DE2128217A1

DE2128217A1 - Mehrstufiger Verdichter mit Leistungsrekuperation

Info

Publication number: DE2128217A1
Application number: DE19712128217
Authority: DE
Inventors: Karol Loudonville N.Y. Pilarczyk (V.StA.). P F04d 17-12
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 1970-06-08
Filing date: 1971-06-07
Publication date: 1971-12-16
Also published as: DE2128217B2; DE2128217C3; FR2096064A5; US3680973A; CH522826A; NL7107689A; CA949043A; GB1357182A

Description

-PATEiMTAWWALTiJ . A V 4-

DK.ing. H. NEGENDANK · dipl.-ing. H. HAUCK · dipl.-phys. W. SCHMITZ

HAMBURG-MÜNCHEN ZUSTELLUNGSANSCHRIFT: HAMBURG 36 j NEUER WALL 41

TISL. 36 74 28 UND 36 41 10 TSLEOIt. NKGBDAPATENT HAMBURG

MÜNCHEN 15 · MOZARTSTR. 23

TEL.fi 38 03 80

TELEQR. NEGBi)APATENT MÜNCHEN-HAMBURG,

5. Juni 1971

Carrier Corporation
Carrier Parkway
Syracuse, N.Y. 132ol
(V.St.A.)

Mehrstufiger Verdichter mit Leistungsrekuperation.

Leistungsrekuperation bei mehrstufiger Verdichtung unter Verwendung auf Druck ansprechender, ventilgesteuerter Rückkopplungsleitungen ist bereits bekannt.und beispielsweise in den U.S.-Patentschriften 2 38o 606 von Moody und 1 oo9 819 von Alberger beschrieben. Es besteht jedoch nach wie vor ein dringender Bedarf dafür, den Wirkungsgrad zu steigern, die Herstellungskosten zu senken und die Maschinen kompakter und vielseitiger zu gestalten.

Aufgabe der Erfindung ist daher, den Wirkungsgrad, die Kompaktheit und Vielseitigkeit eines mehrstufigen Verdichters bei gleichzeitiger Senkung der Herstellungskosten der' Maschine

1 09851 /1236

und im Hinblick auf Leistungsrekuperation des Verdichters zu verbessern, wobei unter hohem Druck stehendes Gas unter Verwendung von Düsen, die auf die Laufradspitzen gerichtet und durch ein auf Druck ansprechbares und unabhängig betätigbares Ventil gesteuert sind, zu einer niedrigeren Stufe zurückgeführt wird. Diese Maßnahme soll ohne eine große Anzahl von Rohrleitungen'in und an dem Gehäuse verwirklicht werden.

Der vorgeschlagene mehrstufige Verdichter mit Leistungsrekuperation ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen Gasrückkopplungskanal zur Aufnahme von unter hohem Druck stehendem Gas am Ausgang des zweiten Laufrades und eine Turbinendüsenvorrichtung, der das unter hohem Druck stehende Gas über den Gasrückkopplungskanal zuführbar und durch die das Gas unmittelbar gegen das, erste Laufrad abgebbar ist. Die axialen Begrenzungen im Hinblick auf die Länge stellen ■^ einen erheblichen Vorteil dar, indem der überhängende Teil

des Rotors eine geringstmögliche Länge aufweist, so daß eifi. Betrieb auch mit hohen Drehzahlen möglich ist. Die Kanäle zwischen den Stufen sind in ausbaubaren Leiträdern und einem aus einem Teil bestehenden Gehäuse bereits beim Guß ausgespart. Die ausbaubare Trommelanordnung weist für jede Stufe ein Leitrad,, einen Radkranz und ein Laufrad auf. Die Rückkopplungskanäle sind in das Gehäuse und die Leiträder beim Guß eingearbeitet, so daß der Umbau auf . Leistungsrekuperation dadurch erfolgen kann, daß ein Rad-

109851/1236

kranz ausgebohrt und mit Düsen bestückt wird, sowie entsprechende Ventile vorgesehen werden. Die genaue Lage der Düsen in bezug auf die Schaufelspitzen des Laufrades der unteren Stufe ist für den Wirkungsgrad wesentlich. »_s^

Die Erfindung wird anhand des in den Zeichnungen dargestellten -'

Ausführungsbexspiels näher erläutert. ^l '

Fig. 1 ist eine schaubildliche Darstellung eines

vollständigen Verdichters mit den Merkmalen "-^ der Erfindung. ■ 'ft /

Fig. 2 ist ein schematisches Strombild und zeigt ^ . ,' den Verlauf des gasförmigen oder flüssigen Strömungsmittels zwischen den Stufen und durch *. die Zwischenkühler.

