-
Mehrstufiger Verdichterläufer radialer Bauart Die Erfindung betrifft
einen mehrstufigen Verdichterläufer radialer Bauart und befaßt sich- mit Maßnahmen,
um bei hydraulisch günstigen Verhältnissen für den Verdichtungsvorgang die mechanischen
Belastungen des Laufzuges in erträglichen Grenzen zu halten.
-
Sohleuderverdichter mit relativ kleinem Volumendurchsatz werden bekanntlich
mit sehr hohen Drehzahlen betrieben, um die geforderten großen Förderhöhen erreichen
zu können. Der Verdichtungsvorgang erfolgt dabei in mehreren hintereinander geschalteten,
auf einer gemeinsamen Läuferwelle angeordneten Laufrädern, die jeweils in radialer
Richtung von innen nach außen durchströmt werden. Es sind aber auch Kreiselverdichter
bekannt, hei denen die Beaufschlagung des Laufrades in der umgekehrten Strömungsrichtung,
d. h. also von außen nach innen erfolgt (sogenannter Zentripetalverdichter). Diese
zeichnen sich vor allem durch eine hohe Schluck- und Saugfähigkeit aus. Bei der
Ausbildung von Läufern in herkömmlicher Bauart mit einzeln auf die Welle aufgesetzten
Radialrädern ergeben sich Schwierigkeiten, hauptsächlich wegen der Rücksichtnahme
auf die kritische Drehzahl der oft verhältnismäßig langen Wellen kleinen Durchmessers.
Die versteifende Wirkung der aufgesetzten Laufräder genügt meist nicht, um mit Sicherheit
die Forcierung nach ausreichend starren und hiegungssteifen Läuferformen mit den
hydraulisch und festigkeitsmäßig günstigen Bedingungen für die einzelnen Verdichtungsstufen
in Einklang bringen zu können. Für die mechanische Festigkeit der Radialräder ist
die verhältnismäßig große Einlaßöffnung ihrer Deckscheiben ungünstig. Deren Festigkeit
begrenzt im allgemeinen die erreichbare Förderhöhe des Rades bzw. des Gesamtverdichters.
-
Bekannt ist ferner ein trommelartiger Verdichterläufer, bei dem zwischen
aufeinanderfolgenden Zentrifugalrädern Zentripetalvorsatzräder angeordnet sind,
die jeweils mit der Deckscheibe des nachgeordneten Zentrifugalrades zusammengespannt
sind und deren Nabenscheibe an der jeweiligen Nabenscheibe des vorgeschalteten Zentrifugalrades
anliegt. Die Verbindung der beiden Nabenscheiben wird durch eine an ihrem Umfang
verlaufende Schweißnaht bewirkt, und die so entstandenen Scheibenpaare werden durch
ebenfalls nahe am Umfang angeordnete Schrauben miteinander verbunden, die jedoch
wegen des geringen Einbauraumes nur sehr kurz bemessen sein können und demzufolge
nur eine für die Dauerfestigkeit nachteilige kurze Dehnlänge haben. Ein weiterer
Nachteil besteht darin, daß die einzelnen infolge unterschiedlicher Aufheizung im
Betrieb sich verschieden dehnenden Räder infolge der Befestigung am Umfang an der
freien Dehnung behindert sind. Erfindungsgemäß werden diese Nachteile dadurch behoben,
daß die Nabenscheiben aller Laufräder in an sich bekannter Weise auf einer Welle
aufgereiht und so miteinander verspannt sind, daß die Spannkraft über die sich an
wulstartigen Verstärkungen der Deckscheiben anlegenden freien Schaufelenden der
Vorsatzräder und die aneinanderliegenden Rücken der Nabenscheiben übertragen wird.
Es ergibt sich damit ein sehr steifer Läufer mit voller Dehnfreiheit der reibungsschlüssig
verbundenen Räder.
-
Die festigkeitsmäßig schwache Stelle des radial durchströmten Rades
an der Deckscheibe kann noch dadurch verbessert werden, daß die Deckscheibe entsprechend
einer bekannten Ausführung etwa als axialgedrückte Tellerfeder im Radstern der Stufe
ausgebildet ist. Dabei erfahren bekanntlich die Deckscheiben als besonders gestaltete
Tellerfedern, die ungespannt eine andere Kegelneigung haben als die benachbarten
Schaufelkanten und erst durch axiale Kräfte am Innenrand zur Anlage kommen, eine
Verformung, welche festigkeitsmäßig günstige Verhältnisse schafft. Durch die Überlagerung
des Spannungsfeldes axial zusammengepreßter Tellerfedern mit den Fliehkraftspannungen
eines kegeligen Scheibenringes kann sogar erreicht werden, daß die Betriebsspannungen
üblicher Baustoffe in solchen Grenzen bleiben, daß nicht unbedingt gedrehte Laufkörper
mit dicken Nabenwulsten angewendet werden müssen, sondern daß je nach den Verhältnissen
auch gedrückte Blechteller zur Abdeckung der Laufradkanäle genügen.
