EP2569542B1 - Mehrstufiger getriebeverdichter - Google Patents

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EP2569542B1
EP2569542B1 EP11723318.9A EP11723318A EP2569542B1 EP 2569542 B1 EP2569542 B1 EP 2569542B1 EP 11723318 A EP11723318 A EP 11723318A EP 2569542 B1 EP2569542 B1 EP 2569542B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
compressor
gear
stage
process stage
integrally geared
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP11723318.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2569542A1 (de
Inventor
Dieter Nass
Lars Schlüter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2569542A1 publication Critical patent/EP2569542A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2569542B1 publication Critical patent/EP2569542B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F04D25/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F04D25/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D25/028—Units comprising pumps and their driving means the driving means being a planetary gear
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F04D25/16—Combinations of two or more pumps ; Producing two or more separate gas flows
    • F04D25/163—Combinations of two or more pumps ; Producing two or more separate gas flows driven by a common gearing arrangement

Definitions

  • the invention relates to a multi-stage transmission compressor with a first process stage, a second process stage and a transmission via which the two process stages are coupled to each other at different speeds, wherein the transmission with a compressor speed of a third speed, which is different from the speeds of the process stages, with coupled to the two process stages.
  • Transmission compressors are used for compressing air or chemical gases, for air separation, in metallurgy and in other processes.
  • the air or other gases which are also referred to as air in the following, is compressed in the first process stage to a first pressure, then fed to the second process stage, where it is compressed to a second and higher pressure.
  • the gear compressor is equipped with a gear that couples the two process stages with different speeds.
  • the drive can be both an electric motor and a turbomachine, for example a steam turbine or a gas turbine.
  • the invention is based on the consideration that for air compression a process stage speed of well above 1000 U / min is needed to compress a very large volume of air with high efficiency can. If an electric motor is used as the compressor drive, then - in order to be able to be coupled rigidly directly to one of the two wheels - it would have to be a very fast-running electric motor which has, for example, a frequency converter. Such an electric motor is expensive.
  • the transmission converts the speed of the compressor drive, so the compressor drive shaft to a suitable speed for a process stage, in particular for the first process stage.
  • a relatively low speed of the compressor drive can be translated to a higher second speed of the first process stage and to an even higher third speed of the second process stage.
  • Both the compressor drive and the two process stages can be operated at an optimum speed for each, so that the transmission compressor can be operated with a simple drive, for example a simple electric motor, with high efficiency.
  • the gear compressor may be an air compressor or process gas compressor, wherein gases of any kind in the Simplified hereinafter as air.
  • the transmission compressor is a turbo compressor.
  • the compressor drive shaft also called the connection shaft, is used to connect to a compressor drive, that is, to transfer the complete from the drive drive in the gear compressor registered drive power.
  • One process stage is a radial compressor stage with an impeller, e.g. in the construction of an overhang stage, as usual in transmission compressors, or more on a shaft successively arranged wheels between two shaft bearings.
  • a second process stage is an axial compressor stage that includes one or more axial bluff rows rotating on a shaft.
  • both an impeller of a radial compressor stage and a rotating blading row of an axial compressor stage are referred to as a paddle wheel.
  • Each of the two process stages is equipped with at least one paddle wheel.
  • the speed of a process stage is the speed of the at least one paddle wheel.
  • the paddle wheels of the two process stages are coupled to each other at different speeds.
  • a process stage is characterized by an inlet, eg an inlet port, and an outlet, eg an outlet port. It may comprise one or more paddle wheels, wherein two radial impellers on a common shaft may also form two process stages, if they each have their own inlets and outlets.
  • a process step can accomplish a work step or a work step in a work process, eg air compression. Two process steps can perform two steps in a single work process, or two work steps in two separate work processes. The two process stages can compress the same air in succession to different pressures. For this purpose, the two process stages are expediently designed differently in shape and / or size.
