des Treibmittels in mehreren Turbinengehäusen ist nun aber nicht wie die Verdichtung beim Kompressor durch zwischengeschalteteWärme- austauscher bedingt und ergibt nicht. nur höhere Baukosten, sondern auch eine Vermeh rung der Leck- und Umleitimgsverluste. Da es somit zweckmässig ist, die Turbine gehäuse mässig nicht so weitgehend zu unterteilen wie den Kompressor, hat man daran gedacht-, jede Turbinenwelle an beiden Enden mit einem Kompressorläufer zu verbinden.
Bei einer praktisch vor allem in Betracht kommenden Anordnung einer zweigehäusigen Turbine mit einem Hochdruck- und einem Niederdruekteil erhält man dann also eine vierfache Unter teilung des Kompressors. Diese Massnahme stellt- jedoch einen Kompromiss dar, weil der Vorteil verschiedener Drehzahlen für je zwei von einer gemeinsamen Turbinenwelle ange triebene Kompressorteile nicht ausgenutzt werden kann.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass es doch möglich ist, ohne Verwendung eines Getriebes einerseits und ohne eine unwirtschaftliche weitgehende Un terteilung der Antriebsturbine anderseits alle in getrennten Gehäusen untergebrachten Teile des Kompressors drehzal-lunabhängzg vonein ander zu betreiben, wenn man gemäss der Erfindung ein Aggregat vorsieht, bei dem je ein Teil des Kompressors zu beiden Seiten einer gegenläufig ausgebildeten Antriebstur bine angeordnet und mit einem ihrer beiden Turbinenläufer gekuppelt ist, die in einem ge meinsamen Gehäuse untergebracht sind, aber getrennte Wellen und entgegengesetzte Dreh richtungen haben.
Dadurch kann die betre'- fende Aufgabe in relativ einfacher und auch betriebsmässig allen Forderungen gerecht wer dender Weise gelöst werden, wobei zii be denken ist, dass durch die entgegengesetzte Drehrichtung von unmittelbar nacheinander durchströmten Schaufelkränzen der beiden zueinander gehörenden Turbinenläufer be kanntlich unter sonst gleichen Voraussetzun gen nur etwa ein Viertel der Stufenzahl er forderlich ist gegenüber der normalen Anord nung mit stillstehenden Leitscha.ufelkränzen zwischen allen Laufschaufelkränzen.
Die gegenläufige Turbine ist an sich, ins besondere als Radialturbine für den Antrieb von Stromerzeugern, bereits bekannt. Wenn man sich trotzdem bisher nicht dazu ent schliessen konnte, diese bewährte Bauart auch zum Kompressorantrieb zu verwenden. so ist das offenbar darauf zurückzuführen, dass die Gründe, die zur Entwicklung der gegenläufi gen Generatorturbine geführt haben, ganz an dere sind.
Dort wird nämlich für beide Läufer derselben eine möglichst genaue Übereinstim mung der Drehzahl und des Drehmomentes angestrebt, beim Kompressor, dessen beide Teile hintereinandergesehaltet sind, dagegen ein bestimmter und möglichst im Betrieb ver änderlicher Unterschied der Drehzahl, unter Umständen auch des Drehmomentes.
Daraus ergibt sich in beiden Fällen auch eine Ver- sehiedenheit in der konstruktiven Ausfüh rung der Besehaufelung und in der Regelung, wogegen der Vorteil einer Vereinfaehung und Verbilligung der Beschaufelung im V eigleich zur nicht gegenläufigen Bauart beim Genera tor- und Kompressorenant.r ieb in gleicher Weise vorhanden ist und auch durch eventuell neben den umlaufenden Schaufeln an einzel nen Stellen notwendige,
feststehende Leit- schaufeln zur Veränderung des Drehmomentes nicht wesentlich beeinflusst wird.
Je nach den turbinen- und verdichterseitig zu verarbeitenden Gefällen und den sonstigen Betriebsbedingungen, zum Beispiel Dampf bzw. Druckluftentnahme aus einer oder meh reren Zwischenstufen, sind die v ersehieden- a.rtigsten Ausführungsformen der Erfindung möglich, von denen auf der Zeichnung zwei schematische Beispiele und ein konstruktives Beispiel dargestellt sind.
Fig. 1 zeigt schematisch eine besonders ein- faehe Schaltung. Von den beiden dampfseitig zum Beispiel hintereinandergeschalteten Läu fern (vgl. Fig.3) einer gegenläufigen Tur bine 1 treibt der eine Läufer (links) den Nie derdruckverdichter 2 und der andere Läufer (rechts) den Hoehdruckv erdiehter 3 an, zwi schen denen ein Wärmeaustauscher .1 ange ordnet ist.