-
Bei einem erfindungsgemäß zusammengesetzten Läufer kann man entweder
unmittelbar auf die lose Deckscheibe am Innenrand drücken und die Neigungsabweichung
ihrer Kegelmantelerzeugenden zur kegeligen Meridiankontur des halboffenen Schleuderradkörpers
ausgleichen oder vermindern, oder man kann,
z. B. im Fall einer
blechringartigen Deckscheibe, deren Vorspannungsverformung über einen zwischengelegten
zentrierenden Ring durchführen. Zu diesem Zweck wird dann die wulstartige Verstärkung
der Deckscheibe der einzelnen Radialräder als ein gesondert hergestellter Druckring
ausgebildet. Die Deckscheiben selbst werden in bekannter Weise getrennt vom Laufradstern
angefertigt und stehen in nicht verspanntem Zustande an ihrem Innendurchmesser mit
einem gewissen Spalt von der stirnseitigen Kante der Schaufeln des Radkörpers ab.
Zur Erreichung passender Tellerscheibenspannungscharakteristiken, welche an bestimmte
Neigungen gebunden sind, kann die Einhaltung des Radbreitenverlaufes im Schleuderrad
ohne weiteres dem Meridianverlauf des Schaufelgrundes der Schleuderradscheibe in
der Neigung zur Läuferachse angepaßt werden. Die Herstellung des Zentripetalvorsatzläufers
mit seiner Schaufelkrümmung zur Verwirklichung stoßfreier Anströmung läßt sich ebenfalls
wirtschaftlich gestalten, weil die mäßigen Umfangsgeschwindigkeiten im Betrieb die
Verwendung von normalem Guß gestatten. Durch besondere Schaufelkrümmungen lassen
sich die Anströmverhältnisse zur nächsten Stufe unter Zugrundelegung der Abströmung
aus der vorherigen Stufe (oft erst durch Messung zu erfassen) in günstigem Sinne
beeinflussen bzw. nachträglich korrigieren. Die bekannte Unterteilung des Ringraumes
im Zentripetalvorsatzrad durch Ringflächen oder einzelne Profilringe können dabei
sehr nützlich sein und sind in diesem Durchmesserbereich auch betriebssicher und
mit wirtschaftlichem Aufwand anzubringen.
-
Zur Einstellung bzw. Steigerung der axialen Verspannung des gesamten
Laufzeuges kann außerdem die unterschiedliche Wärmeausdehnung des im Saugmund der
einzelnen Schleuderräder angeordneten zylindrischen Druckringes herangezogen werden.
Zu diesem Zweck wird dieser aus einem Werkstoff gefertigt, der gegenüber dem Material
der Läuferwelle eine größere Wärmeausdehnung besitzt. Um dem Druckring selbst eine
gewisse Federungseigenschaft noch zu verleihen, kann er mit Ausnehmungen oder Profilierungen
versehen sein. Da er im Bereich einer durch die Verdichtung des Arbeitsmittels bereits
erhöhten Temperatur angeordnet ist (z. B. als reiner Druckring zwischen dem Zentripetalvorsatzläufer
und der Deckscheibe des nachgeschalteten Radialrades oder als Dichtungselement in
Form eines Ausgleichskolbens am Läuferende des mehrstufigenVerdichters), wird er
schnell von der herrschenden Betriebstemperatur erfaßt werden und als Beeinflussungsglied
der kritischen Drehzahl des Läufers in seiner Verspannungswirkung selbsttätig der
jeweiligen Betriebsdrehzahl folgen. Man kann für die axiale Verspannung des Tellerfederdeckscheibenringes
auch die Fliehkraftaufweitung des Druckringes mit heranziehen, indem man seine Steifigkeit
abstimmt und die Anlage an dem Saugmundwulst der Deckscheibe entsprechend kegelig
ausführt.