  • the process stages and the transmission are arranged in a single compressor housing and are enclosed by this.
  • the compressor housing expediently comprises a plurality of pressure chambers which are closed off from one another, wherein the first process stage, the second process stage and the transmission can be delimited from one another in a pressure-tight manner.
  • the transmission comprises a planetary gear.
  • a planetary gear With the help of a planetary gear high forces connected with high speeds can be transmitted stable and long-term reliable.
  • a particularly effective arrangement of the planetary gear in the entire transmission can be achieved if the sun gear is arranged centrally in the transmission, so in particular centrally symmetrical to the drive shafts of the two process stages. Particularly advantageous is an aligned arrangement of the sun gear with the shaft of the first process stage.
  • the compressor drive shaft is coupled via the planetary gear with the two process stages.
  • the drive energy of both process stages can be passed through a single planetary gear, making this efficient.
  • the compressor drive shaft is guided centered to the planetary gear, with an aligned arrangement of the compressor drive shaft with the axis of the sun gear is advantageous.
  • the sun gear is fixed to the housing, that is fixed to the transmission housing, the housing of the transmission compressor, the housing of a drive, so for example a motor housing, or fixed to another stationary to the housing of the gear compressor element.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the first process stage is rigidly connected to a ring gear of the planetary gear. This symmetrical arrangement of the first process stage to the planetary gear a stable transmission of high forces on the process stage, ie on the impeller or paddle wheels can be achieved.
  • a speed of the compressor drive shaft is suitably converted to a different, in particular higher speed of the first process stage to this.
  • These two speeds are expediently at the planet carrier and the ring gear of the planetary gear.
  • the transmission in addition to the planetary gear comprises a spur gear.
  • the shaft of the second process stage is expediently the pinion shaft of a pinion of the spur gear. It can be a simple and effective power transmission by rolling the pinion shaft or the pinion on the ring gear of the planetary gear can be achieved.
  • An effective connection between the planetary gear and the spur gear can be achieved when the ring gear of the planetary gear is rigidly connected to a spur gear of the spur gear.
  • the large gear of the spur gear is in this case formed by the planetary gear, or by the ring gear of the planetary gear.
  • the transmission includes a spur gear with a large gear, wherein the first process stage is arranged symmetrically to the large wheel. This also makes it possible to execute the first process stage as a central Axialverêtresti.
  • the use of an axial compressor stage is selected as the first process stage for compressing particularly high air flows, in particular in a range above 500,000 m 3 / h. Air can be sucked in through a large-volume axial inlet and effectively compacted in large volumes.
  • a mechanically particularly resilient and compact arrangement of the gear compressor can be achieved if the first process stage, that is, for example, the blading of the first and executed as axial compressor stage process stage, is rigidly coupled to the large wheel.
  • the second process stage is a radial compressor stage, so an effective compression can be achieved to a high final pressure.
  • the volume flow exiting from the first process stage can be fed to an intercooler, which is arranged in the air flow path between the two process stages.
  • the gear compressor expediently comprises an air outlet from the first process stage out of the gear compressor and an air inlet into the gear compressor in to the second process stage, so that a cooler can be connected to the air inlet and the air outlet.
  • the compressed air in the first process stage is led through the cooler to the recooling and arrives after the successful recooling in the second process stage. It is also possible to arrange the cooler within the compressor housing.
  • the first process stage is an axial compressor stage, it is advantageous if the volume flow compressed by it can be divided into a plurality of second process stages whose processing volume is smaller.
  • a plurality of radial compressor stages can be used in parallel as second process stages.
  • the volume flow exiting from the first process stage and already pre-compressed is subdivided into a plurality of volume flows for recompression into a plurality of second process stages.
  • the gear compressor advantageously comprises a plurality of parallel used second process stages, each with separate drive shafts.
  • Each of the second process stages is expediently each a radial compressor stage with an impeller in overhang construction.