Fig. 3 ist ein teilweiser Querschnitt in einer senkrechten Ebene, die im wesentlichen durch die "** Drehachse des in Fig. 1 dargestellten Ver- l ' dichters verläuft. * "M

Fig. M- ist ein seitlicher Aufriß des Radkranzes der

ersten Stufe. \\_;

Fig. 5 ist ein endseitiger Aufriß des in Fig. 4 dar-

gestellten Radkranzes, entsprechend der Dar- t/ stellung von Fig. 3 _Λ gesehen von links. Fig. 6 ist ein Querschnitt entlang der Linie 6-6 der Fig. 5.

109851/1236 /^

.■..;■ A.

Wie aus den Figuren 1-3 ersichtlich, ist auf dem Unterbau 1 des Verdichters ein elektrischer Antriebsmotor 2 befestigt, der eine Abtriebswelle 3 zum Antrieb des Rotors 4 über ein Getriebevorgelege 5 aufweist; Das Getriebevorgelege 5 ist innerhalb eines getrennten Gehäuses 6 angeordnet, welches den Endverschluß für das Verdichtergehäuse 7 bildet. Die Gehäuse 6 und 7 sind jeweils aus Gußstahl in einem Stück hergestellt, während der Unterbau 1 aus Stahlblech verschweißt ist. Dem Verdichter wird gasförmiges oder flüssiges Strömungsmittel durch ein Einlaßgehäuse 8 mit einem Einlaßventil 9 zugeführt, welches vermittels einer in geeigneter Weise ausgebildeten Vorrichtung Io gesteuert wird.

Innerhalb des Unterbaus 1 befinden sich zwei getrennte Zwischenkühlerkammern 11 und 12 zum Kühlen des Mediums zwischen der ersten und der zweiten Stufe bzw. zwischen der zweiten und der dritten Stufe. Im Rahmen dieser Beschreibung können diese Zwischenkühlerkammern einen beliebigen Aufbau aufweisen und aus herkömmlichen Zwischenkühlervorrichtungen beliebiger Ausführung bestehen wie z.B. aus · parallelen WasserrohrbundeIn in der Form eines Wasser-Gas-Wärmeaustauschers. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, durchläuft das eintretende Gas das Laufrad 13 der ersten Stufe, die Zwischenkühlerkammer 11, das Laufrad 14 der zweiten Stufe, die Zwischenkühlerkanmer 12 und das Laufrad 15 der dritten Stufe»

,.V^, ^i BAD OFUGINAL

1 09851/1236

Wie aus den Figuren 1 und 3 ersichtlich, weist das Gußstahlgehäuse 7 eine axiale Zylinderbohrung 16 und eine ebene Oberfläche 17 auf, zwischen denen sich eine Vielzahl bereits beim Gießvorgang ausgebildeter Durchlässe befinden, die zum.Durchgang des Mediums zwischen den Stufen und den Zwischenkühlern dienen. Insbesondere führt der Durchlaß 18 das Medium von dem Ausgang der ersten Stufe zur Zwischenkühlerkammer 11, der Durchlaß 19 das Medium von der Zwischenkühlerkammer 11 zur zweiten Stufe, der Durchlaß 2o das Medium von der zweiten Stufe zur Zwischenkühlerkammer 12 und der Durchlaß 21 das Medium von der Zwischenkühlerkammer 12 zur dritten Stufe.

In Fig. 3 ist eine dreistufige ausbaubare Trommelanordnung innerhalb der Zylinderbohrung des Gehäuses 7 dargestellt. Entsprechend der Erfindung kann jedoch auch jede andere Anzahl von Stufen vorgesehen sein. Die erste Stufe weist ein Leitrad 22, einen Radkranz (shroud) 23, einen Diffusor 2 4 und das Laufrad 13 auf, die zweite Stufe besteht aus Leitrad 25, Radkranz 26, Diffusor 27 und Laufrad 14·, während die dritte Stufe aus Leitrad 28, Radkranz 29, Diffusor 3o und Laufrad 15 besteht. Jedes Leitrad besteht aus einem einzigen Stahlgußteil, während die Diffusoren und Radkränze jeweils aus einem einzigen Aluminiumgußteil bestehen. Sämtliche Leiträder 22, 2 5 und 2 8 weisen eine äußere Zylinderfläche auf, die in unmittelbarem Eingriff