-
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines mehrstufigen Verdichterläufers
radialer Bauart nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 einen Axialschnitt
durch die obere Hälfte eines dreistufigen Schleuderverdichters, Fig. 2 einen Axialschnitt
durch die beiden letzten Laufräder eines mehrstufigen Schleuderverdichters. Auf
die Läuferwelle 1 des in Fig. 1 abgebildeten dreistufigen Verdichters sind die Laufräder
2, 3 und 4 normaler radialer Bauart aufgesetzt, wobei zwischen den beiden letzten
Stufen jeweils eine Zentripetalvorsatzschaufelung 5 bzw. 6 angeordnet ist. Das Arbeitsmittel
wird über einen spiralenförmig ausgebildeten Ringraum 7 angesaugt und strömt dem
ersten Laufrad zu, dessen Schaufeln zum Zwecke eines stoßfreien Eintritts in Umdrehungsrichtung
angekrümmt sind. Nach erfolgter Verdichtung in den übrigen Laufrädern verläßt das
Fördermittel den Verdichter wieder durch den Auslaßstutzen B. Die einzelnen Laufräder
werden mittels der Druckmutter 9 unter Zwischenschaltung des Ausgleichskolbens 10
axial aneinandergepreßt, wobei sich das erste Laufrad mit seiner Nabe gegen den
Wellenbund 11 abstützt. Die Durchleitung der axialen Verspannungskraft durch den
ganzen Läuferverband erfolgt etwa in halber Höhe der Radialbeschaufelung. Dabei
stützen sich einerseits die beiden Vorsatzläufer 5, 6 mit ihren freien Schaufelkanten
gegen die Nabenwülste 12, 13 der Deckscheiben 14, 15 der beiden Radialräder 3, 4
ab und gelangen mit ihrer Rückwand an der Radscheibe des jeweils vorausgehenden
Laufrades 2 bzw. 3 zur Anlage. Bei der wulstartigen, als Druckring ausgebildeten
Nabenverstärkung 13 der Deckscheibe 15 des Laufrades 4 ist noch gezeigt, wie man
die Fliehkraftaufweitung dieses Druckringes zur axialen Verspannung des ganzen Läuferverbandes
mit heranziehen kann. Zu diesem Zweck ist die Anlagefläche der Nabenverstärkung
13 an der Deckscheibe 15 kegelig ausgebildet.
-
Die Fig. 2 zeigt die beiden letzten Laufräder 21, 22 eines mehrstufigen
Schleuderverdichters nach der Erfindung. Die Deckscheibe 23 des Laufrades 22 ist
dabei als einfache dünnwandige Blechscheibe ausgebildet und an ihrem Innenrande
in den gesondert hergestellten Druckring 24 eingesetzt, über welchen die Druckkräfte
zur axialen Verspannung des ganzen Läuferverbandes eingeleitet werden. Die Gestaltung
der Deckscheibe 23 als Blechpreßteil geringer Wandstärke wird trotz der hohen Umlaufgeschwindigkeiten
des Laufrades und der großen Nabenbohrung möglich, weil die Fliehkraftbeanspruchung
beim Umlauf mit dem Spannungsfeld der axial aufgebrachten Druckkräfte überlagert
wird. In nicht verspanntem Zustande liegt die Deckscheibe 23 mit ihrem äußeren Rande
an den Stirnkanten der Schleuderradschaufeln an, während sie an ihrem Innendurchmesser
in ihrer Mantellinienneigung um einen Spalt ö von der Meridianbegrenzung der Schaufeln
abweicht. Dieser konische Spalt 8 wird erst nach Aufbringen der axialen Spannkräfte
überbrückt, wobei dann in der tellerartigen Deckscheibe 23 jene Zusatzspannungen
geweckt werden, die sich namentlich für die Ringspannungen am Deckscheibeninnenrand
günstig auswirken. Die axiale Verspannung des Deckscheibentellers erfolgt durch
einen Druckring 24, der gleichzeitig die Zentrierung übernimmt und in der Verspannungsreihe
von Schleuderrad zu Schleuderrad über den jeweiligen Zentripetalvorsatzläufer eingeschaltet
ist. Im Sinne einer passenden Einbeziehung des Tellerfederspannungsfeldes in die
Bedürfnisse der Spannungslenkung am Schleuderrad bzw. im Zusammenhang mit der Läufersteifigkeit
unter den gegebenen technischen Mitteln ist schließlich eine gewisse Abstimmung
der Tellerringneigung zweckmäßig. Die erwünschte Radbreitenzunahme b,/b, läßt sich
durch entsprechende Wahl der Winkel ß, und ß2 der Kanalbegrenzungsmeridiane einstellen.
-
In dem Schnittbild der Fig. 2 erkennt man schließlich noch den der
Radscheibe des Laufrades 22 nachgeschalteten Druckring 25, der gleichzeitig als
Ausgleichskolben ausgebildet ist und in den Ausnehmungen
eingearbeitet
sind, um ihm eine gewisse Federeigenschaft zu verleihen. Die erfindungsgemäße Anordnung
eines Druckringes zwischen den einzelnen Radialrädern und den Zentripetalvorsatzschaufeln
bleibt nicht auf die beiden in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt,
bei denen die Radialräder in geschlossener Bauweise, d. h. also mit Deckscheiben
ausgebildet sind, sondern hat weitere Vorteile insbesondere bei Laufrädern offener
Bauart. Bekanntlich neigen offene Radialräder zum Schwingen; dabei können Schaufelblätter
ausbrechen und auch Resonanzrückwirkungen auf andere schwingungsfähige Bauelemente
derselben Welle auftreten. In einem solchen Falle wirkt dann der gesondert eingesetzteDruckring
infolge des axialenVerspannungsdruckes wie ein Reibungsdämpfungsglied.