  • the second process stages can be distributed symmetrically around a gear center, so that a symmetrical and thus robust power distribution in the transmission takes place.
  • FIG. 1 shows a gear compressor 2 in a sectional and schematic representation.
  • the gear compressor 2 comprises a first process stage 4 in the form of an axial compressor stage or an axial compressor with an axial blading 6 indicated only schematically, which can be single-row or multi-row, that is, can comprise one or more paddle wheels connected to one another on a common shaft and rigidly connected to one another.
  • the transmission compressor 2 has two second process stages 8 each in the form of a radial compressor stage or a radial compressor, each with a radial impeller 10 indicated only schematically.
  • the three process stages 4, 8 are connected to each other via a gear 12, which comprises a planetary gear 14 and a spur gear 16. Both process stages 4, 8 and the transmission 12 are arranged in a compressor housing 18, which encloses these elements.
  • the transmission 12 is disposed within the compressor housing 18 in a transmission housing 20.
  • the compressor housing 18 is subdivided into a plurality of pressure-tight separated chambers, wherein the first process stage 4 and both second process stages 8 are pressure-tightly separated from each other.
  • the transmission 12 is also pressure-tight in its gear housing 20 separated from the process stages 4, 8, so that no compacted or uncompressed process gas enters the transmission housing 20. It is also possible that the gear housing 20 is at least piece-wide outside and so forms part of the compressor housing 18.
  • a radiator 22 is placed outside of the compressor housing 18, and it is equally possible to accommodate the radiator 22 within the compressor housing 18. Also outside the compressor housing 18, a drive 24 is arranged to drive the gear compressor 2, which may be an electric motor, a steam turbine, a gas turbine or other suitable drive 24.
  • the gear compressor serves to compress air, which is sucked in through the inlet 26 of the first process stage 4, compressed by the axial blading 6 to a first pressure of, for example, 3.96 bar and supplied to the cooler 22.
  • the compressed volume flow is in this embodiment, for example, 800,000 m 3 / h.
  • the air heated by the compression is cooled down in the cooler 22 and leaves the cooler 22 at a pressure of eg 3.87 bar and is supplied to the two radial impellers 10 of the second process stage 8, as indicated by arrows 28.
  • the two air streams are recompressed to 8.67 bar each and leave the gear compressor 2 through corresponding outlets 30 volumes and pressures are adaptable to a wide variety of requirements by appropriate structural dimensions and speeds in many areas.
  • FIG. 2 The distribution of the air pre-compressed in the first process stage 4 to two air streams into the two second process stages 8 is shown in FIG FIG. 2 shown schematically.
  • the air compressed by the axial blading 6 is forced radially outward into an air distribution system 32, as indicated by arrows 34.
  • the pre-compressed air is distributed in equal parts on two flow channels 36, the air in each case to a Cooling element 38 of the radiator 22 lead.
  • the pre-compressed air from the single-stage axial compressor on the two centrifugal compressor of the two second process stages is divided equally.
  • the compressor drive 24 via a compressor drive shaft 40 is indirectly ( Fig. 1 ) or immediately ( Fig. 3 ) connected to the planetary gear 14.
  • the gear compressor 2, 42 is shown from above, the two cooling elements 38 are respectively laterally or below the transmission 12th
  • the sun gear 44 is held fixed to the housing. It is connected via a Sonnenradachse 46 fixed to the transmission housing 18.
  • the gear 48 meshes with an overlying gear 50 which is rigidly connected to the planet carrier 52 of the planetary gear 14.
  • the two number wheels 48, 50 form another spur gear whose transmission ratio can be adjusted according to the given requirements of the gear compressor 2.
  • the drive 24 drives the compressor drive shaft 40 at a speed of, for example, 1,000 rpm. This speed is translated to 1500 rpm of the gear 50 and thus of the planetary carrier 52.
  • the planet carrier 52 drives with its planetary gears 54 through the fixed housing sun gear 44 a ring gear 56 which rotates at a speed of 3,400 rev / min.