BAD ORIGINAL

10985 1/1236

mit der inneren Zylinderbohrung 16 des Gehäuses 7 steht. Der durch das Getriebegehäuse 6 gebildete Endabschluß für das Verdichtergehäuse weist auf der Seite des Verdichters eine innere zylindrische Oberfläche 31 auf, die bündig mit der Zylinderfläche 16 des Verdichtergehäuses 7 verläuft, wobei die äußere zylindrische Oberfläche des Leitrades 25 diese bündigen Zylinderinnenflächen überlagert und damit das Getriebegehäuse 6 genau zur Trommelanordnung ausrichtet, so daß die Lage des Rotors 4 genau festgelegt ist. Das Getriebegehäuse 6 gibt die Stellung des Rotors 4 vermittels des Radiallagers 32 und des kombinierten Radial- und Drucklagers 3 3 vor, durch welche der Rotor M- in überhängender Lage drehbar gelagert ist. Der Rotor kann einen starren AufDau beliebiger Ausführung aufweisen, wobei jedoch vorzugsweise die Laufräder 13, 14, 15 unter Zwischenfügung geeigneter Labyrinthdichtungen mit der Rotorwelle verbunden sind.

Beim Zusammenbau der Trommelanordnung werden die verschiedenen Bestandteile außerhalb des Gehäuses zusammengebaut und entsprechend der Darstellung von Fig. 3 von links nach rechts in die Gehäuse 6 und 7 eingeschoben. Dann werden die Leiträder 22, 25, 28 vermittels mehrerer Spannbolzen 34 starr mit dem Getriebegehäuse 6 verbunden.

Die Radkränze 23, 26, 29 und die Dif f usoren 24 , 27, 3o stehen in Radialeingriff mit den Leiträdern, wodurch ihre Lage in

109851/1236

Rädialrichtung vorgegeben ist, und stehen in Äxiälrichtung nur auf einer Seite in Eingriff mit den Leiträdern, wodurch ihre axiale Lage vorgegeben ist, wobei in der entgegengesetzten Axialrichtung ein freies Axialspiel oder ein Zwischenraum für Bewegung in bezug auf die Leiträder zur Verfugung steht. Dieses freie Äxialsjiel wird durch Beaufschlagungsvorrichtungen aufgenommen, welche aus den in Axialrichtung zusammengedrückten D-ichtungs-O-Ringen 36 , 37 und der Kolbenwirkung der dem gepumpten Medium ausgesetzten Oberflächen der Diffusoren und Radkränze bestehen. Somit ergibt sich der Vorteil getrennter Radkränze und getrennter Diffusoren, was im Hinblick auf die Herstellungsverfahren und den Austausch zur Umstellung auf Leistungsrekuperation von Interesse ist, ohne daß sich die seither damit verbundenen Nachteile der Akkumulation von Toleranzen ergibt.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, stehen die beschriebenen Durchlaßkanäle 18, 19, 2o, 21 jeweils in Verbindung mit Ringkammern 38, 39, 4ο , 41, welche durch sich nach außen hin öffnende Ringkanäle an den Außenflächen der Leiträder 22, 25, 28 und durch diesen gegenüberliegende", sich nach innen hin öffnende Ringkanäle in Axialabständen entlang der Zylinderbohrung 16 des Verdichtergehäuses 7 gebildet werden. Diese Ringkammern 38 - Ul sind durch irgendwelche geeignete Mittel wie z.B. (nicht dargestellte) O-Ringe gegeneinander abgedichtet. Die Leiträder 22, 25, 28 weisen beim Guß in

10985 1/1236 BAOOFUGtNAU

"* R —

diesen ausgebildete Durchlaßkanäle oder entsprechende Oberflächenausbildungen auf 5 welche mit den Oberflächen der benachbarten Leiträder Durchlaßkanäle für das Medium zwischen den Ringkammern 38 - 41 und entsprechenden Radkranzeinlässen und Diffusorauslässen bilden.

