DE4321173A1 - Kältemittel-Turboverdichter - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Kältmittel-Turboverdichter, vorzugsweise radialer Bauart, für die
Verdichtung von Wasserdampf unter Vakuumbedingungen, der eine Vielzahl von Schaufeln
besitzt.
Auf der aus Umweltschutzgründen dringend erforderlichen Suche nach neuen Kältemitteln ist
Wasser eine beachtenswerte, bisher aber wenig genutzte Alternative. Der physikalische Prozeß
ist schon seit sehr langer Zeit bekannt. So hat z. B. der Schotte W. Cullen im Jahre 1755 Wasser
mit Hilfe einer Vakuumpumpe zum Verdampfen gebracht und damit eine mechanische
Kälteerzeugung realisiert.
Seit Jahrzehnten ist der Einsatz von Wasser als Kältemittel im Zusammenhang mit Absorptions-
und Dampfstrahlkälteanlagen bekannt. Ebenfalls sind seit langer Zeit Anlagen zur
Brüdenverdichtung bekannt, bei denen Wasserdampf zum Zweck der Heizdampfgewinnung
vorwiegend durch Turbokompressoren radialer Bauart verdichtet und damit auf ein höheres
Energieniveau gehoben wird. Diese Arbeitsmaschinen sind jedoch für Kälteanlagen mit dem
Arbeitsstoff Wasser nicht wirtschaftlich einsetzbar, da sich die Temperaturbereiche beider
Einsatzfälle wesentlich unterscheiden. Bei der Brüdenkompression liegen die
Verdichteransaugtemperaturen im Bereich von ca. 80 . . . 120°C. Bei Kälteanlagen mit Wasser als
Kältemittel sind Ansaugtemperaturen zwischen 0 . . . 50°C erforderlich. Diese Temperaturen
werden zwar auch mit Dampfstrahlkälteanlagen erreicht, jedoch mit geringerer Energieeffektivität
als bei Kälteanlagen mit mechanischer Verdichtung. Die Dichte des Wasserdampfes bei
Kälteanlagen ist bis zu 3 Zehnerpotenzen kleiner als die bei der Brüdenverdichtung und auch bei
der Verdichtung von klassischen Kältemitteln. Auf Grund der außerordentlich geringen Dichte des
Wasserdampfes müssen in Kälteanlagen sehr große Volumenströme gefördert werden. Zusätzlich
sind verfahrenstechnisch bedingt Druckverhältnisse von ⊕∼5 erforderlich.
Verdrängerverdichter, wie z. B. bekannte Schraubenverdichter, erreichen zwar das erforderliche
Druckverhältnis, sind aber im maximalen Fördervolumenstrom stark begrenzt und wesentlich zu
teuer. Strömungsverdichter, z. B. Turboverdichter radialer Bauart, erreichen einstufig für die
Bedingungen von Kälteanlagen nicht das geforderte Druckverhältnis. Diese Verdichter sind teuer,
da sie fast immer für die Verdichtung von Gasen oder Dämpfen wesentlich höherer Dichte (z. B.
Luft) konzipiert und damit für vergleichsweise erheblich höhere spezifische Antriebsleistungen
ausgelegt wurden.
Die Schaufeln bekannter Radiallaufräder werden mit der Tragscheibe üblicherweise durch
Schweißen oder Nieten verbunden, wobei die Niete durch die Schaufel gesteckt oder angefräst
sein können. Mit großer Schaufelzahl und Schaufelbreite, dem für die Wasserdampfverdichtung
zutreffenden Fall, wachsen die Schwierigkeiten, weil der Strömungsquerschnitt durch die
Schaufeln versperrt, die Tragscheibe geschwächt und beim Schweißen das Gefüge verändert wird.
Mechanisch hochbelastete Radialverdichterlaufräder (Grenzleistungslaufräder) werden vorwiegend
aus Stahl oder Duraluminium gegossen, geschmiedet und durch Fräsen bearbeitet und bestehen
somit aus einem Stück. Zur Erzielung eines stoßfreien Eintritts haben sich das Umbiegen des
Schaufeleintrittsbereiches in Umfangsrichtung oder die Verwendung eines meist gegossenen
Vorsatzläufers bewährt. Diese Vorsatzläufer bilden den Schaufeleintrittsbereich, haben einen im
Verhältnis zum Außendurchmesser kleinen Durchmesser und sind deshalb vergleichsweise wenig
mechanisch belastet. Die sich anschließende radiale Schaufel (Radialfaserschaufel) ist hinsichtlich
Festigkeit allen anderen überlegen. Sie wird dort eingesetzt, wo bei großen Druckverhältnissen
eine große statische Druckerhöhung bei kleinsten Abmessungen und ohne besonders hohe Wir
kungsgrade gefordert werden. Ausgeführt werden Umfangsgeschwindigkeiten bis 600 m/s.