  • the ring gear 56 is connected via an Axialradwelle 58 with the Axialbeschaufelung 6 and drives it at a speed of 3400 U / min.
  • the ring gear 56 replaces or forms the large gear 60 of the Helical gear 16, wherein the ring gear 56 may be provided with an internal toothing for the planetary gears 54 and with an external toothing for spur gears 62 of the spur gear 16.
  • the ring gear 56 is mounted on a flange which forms the large gear 60 for the spur gear 16.
  • the large gear 60 and the flange rotate at the same speed as the ring gear 56.
  • the two spur gears 62 are driven at a speed of 9,400 U / min. Due to the rigid coupling of the spur gears 62 with the pinion shafts 64 of the radial impellers 10 with which they are rigidly coupled, the speed of 9,400 rpm is transmitted to the radial impellers 10. This high speed results in a performance-optimized compression of the air to the final pressure.
  • one or more third process stages are conceivable in addition to the two second process stages 8. Every third process stage is driven via a pinion or spur gear, which meshes with the large gear 60 analogously to the spur gears 62.
  • the further spur gears can have a different number of teeth than the spur gears 62, so that the third process stage or the third process stages can be driven at a different speed to the second process stage or the second process stage. In this way, three process steps can be achieved, each driven at its own speed, each of the three speeds being different from the other two.
  • the sun gear 46 is guided through the gear housing 18 through to the outside. It can be passed through the drive 24 and connected to a stationary element, so that it is held fixed to the housing.
  • the compressor drive shaft 66 is in this case designed as a hollow shaft and extends coaxially about the sun gear axis 46. It transmits the drive speed of the drive and directly to the planet carrier 52nd
  • the Clarradachse 46 is used as a sun gear, which is connected to the drive 24. It may be driven in addition to the planetary carrier 52, wherein the speed of the sun gear axis 46 is different from the speed of the compressor drive shaft 66, when a translation of the speed is to be achieved on the ring gear 56. At the same speed and the ring gear 56 is operated at this speed.
  • the translation to the ring gear 56 can be increased.
  • the applied between the drive 24 and the gear compressor 42 torque can be reduced, in extreme cases, even led to zero.
  • drive member 68 is provided for rotation of the Clarradachse 46 and the other driving part- in this case, the solid drive 24 formed the other drive part - for rotation of the compressor drive shaft 66 and thus the planet carrier 52.
  • Both drive parts 68 are suitably prepared for reverse rotation, so that with them a high speed ratio with twice the half drive power compared to the solitary drive 24 can be achieved.
  • connection of planetary gear 14 with spur gear 16 which is advantageous for the gear compressor 2 arrangement of mutually aligned compressor drive shaft 66 and Axialradwelle 58 is possible, ie a coaxial arrangement, through which a compact and powerful mechanism.
  • the two shafts 58, 66 are arranged centrally symmetrically in the transmission compressor 2.
  • the two radial impellers 10 Centrally symmetrically about the two shafts 58, 66 are arranged. Also possible are more than two radial impellers 10, which are expediently also centrally symmetrical about the two shafts 58, 66 are arranged.
  • the two spur gears 62 of the gear compressor 2, 42 have a different number of teeth, so that the two radial impellers 10 can be operated at different speeds.
  • the two partial air streams can be compressed to a different final pressure. Due to an asymmetrical configuration of the two flow channels 36, the air flow can be distributed to the radial impellers 10 to unequal parts, so that, for example, a smaller current is given to a faster rotating radial impeller 10 for higher compression.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Getriebeverdichter mit einer ersten Prozessstufe, einer zweiten Prozessstufe und einem Getriebe, über das die beiden Prozessstufen mit unterschiedlicher Drehzahl miteinander gekoppelt sind, wobei das Getriebe eine Verdichterantriebswelle mit einer dritten Drehzahl, die von den Drehzahlen der Prozessstufen unterschiedlich ist, mit den beiden Prozessstufen koppelt.