Außerdem ist der Auslaß des Diffusors 3o der letzten Stufe vermittels der Leiträder mit der Ringkammer 4 2 verbunden, welche durch sich gegenüberliegende Ringkanäle in de'm Leitrad 25 und dem Gehäuse 7 gebildet ist. Von der Ringkammer 42 aus kann das von dem Verdichter unter hohem Druck abgegebene Medium nach oben durch einen Auslaß 43 zu' einem Verwendungspunkt, einem Vorratsbehälter, einer herkömmlichen Abblasevorrichtung oder dgl. abgegeben werden, wie Fig. 1 zeigt. Außerdem kann das Medium von dem Auslaß des Verdichters von der Ringkammer 42 aus nach unten in den Unterbau 1 des Verdichters eingeführt und von diesem durch Rohrleitungen dem Verwendungspunkt und/_oder verschiedenen, auf Druck ansprechbaren Steuer- und Überwachungsvorrichtungen zugeführt werden, die beispielsweise mit Meßgeräten, Warnleuchten oder dgl. an dem Bedienpult 45 versehen sind, wie Fig. 1 zeigt. Der in Fig. 1 dargestellte Auslaß 43 ist mit einer Abdichtplatte oder einem Deckel versehen, der dann zur Anwendung kommt, wenn keine Abblasevorrichtung für Drucküberschuß vorgesehen ist und das von dem Verdichter abgegebene Medium nach unten in den Unterbau eingeleitet und von diesem über Rohrleitungen seinem Verwendungsort

10985 1/1236

zugeführt wird. Außerdem wird der Verdichterausgang von der Ringkammer 42 aus vermittels eines allgemein in Axialrichtung verlaufenden Durchlaßkanals, der beim Guß in dem Gehäuse 7 ausgebildet ist, jedoch nicht mit irgendeinem vorstehend beschriebenen Kanal des Gehäuses 7 in Verbindung steht, teilweise der Ringkammer 47 zugeführt, die entsprechend der Darstellung von Fig. 3 aus sich gegenüberliegenden Ring-.kanälen gebildet ist, die jeweils in dem Gehäuse 7 bzw. in dem Leitrad 22 ausgebildet sind. Von der Ringkammer 47 gelangt das von dem Verdichter unter hohem Druck abgegebene Medium in eine Ringkammer 48, die zwischen dem Radkranz 23 und dem Leitrad 2 2 ausgebildet ist. Eine Vielzahl von Düsen 49 sind in den Radkranz 23 eingesetzt und durch diesen hindurchgeführt, wobei sie die in der Kammer 48 unter hohem Druck stehenden Gase gegen die Schaufelspitzen des Laufrades 13 richten, um während des Anlaufs der Maschine eine Turbinenwirkung durch Leistungsrekuperation auszuüben oder bei Teillast einen Drucküberschuß aufzunehmen. Diese Möglichkeit ist in den Verdichter eingebaut, indem die Kammer bereits vorgesehen ist, jedoch der Radkranz 23 keine Düsen aufweist, so daß nach Wunsch entsprechende, auf Druck ansprechbare Ventile in den Rückkopplungskanal eingebaut werden können, durch welche ein Drucküberschuß der Ringkammer 48 zugeführt wird, und der Radkranz 2 3 zur Aufnahme der Düsen ausgebohrt werden kann, um die Verdichtergrundausführung umzustellen auf den in "den Figuren 2 - 6 darge-

109851/1238

- Io -

stellten Verdichter mit Lexstungsrekuperation. Diese Möglichkeit ist in jedem Falle eingebaut, auch wenn keine Verwendung davon gemacht wird. "'.-.■

Wie aus den vorstehenden Ausführungen ersichtlich, kann der erfindungsgemäße Verdichter als mehrstufiger Verdichter ohne Lexstungsrekuperation geliefert werden, wobei die für Leistungsrekuperation erforderlichen Kanäle in den Gußteilen der Leiträder und des Gehäuses ohne Aufpreis bereits vorgesehen sind, so daß zur Umstellung des Verdichters auf Leistungsrekuperation lediglich erforderlich ist, den Radkranz 23 auszubauen, au durchbohren, und Düsen in die Bohrungen einzusetzen, sowie geeignete Ventilsteuerungen in dem Rückkopplungskanal alizuordnen s wie weiter unten ausführlicher erläutert ist. ■

Das Prinzip der Leistungsrekuperation läßt sich entsprechend der Erfindung auf einen Verdichter mit einer beliebigen Anzahl von Stufen anwenden, wobei die einzige Voraussetzung ist, daß verdichtetes Gas von einer höheren zu einer niedrigeren Stufe zurückgeleitet wird. Dabei kann jede der beiden Stufen entweder eine Endstufe oder eine mittlere Stufe sein, und es sind auch Kombinationen möglich. Der hier beschriebene Verdichter ermöglicht insbesondere Leistungsrekuperation vom Ausgang des "Laufrades 15 der dritten Stufe durch die Rückkopplungsleitung 5o zu dem Laufrad 13 der ersten Stufe, unter Zwischenschaltung eines Ventils 51,