Dabei können die beiden Wellen entweder, wie gezeichnet, nur zwischen den Turbinenläufern und den zugehörigen Ver- dichterteilen oder auch zu beiden Seiten der letzteren gelagert sein.
Fig. 2 zeigt eine ähnliche Anlage für hö here Drücke, bei der eine gegenläufige Hoch druckturbine 5 zwei hintereinandergeschal- tete Hochdruckgruppen 6, 7 des Verdichters und eine gegenläufige Niederdruekturbine S zwei ebenfalls hintereinandergeschaltete Nie- derdriiekgruppen 9, 10 des Verdichters an treiben. Durch drei Wärmeaustauscher 11 bis 13 wird zwischen den vier Verdiehtergruppen die Kompressionswärme abgeführt.
Die Niederdruckturbine 8 kann, auch wenn sie an einen Kondensator 14 angeschlossen ist, solange die 'Schaufellänge beherrschbar ist, ebenso wie die Hochdruckturbine '5 im Sinne der Turbine 1 gemäss Fig. 1 gegenläufig ein- flutig gebaut werden. Das wird insbesondere dann der Fall sein, wenn in einer Zwischen stufe eine Entnahme stattfindet. Wird aber infolge hohen Vakuums oder etwa gar durch weitere Dampfzufuhr das zu verarbeitende Dampfvolumen im Niederdruckbereich zu gross, so kann es wirtschaftlich sein, die be treffende Turbine 8 doppelflutig zu bauen.
Dabei wird aus Gründen baulicher Einfach heit zweel,-mässig auf eine Gegenläufigkeit ver zichtet. Ebenso kann es unter Umständen wirtschaftlich sein, die beiden Niederdruck- ;ruppen 9, 10 des Verdichters parallel zu sehalten.
Die Fig. 3 bis ä lassen im Axialteilsehnitt bzw. in Zylinderschnitten eine konstruktive Ausführung einer gegenläufigen Axialturbine mit den beiden Läufern 15, 16 erkennen. Der eine Läufer 15 hat einen schaiüelkranz 17 und der andere Läufer 1ö hat zwei Schaufel kränze 18, 19, zwischen denen sich ein Leit- sehaufelkranz 20 befindet, der an dem für beide Läufer gemeinsamen Gehäuse 2.1 be festigt ist.
Dem einkränzigen Läufer 1:5 sind zwei Leitkranzsektoren 22, 23 mit verschie denem Profil vorgeschaltet, denen das Treib mittel aus den zugehörigen Kammern 2'4 bzw. 25 in regelbarem Verhältnis zugeführt wird. Nenn das Treibmittel in zunehmendem Masse durch die Leitschaufeln 22. zugeführt wird, werden die Drehzahl und das Drehmoment des zuerst beaufschlagten Läufers 15 erhöht; um gekehrt ist es bei stärkerer Zuführung des Treibmittels durch die Leitschaufeln 23.
Auf diese Weise kann das bei einer bestimmten Verteilung des Treibmittels auf beide Leit- kränze durch die Wahl der :Schaufelprofile und -winkel gegebene Drehzahl- und Dreh momentverhältnisse zwischen beiden Läufern in gewissen Grenzen willkürlich geändert wer den.
Multi-housing turbo compressor system. In contrast to the turbo blower, heat exchangers are angeord net between all or individual stages of the turbo compressor, the surfaces of which become so large when approaching the isothermal compression that they can no longer be accommodated within a common housing. This results in a subdivision of the compressor into individual stage groups, which can be arranged in a special housing either on a common shaft or on separate shafts, that is to say regardless of the speed of each other.
The latter type is known to have the great advantage that each group of the compressor, which consists of one or more axially or radially flow-through stages, can be built and operated with the most favorable speed for the respective delivery volume.
However, there are still difficulties on the drive side, although some such solutions are already known, for example a drive of four shafts via a large gear wheel with various pinion diameters. Despite the comparatively achieved reduction in the number of stages, the effort for the transmission in economic terms can only be represented if such a speed is necessary anyway due to the low speed of the drive machine, for example a three-phase motor.
It has also already been proposed, in the case of a turbo compressor with steam or gas turbine drive, to subdivide the drive side into several individual turbines connected in series and operated at different speeds and to assign a part of the compressor parts to each of them.
namely, the high-pressure turbine through which the flow was first flowing, the high-pressure part of the compressor through which the flow came last, and the low-pressure turbine through which the flow was last low-pressure turbine the low-pressure part of the compressor through which the flow came first, so that after pressure sections give separate aggregates.