  • Getriebeverdichter werden zum Verdichten von Luft oder chemischen Gasen, zur Lufttrennung, in der Metallurgie und bei weiteren Prozessen verwendet. Die Luft oder andere Gase, die im Folgenden vereinfachend ebenfalls als Luft bezeichnet sind, wird in der ersten Prozessstufe auf einen ersten Druck verdichtet, dann der zweiten Prozessstufe zugeführt, wo sie auf einen zweiten und höheren Druck verdichtet wird.
  • Große Getriebeverdichter, z.B. für moderne Luftzerlegungsanlagen zur Produktion mehrerer tausend Tonnen Sauerstoff pro Tag, müssen hohe Volumenströme mit hohen Wirkungsgraden verdichten. Zum Erreichen eines hohen Wirkungsgrads werden die die Luftverdichtung bewirkenden Prozessstufen mit unterschiedlichen Drehzahlen betrieben, wobei in der Regel die zweite Prozessstufe mit einer höheren Drehzahl betrieben wird als die erste Prozessstufe.
  • Zum Herstellen der unterschiedlichen Drehzahl mit einem einzigen Verdichterantrieb ist der Getriebeverdichter mit einem Getriebe ausgestattet, das die beiden Prozessstufen mit unterschiedlicher Drehzahl miteinander koppelt. Der Antrieb kann sowohl ein Elektromotor als auch eine Turbomaschine sein, beispielsweise eine Dampfturbine oder eine Gasturbine.
  • Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist bereits aus den folgenden Schriften bekannt: US 2007/134111 A1 , US 4 105 372 A , EP 0 653 566 A1 , US 4 047 848 A .
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen mehrstufigen Getriebeverdichter anzugeben, der mit geringem Aufwand und hohem Wirkungsgrad betreibbar ist.
  • Diese Aufgabe wird durch einen mehrstufigen Getriebeverdichter der Eingangs genannten Art gelöst, bei dem zusätzlich die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 vorgesehen sind.
  • Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass zur Luftverdichtung eine Prozessstufendrehzahl von weit oberhalb 1000 U/min benötigt wird, um ein sehr großes Luftvolumen mit hohem Wirkungsgrad verdichten zu können. Wird als Verdichterantrieb ein Elektromotor verwendet, so müsste dieser - um direkt mit einem der beiden Laufräder starr koppelbar zu sein - ein sehr schnell laufender Elektromotor sein, der beispielsweise über einen Frequenzumrichter verfügt. Ein solcher Elektromotor ist kostspielig.
  • Um einen Standardelektromotor verwenden zu können, ist es daher vorteilhaft, wenn das Getriebe die Drehzahl des Verdichterantriebs, also der Verdichterantriebswelle, auf eine für eine Prozessstufe geeignete Drehzahl wandelt, insbesondere für das der ersten Prozessstufe. Hierdurch kann eine verhältnismäßig niedrige Drehzahl des Verdichterantriebs auf eine höhere zweite Drehzahl der ersten Prozessstufe und auf eine noch höhere dritte Drehzahl der zweiten Prozessstufe übersetzt werden. Es können sowohl der Verdichterantrieb als auch die beiden Prozessstufen mit einer für sie jeweils optimalen Drehzahl betrieben werden, sodass der Getriebeverdichter mit einem einfachen Antrieb, beispielsweise einem einfachen Elektromotor, mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden kann.
  • Der Getriebeverdichter kann ein Luftverdichter oder Prozessgasverdichter sein, wobei Gase jeglicher Art im Folgenden vereinfachend auch als Luft bezeichnet werden. Zweckmäßigerweise ist der Getriebeverdichter ein Turboverdichter. Die Verdichterantriebswelle, auch Anschlusswelle genannt, dient zum Verbinden mit einem Verdichterantrieb, also zum Übertragen der vollständigen von dem Verdichterantrieb in den Getriebeverdichter eingetragenen Antriebsleistung.