109851/1238

wie in Fig. 2 dargestellt ist. Das Ventil 51 besteht vorzugsweise aus einem auf Druck ansprechbaren Ventil, d.h. einem Ventil, das normalerweise durch eine Feder in die Schließstellung beaufschlagt ist, sich jedoch bei Oberschreiten eines vorbestimmten Druckwertes öffnet und den Gasdurchsatz durch die Rückkopplungsleitung 5o gestattet. Wenn daher beim Betrieb des Verdichters der Bedarf zurückgeht, so daß die Belastung abnimmt und der Druck auf der Auslaßseite entsprechend zunimmt, öffnet sich das auf Druck ansprechbare Ventil 51 und gestattet die Rückführung des Mediums am Auslaß der dritten Stufe zur ersten Stufe, wodurch die erste Stufe teilweise als Turbine betrieben und die für den Verdichter benötigte Gesamtleistungsaufnahme verringert wird. Es ist bekannt, einen Drucküberschuß durch auf Druck ansprechbare Abblasventile zur freien Atmosphäre hin zu entlüften, entsprechend der Erfindung ist dagegen Leistungsrekuperation vorgesehen, so daß bei Teillast der Drucküberschuß zur Verringerung der zum Antrieb des Verdichters benötigten Gesamtleistungsaufnahme verwendet wird. Zahlreiche Ausführungen von druckbetätigten Ventilen sind allgemein erhältlich, und aus diesem Grunde ist keine spezielle Ausführung hier dargestellt.

Beim Anlauf des Verdichters wird die zum Anlauf benötigte Leistung dadurch verringert, daß der Anlaufkreis mit einem Elektromagneten 52 verbunden wird, so daß das Ventil 51 geöffnet ist und während des Anlaufs den Durchgang von unter

109851/1236

Druck stehendem Gas von der dritten Stufe zur ersten Stufe unabhängig von dem in der dritten Stufe herrschenden Auslaßdruck gestattet. Dadurch wird die Anlaufzeit beträchtlich herabgesetzt und die zum Anlauf benötigte Leistung verringert, so daß dementsprechend ein kleiner dimensionierter Antriebsmotor verwendet werden kann. Der Elektromagnet 5 2 ist vorzugsweise in solcher Weise mit dem Ventil 51 verbunden, daß der Elektromagnet im normalen Betrieb des Verdichters erregt ist und das Ventil in der federbeaufschlagten Schließstellung hält, in welcher es als druckabhängiges Ventil arbeitet. Diese Anordnung ist vorzuziehen, damit bei einem Stromausfall» durch den die verschiedenen Steuerungen außer Tätigkeit gesetzt werden, der Elektromagnet 52 abgeschaltet wird und. damit das Ventil 51 selbsttätig öffnet, so daß der Ausgangsdruck in der dritten Stufe keine unzulässig hohen Vierte annehmen kann. Somit ist der Verdichter ausfallsicher. Wie aus ' der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, ist das Leistungsrekuperationssystem entsprechend der Erfindung ausfallsicher, verringert die Anlaufzeit und die benötigte Anlaufleistung und führt zu einem höheren Wirkungsgrad bei Teillast.

Wie in den Figuren 4-6 dargestellt, weist der Zahnkranz 23 eine axial ausgerichtete erste Bohrung 53, eine mittlere. Bohrung 54 von gleichem oder etwas kleinerem Durchmesser, eine innere Bohrung' 55 von kleinerem Durchmesser und eine ringförmige Düseneinsatzmuffe 56 auf, die in die mittlere Bohrung 54 eingesetzt ist. Die Düsenvorrichtung 49 setzt

1098 51/1236

sich aus diesen Teilen zusammen» Wie insbesondere aus Fig. ersichtlich, sind mehrere Düsenvorrichtungen U9 in gleichmassigen Abständen um den Umfang des Radkranzes 23 vorgesehen.

Fig. 5 ist eine Darstellung des Radkranzes 23, in Fig. 3 nach links in Axialrichtung gesehen, wobei die Bezügslinie X eine Durchmesserlinie ist, welche senkrecht zur Drehachse des Rotors 4 steht und diese schneidet. In entsprechender Weise ist die Bezugslinie.Z eine zur Drehachse des Rotors M- senkrecht stehende und diese schneidende Radiallinie. Die Linie 6-6, welche dem in Fig. 6 dargestellten Querschnitt entspricht, verläuft durch die Symn.etrieach.se der Elemente 53-56 einer Düse und gibt damit eine Bezugslinie, für die Projektion des durch diese Düse abgegebenen Strahls vor. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, bildet die Linie 6-6 einen Winkel von angenähert 57 mit der durch, den Düsenauslaß verlaufenden Radiallinie Z und bildet einen Winkel von angenähert 3 3° mit einer in Tangentialrichtung, d.h. senkrecht zur Linie Z durch den Düsenauslaß verlaufenden Linie Y. Wie sich somit ersehen läßt, hat der von dieser Düse abgegebene Strahl eine Geschwindigkeitskomponente in Tangentialrichtung und in Radialrichtung nach außen. Sämtliche Düsenvorrichfcungen sind in gleicher Weise aufgebaut, wobei hier der Einfachheit halber nur eine einzige Vorrichtung beschrieben ist.