Der Einsatz von Faser-Verbundstoffen ist bei Laufrädern von Ventilatoren und von Schaufeln von
Axialventilatoren und Schiffspropellern bekannt. Diese Ausführungsformen sind jedoch nur für
Umfangsgeschwindigkeiten bis max. 100 m/s geeignet und kommen deshalb für
Grenzleistungsverdichter nicht in Frage.
Für die Wasserdampfverdichtung im kältetechnisch relevanten Temperatur- und Leistungsbereich
sind spezielle Turboverdichter erforderlich, die große Volumenströme bei hohen
Druckverhältnissen fördern können, eine hohe Energieeffektivität aufweisen und preislich
gegenüber herkömmlichen Kältemittelverdichtern konkurrenzfähig sind.
Bei Turboverdichtern radialer Bauart für Wasserdampfkältemaschinen großer Leistung treten auf
Grund der außerordentlich hohen Umfangsgeschwindigkeiten (im Bereich um 500 m/s) sehr hohe
Zentrifugalkräfte auf. Diese sind für das Laufrad die Hauptbelastung, da die Kräfte, die auf das
Fördermedium übertragen werden müssen, vergleichsweise niedrig sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, das Laufrad eines radialen Turboverdichters so zu gestalten, daß
bei der geringen Dichte des Fördermediums, vorzugsweise Wasserdampf, die notwendig hohen
Volumenströme bei den erforderlichen Druckverhältnissen gefördert werden können und daß die
sich aus den hohen Umfangsgeschwindigkeiten ergebenden Festigkeitsprobleme effektiv gelöst
werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst. Dadurch wird
erreicht, daß Turboverdichter hergestellt werden können, die den o. g. technischen Forderungen
entsprechen. Durch die erreichbaren höheren Druckverhältnisse reichen für alle kältetechnischen
Anwendungsfälle mit Verdampfungstemperaturen ≧ 0°C einstufige bzw. max. zweistufige
Turboverdichter radialer Bauart aus. Das führt neben der möglichen Leichtbaukonstruktion zu
einer wesentlichen Verbilligung des Verdichters gegenüber herkömmlichen Konstruktionen, deren
Laufräder aus Edelstahl oder auch Titan gefertigt sind. In der Folge ergeben sich weitere
Einsparungen dadurch, daß der Turboverdichter direkt angetrieben werden kann und kein
kostenaufwendiges Getriebe erforderlich ist.
An nachfolgenden Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert:
Fig. 1 zeigt den Axialschnitt eines erfindungsgemäßen Laufrades,
Fig. 2 zeigt die axiale Ansicht einer Schaufel mit Laufradsegment,
Fig. 3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform einer Schaufel mit axial und radial
angeordneten schaufeltragenden Elementen.
Gemäß den Abbildungen sind die Schaufeln 1 mit Laufradsegementen 2 verbunden, die nach dem
Zusammenfügen der Segmente die Tragscheibe des Laufrades bilden. In Fig. 1 ist dargestellt, daß
an den Laufradsegmenten 2 Ansätze 3 vorhanden sind, die der form- und kraftschlüssigen
Befestigung an den schaufeltragenden Elementen 4 dienen. Die schaufeltragenden Elemente 4
sind in Fig. 1 als Tragringe ausgebildet.
Die Verbindungslinie zwischen der Schaufel 1 und dem Laufradsegment 2 ist, wie aus Fig. 1
ersichtlich, rein radial, oder in Umfangsrichtung verschoben, wie in Fig. 2 dargestellt.
Die auf die Schaufeln 1 wirkenden Zentrifugalkräfte werden über die Ansätze 3 von den
Laufradsegmenten 2 auf die schaufeltragenden Elemente 4, 5 und auf die Nabe 6 übertragen.