  • Eine Prozessstufe ist eine Radialverdichterstufe mit einem Laufrad, z.B. in der Bauweise einer Überhangstufe, wie bei Getriebeverdichtern üblich, oder mehreren auf einer Welle hintereinander angeordneten Laufrädern zwischen zwei Wellenlagern. Eine zweite Prozessstufe ist eine Axialverdichterstufe, die eine oder mehrere auf einer Welle rotierende Axialbeschaufelungsreihen umfasst.
  • Zur Vereinfachung der Begriffe wird im Folgenden sowohl ein Laufrad einer Radialverdichterstufe als auch eine rotierende Beschaufelungsreihe einer Axialverdichterstufe als Schaufelrad bezeichnet. Jede der beiden Prozessstufen ist mit zumindest einem Schaufelrad ausgestattet. Die Drehzahl einer Prozessstufe ist die Drehzahl von deren zumindest einem Schaufelrad. Durch das Getriebe sind die Schaufelräder der beiden Prozessstufen mit unterschiedlicher Drehzahl miteinander gekoppelt.
  • Eine Prozessstufe ist durch einen Einlass, z.B. einen Einlassstutzen, und einen Auslass, z.B. einen Auslassstutzen gekennzeichnet. Sie kann ein oder mehrere Schaufelräder umfassen, wobei zwei Radiallaufräder auf einer gemeinsamen Welle auch zwei Prozessstufen bilden können, wenn sie jeweils eigene Einlässe und Auslässe haben. Eine Prozessstufe kann einen Arbeitsschritt oder eine Arbeitsetappe in einem Arbeitsprozess bewerkstelligen, z.B. der Luftverdichtung. Zwei Prozessstufen können zwei Arbeitsschritte in einem einzigen Arbeitsprozess nacheinander ausführen oder zwei Arbeitsschritte in zwei separaten Arbeitsprozessen. Die beiden Prozessstufen können die gleiche Luft nacheinander auf unterschiedliche Drücke verdichten. Hierzu sind die beiden Prozessstufen zweckmäßigerweise in Form und/oder Größe unterschiedlich ausgeführt. Vorteilhafterweise sind die Prozessstufen und das Getriebe in einem einzigen Verdichtergehäuse angeordnet und sind von diesem umschlossen.
  • Das Verdichtergehäuse umfasst zweckmäßigerweise mehrere voneinander abgeschlossene Druckräume, wobei die erste Prozessstufe, die zweite Prozessstufe und das Getriebe druckdicht voneinander abgegrenzt werden können.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst das Getriebe ein Planetengetriebe. Mit Hilfe eines Planetengetriebes können hohe Kräfte verbunden mit hohen Drehzahlen stabil und langzeitzuverlässig übertragen werden.
  • Eine besonders effektive Anordnung des Planetengetriebes im gesamten Getriebe kann erreicht werden, wenn das Sonnenrad zentral im Getriebe angeordnet ist, also insbesondere zentralsymmetrisch zu den Antriebswellen der beiden Prozessstufen. Besonders vorteilhaft ist eine fluchtende Anordnung der Sonnenradachse mit der Welle der ersten Prozessstufe.
  • Außerdem wird vorgeschlagen, dass die Verdichterantriebswelle über das Planetengetriebe mit den beiden Prozessstufen gekoppelt ist. Die Antriebsenergie beider Prozessstufe kann über ein einziges Planetengetriebe geführt werden, wodurch dieses effizient genutzt wird. Zweckmäßigerweise ist die Verdichterantriebswelle zentriert zum Planetengetriebe geführt, wobei eine fluchtende Anordnung der Verdichterantriebswelle mit der Achse des Sonnenrads vorteilhaft ist.