10 98 5 1/12 3 6

Aus Fig. 6 ist ersichtlich, daß die Symmetrie1inie, d.h. die Richtung des Düsenstrahls, einen Winkel von angenähert 2 5 mit einer zur Drehachse des Rotors 4 senkrechten Ebene einschließt. Somit hat der von jeder Düse abgegebene Strahl außerdem eine axiale Geschwindigkeitskomponente.

Die Beschreibung der Figuren 4-6 macht ersichtlich, daß der in Fig. 3 dargestellte Axialquerschnitt in die Symmetrieachse der Düsen 4 9 gelegt ist,, um die Zuordnung der Düsen-" vorrichtungen 4 9 mit einer Ringkammer 4 8 und dem Laufrad 13 der ersten Stufe klarer zu zeigen.

Der erfindungs-gemässe Verdichter läßt sich in Standardausführung ohne Leistungsrekuperation herstellen, wobei er
im Zeitr.'-nkt der Bestellung oder zu einem beliebigen späteren Zeitpunkt auf Leistungsrekuperation umgestellt werden kann* Jedoch, auch in der Standardausführung ist die
ringförmige Äuslaßkammer 42 der dritten Stufe durch einen in dem Gußteil des Verdichtergehäuses 7 ausgebildeten
Kanal, der z,u der Ringkammer 47 führt, mit der Ringkammer 48 verbünden, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist. Somit, erfolgt bei der Standardausführung des Verdichters ohne
Leistungsrekuperation eine Rückführung von unter hohem
Druck stehendem Gas zur Ringkammer 48, von der das Gas
nicht entweichen kann, so daß sich keine Auswirkungen auf die Ausgangsleistung des Verdichters ergeben. Durch diese Rückkopplungskanäle und -kammern werden die Herstellungs-

10 9 851/1236

kosten der Verdichtergrundausführung nicht in nennenswerter Weise .erhöht, gleichzeitig wird jedoch die Umstellung auf Leistungsrekuperation zu einem beliebigen Zeitpunkt wesentlich vereinfacht, indem es nicht erforderlich ist, nachträglich äußere Leitungen anzubringen.

Zur Umstellung des Verdichters auf Leistungsrekuperation müssen, lediglich die Mutter und die Beilagscheibe an dem Bolzen 34 abgenommen und das Leitrad 2 2 und der Radkranz 2 3 ausgebaut werden. Die Lagerung des Rotors 4 oder der anderen Elemente der Tronunelanordnung werden dadurch in keiner Weise berührt. Der Radkranz 23 wird nach dem Ausbau entsprechend der Darstellung der Figuren 4 - 6 ausgebohrt und dann mit den Düseneinsätzen 56 bestückt, bei denen es sich um konvergierende Düsen handelt. Anschließend werden der Zahnkranz 23, das Leitrad 22 und die Beilagscheiben für die Bolzen 34 wieder eingesetzt. Der beim Guß in dem Gehäuse 7 ausgebildete Kanal verbindet die Ringkammer 42 mit-der Ringkammer 47. Zum Einsetzen des Ventils 51 ist dieser Kanal zugänglich, indem entsprechende Einlaß- und Ausiaßbohrungen und eine mittlere Stopfenbohrung angebracht wird, wobei vermittels der Stopfenbohrung der Durchgang von Gas durch den Kanal gesperrt wird, während das Ventil 51 zwischen Einlaß- und Auslaßbohrung eingesetzt wird. Weiterhin kann die Verdichterstandardausführung auch mit nur kurzen Kanälen in dem Gehäuse 7 versehen sein, die bereits beim Guß ausgespart sind und jeweils in Verbindung

10 9 8 51/12 3 6

- Ib -

mit den Ringkammern 42 und 47, jedoch nicht miteinander in Verbindung stehen. Bei dieser abgeänderten Ausführungsform besteht keine Verbindung zwischen den Kammern 4 2 und 47 in der Verdichterstandardausführung ohne LeistungsrekUperation. Die Anbringung des Ventils bei der Umstellung erfolgt dann in der Weise, daß diese Kanäle getrennt angebohrt werden und das Ventil zwischen die Bohrungen .eingesetzt wird. ^ In jedem Falle stellen die bereits beim Guß mit ausgebildeten InnenkanäLe für die Leistungsrekuperatibn ein wichtiges Merkmal der erfindungsgemässen Maschine dar, wobei das Ventil 51 jeweils .entsprechend der vorstehenden Beschreibung eingebaut werden kann.