The implementation of the expansion of the propellant in several turbine housings is not, like the compression in the compressor, due to interposed heat exchangers and does not result. only higher construction costs, but also an increase in leakage and diversion losses. Since it is therefore advisable not to subdivide the turbine housing as much as the compressor, it has been thought of connecting each turbine shaft to a compressor rotor at both ends.
In the case of an arrangement of a two-casing turbine with a high-pressure and a low-pressure part, which is primarily considered in practice, a four-fold subdivision of the compressor is obtained. However, this measure represents a compromise, because the advantage of different speeds for two compressor parts driven by a common turbine shaft cannot be exploited.
The present invention is based on the knowledge that it is possible, without using a gear on the one hand and without an uneconomical extensive subdivision of the drive turbine on the other hand, to operate all parts of the compressor housed in separate housings independently of each other when operating according to the invention provides a unit in which a part of the compressor is arranged on both sides of a counter-rotating drive turbine and is coupled to one of its two turbine rotors, which are housed in a common housing, but have separate shafts and opposite directions of rotation.
As a result, the task in question can be solved in a relatively simple manner and also in operational terms, meeting all requirements, whereby it should be borne in mind that the opposite direction of rotation of blade rings of the two mutually associated turbine rotors through which flow passes immediately one after the other is known under otherwise identical conditions Only about a quarter of the number of stages is required compared to the normal arrangement with stationary guide vane rings between all rotor blade rings.
The counter-rotating turbine is already known per se, in particular as a radial turbine for driving power generators. If you have not yet been able to make up your mind to use this tried-and-tested design for compressor drives. This is evidently due to the fact that the reasons that led to the development of the opposing generator turbine are entirely different.
There, the exact same speed and torque correspondence is sought for both runners, whereas the compressor, whose two parts are placed one behind the other, has a specific and possibly variable difference in speed during operation, possibly also the torque.
In both cases, this also results in a difference in the design of the blading and in the control, whereas the advantage of simplifying and making the blading cheaper compared to the non-opposing design of the generator and compressor drive is the same Is available and also by any necessary, in addition to the rotating blades at individual points
fixed guide vanes for changing the torque is not significantly influenced.
Depending on the gradient to be processed on the turbine and compressor side and the other operating conditions, for example steam or compressed air extraction from one or more intermediate stages, the various embodiments of the invention are possible, of which two schematic examples are shown in the drawing a constructive example are shown.
1 shows schematically a particularly simple circuit. Of the two rotors connected in series on the steam side (see Fig. 3) of a counter-rotating turbine 1, one rotor (left) drives the low pressure compressor 2 and the other rotor (right) drives the high pressure compressor 3, with a heat exchanger between them .1 is arranged.
The two shafts can either be supported only between the turbine rotors and the associated compressor parts, as shown, or on both sides of the latter.
2 shows a similar system for higher pressures, in which a high-pressure turbine 5 rotating in opposite directions drives two high-pressure groups 6, 7 of the compressor connected in series and a low-pressure turbine S rotating in opposite directions driving two low-pressure groups 9, 10 of the compressor, which are also connected in series. The compression heat is dissipated between the four compressor groups through three heat exchangers 11 to 13.
The low-pressure turbine 8, even if it is connected to a condenser 14, as long as the blade length can be controlled, like the high-pressure turbine 5 in the sense of the turbine 1 according to FIG. This will be the case in particular if a removal takes place in an intermediate stage. However, if the volume of steam to be processed in the low-pressure range is too large as a result of a high vacuum or even further steam supply, it can be economical to build the turbine 8 in question with a double-flow.
For reasons of structural simplicity, there is no contradiction in terms of direction. It may also be economical under certain circumstances to keep the two low-pressure groups 9, 10 of the compressor in parallel.
3 to 3 show, in partial axial section or in cylinder sections, a structural design of a counter-rotating axial turbine with the two rotors 15, 16. One rotor 15 has a blade ring 17 and the other rotor 1ö has two blade rings 18, 19, between which there is a guide blade ring 20 which is fastened to the housing 2.1 be common to both rotors.
The single-wreath rotor 1: 5 are preceded by two guide ring sectors 22, 23 with different profiles, to which the propellant is fed from the associated chambers 2'4 and 25 in a controllable ratio. If the propellant is supplied in increasing quantities through the guide vanes 22, the speed and the torque of the rotor 15 acted upon first are increased; It is the other way around when the propellant is fed in more strongly through the guide vanes 23.
In this way, the speed and torque ratios between the two rotors given a certain distribution of the propellant to both guide rings by the choice of: blade profiles and angles can be arbitrarily changed within certain limits.