  • Vorteilhafterweise ist das Sonnenrad gehäusefest gehalten, also fest zum Getriebegehäuse, zum Gehäuse des Getriebeverdichters, zum Gehäuse eines Antriebs, also beispielsweise eines Motorgehäuses, oder fest zu einem anderen zum Gehäuse des Getriebeverdichters stationären Element.
  • Ist die Verdichterantriebswelle starr mit einem Planetenhalter des Planetengetriebes verbunden, so kann eine effiziente Übersetzung vom Antrieb über das Planetengetriebe zu den Prozessstufen erreicht werden.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die erste Prozessstufe starr mit einem Hohlrad des Planetengetriebes verbunden ist. Durch diese symmetrische Anordnung von erster Prozessstufe zum Planetengetriebe kann eine stabile Übertragung hoher Kräfte auf die Prozessstufe, also auf deren Schaufelrad oder Schaufelräder, erreicht werden.
  • Durch das Planetengetriebe wird zweckmäßigerweise eine Drehzahl der Verdichterantriebswelle auf eine zu dieser unterschiedlichen, insbesondere höhere Drehzahl der ersten Prozessstufe gewandelt. Diese beiden Drehzahlen liegen hierbei zweckmäßigerweise am Planetenträger und am Hohlrad des Planetengetriebes an.
  • Zur Erzeugung der dritten Drehzahl für die zweite Prozessstufe ist es vorteilhaft, wenn das Getriebe zusätzlich zum Planetengetriebe ein Stirnradgetriebe umfasst. Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Welle der zweiten Prozessstufe zweckmäßigerweise die Ritzelwelle eines Ritzels des Stirnradgetriebes ist. Es kann eine einfache und effektive Kraftübertragung durch ein Abrollen der Ritzelwelle beziehungsweise des Ritzels auf dem Hohlrad des Planetengetriebes erreicht werden.
  • Eine effektive Verbindung zwischen dem Planetengetriebe und dem Stirnradgetriebe kann erreicht werden, wenn das Hohlrad des Planetengetriebes starr mit einer Stirnradverzahnung des Stirnradgetriebes verbunden ist. Zweckmäßigerweise ist das Großrad des Stirnradgetriebes hierbei durch das Planetengetriebe gebildet, beziehungsweise durch das Hohlrad des Planetengetriebes.
  • Von der Art des Aufbaus und der Kraftübertragung ist es außerdem vorteilhaft, wenn das Getriebe ein Stirnradgetriebe mit einem Großrad enthält, wobei die erste Prozessstufe symmetrisch zum Großrad angeordnet ist. Hierdurch besteht außerdem die Möglichkeit, die erste Prozessstufe als zentrale Axialverdichterstufe auszuführen.
  • Erfindungsgemäß ist zur Verdichtung besonders hoher Luftströme, insbesondere in einem Bereich oberhalb von 500.000 m3/h, die Verwendung einer Axialverdichterstufe als erste Prozessstufe gewählt . Luft kann durch einen großvolumigen axialen Einlass eingesaugt und in großem Volumen effektiv verdichtet werden. Eine mechanisch besonders belastbare und kompakte Anordnung des Getriebeverdichters kann erreicht werden, wenn die erste Prozessstufe, also z.B. die Beschaufelung der ersten und als Axialverdichterstufe ausgeführten Prozessstufe, starr mit dem Großrad gekoppelt ist.
  • Dabei ist die zweite Prozessstufe eine Radialverdichterstufe, so kann eine effektive Verdichtung auf einen hohen Enddruck erreicht werden.