Beim Anlauf des Verdichters wird der Elektromagnet 5 2 selbsttätig stromlos gemächt, so daß das Ventil 51 in der (jffnungsstellung gehalten wird. Somit steht der Ausgang der letzten Stufe über die Rückkopplungsleitung So mit den Kammern 42, 47, 48 in Verbindung mit den Düsenvorrichtungen 49, so daß unter hohem Druck stehendes Gas in einem Strahl gegen die äußeren Schaufelspitzen des Laufrades 13 'gerichtet wird. Auf diese Weise arbeitet das Laufrad 13 teilweise als Turbine und gleichzeitig als erste Stufe eines mehrstufigen Verdichters. Somit wird der Druck auf der Auslaßseite verringert, während in der ersten Stufe Leistung aufgrund der Turbinenwirkung zurückgewonnen wird, so daß der Gesamtleistungsbecarf des Verdichters während des Anlaufe wesent-

1 09 3 5 1/1236

lieh verringert ist. Da bei einem Antrieb im allgemeinen ■der ,größte Leistungsbedarf während des Anlaufs auftritt, ergibt sich bei diesem Verdichtersystem der Vorteil, daß ein kleinerer und leistungsschwächerer Antrieb verwendet werden kann.

Während des normalen Betriebs des Verdichters ergeben sich Zeitspannen, in denen der Bedarf an verdichtetem Gas geringer ist oder zeitweise kein verdichtetes Gas benötigt wird. Das Stillegen und erneute Anlaufen eines Verdichters während dieser Zeitspannen ist höchst unerwünscht, so daß in an sich bekannter Weise selbsttätig auf Druck ansprechende Ventile vorgesehen werden, welche den Verdichterauslaß zur freien Atmosphäre hin entlüften, um die Leistungsaufnahme zu verringern. Während dieser Zeitintervalle spricht das erfindungsgemäß vorgesehene Ventil 51 auf den dabei · erfolgenden Druckanstieg an und führt unter hohem Druck stehende Gase der ersten Stufe zu, wodurch die oben beschriebene Turbinenwirkung erhalten wird, durch welche der Leistungsbedarf in gleicher Weise wie bei einem Abblasventil verringert wird, jedoch zusätzlich eine weitere Leistungsaufnahme-'Verringerung infolge der in der Turbine rückgewonnenen Leistung erfolgt.

Wenn während des normalen Betriebs ein Stromausfall auftreten sollte, durch den das ganze Verdichtersystem infolge des Ausfalls der verschiedenen Steuerungen in Gefahr gebracht

10 9 8 5 1/12 3 6

BAD ORIGINAL

werden könnte, wird der Elektromagnet 52 selbsttätig abgeschaltet , so daß das Ventil 51 selbsttätig in die Öffnungsstellung kommt und den Druck an der Auslaßseite des Verdichters verringert, so daß unzulässig hohe Drücke vermieden werden.

Da zur Erzielung der Turbinenwirkung nur die Schaufelspitzen des Laufrades 13 verwendet werden, kann das Laufrad für Verdichterbetrieb mit hohem Wirkungsgrad ausgelegt sein. Entsprechend der bevorzugten Ausfuhrungsform hat das Laufrad einen radial verlaufenden Einlaßrand, einen axial verlaufenden Auslaßrand und einen doppelt gekrümmten Zwischenrand, der sich daraus ergibt, daß die entsprechenden Einlaß- und Auslaßränder in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sind. Bei dieser Schaufelformgebung verläuft der Spitzenabschnitt jeder Schaufel im allgemeinen radial und eignet sich in Verbindung mit der in den Figuren 4-6 dargestellten Düsenanordnung sehr gut als Turbinenschaufel.