Die Verbindung des innenliegenden schaufeltragenden Elementes 4 mit der Nabe 6 erfolgt
ebenfalls kraft- und formschlüssig. Mit dem äußeren schaufeltragenden Element 5 wird eine
Justierung der Laufradsegmente 2 vorgenommen.
Das Verstärkungsmaterial aus Kohlenstoffasern ist in den Schaufeln 1 und den Laufradsegmenten
2 radial und in den schaufeltragenden Elementen 4 und 5 in Umfangsrichtung orientiert. Die
Ansätze 3 an den Laufradsegmenten 2 enthalten ebenfalls Verstärkungsmaterial.
In nicht dargestellter Weise können die Schaufeln 1 und die Laufradsegmente 2 in Elemente
unterteilt sein.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines radialen Kältemittelturboverdichters im
Axialschnitt. Die Schaufeln 1 sind mit den Laufradsegmenten 2 verbunden. Die Laufradsegmente
2 haben Ansätze 3, über die sie kraft- und formschlüssig mit der Nabe 6 verbunden sind. Die
schaufeltragenden Elemente 4 sind zum Teil axial nebeneinander und zum Teil radial übereinander
angeordnet. Das Verstärkungsmaterial liegt in den Schaufeln 1 und in den Laufradsegmenten 2
der Beanspruchung entsprechend, vorzugsweise radial und in den schaufeltragenden Elementen 4
in Umfangsrichtung. In den Ansätzen 3 und in dem sich von der Nabe bis zum
Laufradaußendurchmesser erstreckenden schaufeltragenden Element sind die Fasern
beanspruchungsgerecht sowohl radial als auch in Umfangsrichtung orientiert.
In nicht dargestellter Weise können die Laufradsegmente 2 auch so unterteilt werden, daß
Elemente davon eine durchgehende Scheibe bilden.
Claims (8)
1. Kältmittel-Turboverdichter, vorzusweise radialer Bauart, für die Verdichtung von
Wasserdampf unter Vakuumbedingungen, der eine Vielzahl von Schaufeln besitzt, dadurch
gekennzeichnet, daß das Laufrad aus Schaufeln bzw. Schaufelelementen, Laufradsegmenten,
schaufeltragenden Elementen und der Nabe zusammengesetzt ist und daß diese Teile in ihrer
Gesamtheit oder einzeln aus polymerem Verbundmaterial, dessen Verstärkungsmaterialien
vorzugsweise Kohlenstoffasern sind, bestehen und daß die sich radial erstreckenden Elemente
einzeln mit der Nabe verbunden sind.
2. Kältemittel-Turboverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Teilen das
Verstärkungsmaterial, vorzugsweise Kohlenstoffasern, beanspruchungsgerecht im
Verbundwerkstoff eingebettet ist.
3. Kältemittel-Turboverdichter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
Verstärkungsmaterial an den Verbindungsstellen zum Zwecke des Verbindens aus dem
Verbundwerkstoff herausragt.
4. Kältemittel-Turboverdichter nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß im
Fußbereich der Schaufeln Einlegeteile zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung
zwischen Schaufel und Nabe vorhanden sind, um die das Verstärkungsmaterial herumgelegt
wird.
5. Kältemittel-Turboverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das radial
geführte Verstärkungsmaterial einer Schaufel oder eines Laufradsegementes ohne
Unterbrechung zum jeweils gegenüberliegenden Bauteil geführt wird.
6. Kältemittel-Turboverdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern des
Verstärkungsmaterials im Bereich der Drehachse gekreuzt sind.
7. Kältemittel-Turboverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als
schaufeltragende Elemente ein oder mehrere Ringe axial und/oder radial angeordnet sind, mit
denen die Schaufeln bzw. Schaufelelemente und Laufradsegemente befestigt werden.
8. Verfahren zur Verbindung der Schaufeln bzw. Laufradsegmente mit der Nabe, gekennzeichnet
durch folgende Verfahrensschritte
- - Laminieren und Aushärten der Bauteile des Laufrades in der Weise, daß an den jeweiligen Verbindungsstellen Fasern des Verstärkungsmaterials herausragen,
- - Zusammenfügen der vorgefertigten Bauteile derart, daß sich die herausragenden Fasern an den Verbindungsstellen mit dem Verstärkungsmaterial der Nabe kreuzen,
- - Aushärten des Laminates der Nabe zusammen mit den Fasern des Schaufelfußes.
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