- Patentansprüche -

■10 9 8 5 1/12 3 6

BAD ORIGINAL

Claims

- 13 - :. . P. a tent a η s p. r ü c h ύ

1.) Mehrstufiger Verdichter mit Leistuhgsrekuperation, bestehend aus einem ersten Kreisellaufrad mit offenen Schaufein und Einlaß und Auslaß, einem zweiten Kreisellaufrad mit offenen Schaufeln und Einlaß und Auslaß, einer Antriebsvorrichtung für die Laufräder und die Laufräder miteinander verbindenden Vorrichtungen, wobei der zweite Laufradteil einer höheren Druckstufe als das erste Laufrad zugeordnet ist, gekennzeichnet durch einen Gasrückkopplungskanal (5o) zur Aufnahme von unter hohem Druck stehendem Gas am Ausgang des zweiten Laufrades (14) und eine Turbinendüsenvorrichtung (49), der das unter hohem Druck stehende Gas über den Gasrückkopplungskanal zuführbar und durch, die das Gas unmittelbar gegen das erste Laufrad (13) ab- ■ gebbar ist. -

2. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Laufrad (13) an seinem Umfang eine Vielzahl von Schaufeln mit Einlaßrändern, Auslaßrändern und zwischen diesen verlaufenden freien Rändern aufweist, wobei durch die Turbinendüsenvorrichtung (49) das unter hohem Druck stehende Gas zwischen den Einlaß- und den Auslaßrändern gegen die freien Ränder gerichtet ist.

3. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas durch die Turbinendüsenvorrichtung in bezug

ΛΟ9851/1236 BAD ORIGINAL

- 2ο -

auf die Drehachse des ersten Laufrades mit einer tangentialen Geschwindigkeitskomponente in Drehrichtung, einer nach außen gerichteten radialen Geschwindigkeitskomponente und einer zu dem ersten Laufrad hin gerichteten axialen Geschwindigkeitskomponente abgebbar ist.

4. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinendüsenvorrichtung eine Vielzahl in gleichförmigen Abständen auf einem Umfang um die Drehachse cfes ersten Laufrades angeordnete konvergierende Düsen (56) aufweist.

5. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar neben dem ersten Laufrad (13) ein feststehender Radkranz (2 3) mit einer dem ersten Laufrad zugewandten Innenfläche und einer dem ersten Laufrad abgewandten Außenfläche angeordnet ist, und daß die Turbinendüsenvorrichtung einen von der zweiten zu der ersten Oberfläche durch den Radkranz durchgeführten Kanal und einen innerhalb des Kanals fest angeordneten Einsatz (56) mit einer konvergierenden Düse (49) aufweist.

6. Verdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Kanälen und Düseneinsätzen in gleichförmigen gegenseitigen Abständen um den Umfang des Radkranzes herum verteilt angeordnet sind.

BAD ORIGINAL 109851/1236

7. Verdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal aus einer von der zweiten Oberfläche nach innen geführten ersten Bohrung und einer von der ersten Oberfläche nach außen geführten zweiten Bohrung (5 5) von kleinerem Durchmesser als die erste Bohrung besteht, und der Düseneinsatz (56) zwischen diesen Bohrungen angeordnet ist.

8. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ' daß für jede Stufe ein getrenntes Leitrad (22, 25, 28), ein getrennter Radkranz (23, 26, 29) und ein getrennter Diffusor (24, 27, 3o) vorgesehen ist, wobei diese Teile in Axialrichtung hintereinander liegende Leitvorrichtungen für das Gas bilden, und daß das Leitrad und der Radkranz für das erste Laufrad zwischen sich eine Ringkammer (48) bilden, die in Verbindung mit der Turbinendüsenvorrichtung steht.

9. Verdichter nach'Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (7) eine innere Zylinderbohrung (16) aufweist, welche die Leiträder in Radialeingriff hält, das Gehäuse und das Leitrad (22) des ersten Laufrades (13) im Gußteil ausgebildete Kanäle (38) aufweisen, welche einen Teil des Rückkopplungskanals bilden, und daß das Leitrad (25) des zweiten Laufrades (14) und das Gehäuse (7) im Gußteil ausgebildete Kanäle (41) aufweisen, die wenigstens ' einen Teil des Rückkopplungskanals für das

109 8 51/1236

Gas bilden.

10. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gasrückkopplungskanal eine wahlweise betätigbare Ventilvorrichtung (51) vorgesehen ist, welche dazu dient, beim Anlaufen des Verdichters Gas durch den Rückkopplungskanal durchzulassen.

11. Verdichter nach Anspruch Io, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilvorrichtung einen in der Schließstellung erregten Elektromagneten (52) aufweist.

12. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gasrückkopplungskanal eine auf Druck ansprechbare Ventilvorrichtung (51) vorgesehen ist, die auf einen Druck oberhalb eines bei Lastverringerung auftretenden vorbestimmten Druckwertes ansprechbar ist, um den Gasrückkopplungskanal zu öffnen.

109851/1236