  • Zur Verdichtung eines hohen Volumenstroms in der zweiten Prozessstufe auf einen hohen Druck ist eine Zwischenkühlung vorteilhaft. Hierzu kann der aus der ersten Prozessstufe austretende Volumenstrom einem Zwischenkühler zugeführt werden, der im Luftstromweg zwischen den beiden Prozessstufen angeordnet ist. Zur effektiven Verdichtung von Luft kann die in der ersten Prozessstufe verdichtete Luft so eine Rückkühlung erfahren, bevor sie in die zweite Prozessstufe eintritt und auf ihren Enddruck verdichtet wird. Hierzu umfasst der Getriebeverdichter zweckmäßigerweise einen Luftausgang von der ersten Prozessstufe aus dem Getriebeverdichter heraus und einen Lufteingang in den Getriebeverdichter herein zur zweiten Prozessstufe, sodass ein Kühler an den Lufteingang und den Luftausgang angeschlossen werden kann. Die in der ersten Prozessstufe verdichtete Luft wird durch den Kühler zur Rückkühlung geführt und gelangt nach der erfolgten Rückkühlung in die zweite Prozessstufe. Es ist auch möglich, den Kühler innerhalb des Verdichtergehäuses anzuordnen.
  • Da die erste Prozessstufe eine Axialverdichterstufe ist, ist es vorteilhaft, wenn der durch sie verdichtete Volumenstrom auf mehrere zweite Prozessstufen aufgeteilt werden kann, deren Bearbeitungsvolumen kleiner ist. Bei dieser Anordnung können mehrere Radialverdichterstufen als zweite Prozessstufen parallel eingesetzt werden. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn der aus der ersten Prozessstufe austretende und bereits vorverdichtete Volumenstrom auf mehrere Volumenströme zum Nachverdichten in mehrere zweiten Prozessstufen aufgeteilt wird.
  • Somit umfasst der Getriebeverdichter vorteilhafterweise mehrere parallel eingesetzte zweite Prozessstufen mit jeweils getrennten Antriebswellen. Jede der zweiten Prozessstufen ist zweckmäßigerweise jeweils eine Radialverdichterstufe mit einem Laufrad in Überhangbauweise. Die zweiten Prozessstufen können symmetrisch um ein Getriebezentrum verteilt werden, sodass eine symmetrische und damit robuste Kraftaufteilung im Getriebe erfolgt.
  • Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in den Zeichnungen dargestellt ist.
  • Es zeigen:
    • FIG 1
    Eine schematische Darstellung eines Getriebeverdichters mit einem Axialverdichter- und einem Radialverdicherteil sowie einem Kühler,
    FIG 2
    eine schematische Darstellung einer Luftführung vom Axialverdicherteil zum Radialverdicherteil und
    FIG 3
    eine schematische Darstellung eines alternativen Getriebeverdichters mit einer koaxialen Führung der Verdichterantriebswelle und einem Sonneradhalter.
  • FIG 1 zeigt einen Getriebeverdichter 2 in einer geschnittenen und schematischen Darstellung. Der Getriebeverdichter 2 umfasst eine erste Prozessstufe 4 in Form einer Axialverdichterstufe bzw. eines Axialverdichters mit einer nur schematisch angedeuteten Axialbeschaufelung 6, die einreihig oder mehrreihig sein kann, also ein oder mehrere auf einer gemeinsamen Welle und starr miteinander verbundene Schaufelräder umfassen kann. Weiter verfügt der Getriebeverdichter 2 über zwei zweite Prozessstufen 8 jeweils in Form einer Radialverdichterstufe bzw. eines Radialverdichters mit jeweils einem nur schematisch angedeuteten Radiallaufrad 10.
  • Die drei Prozessstufen 4, 8 sind über ein Getriebe 12 miteinander verbunden, das ein Planetengetriebe 14 und ein Stirnradgetriebe 16 umfasst. Beide Prozessstufe 4, 8 und das Getriebe 12 sind in einem Verdichtergehäuse 18 angeordnet, dass diese Elemente umschließt. Das Getriebe 12 ist innerhalb des Verdichtergehäuses 18 in einem Getriebegehäuse 20 angeordnet. Das Verdichtergehäuse 18 ist in mehrere druckdicht voneinander abgegrenzte Kammern unterteilt, wobei die erste Prozessstufe 4 und beide zweiten Prozessstufen 8 druckdicht voneinander getrennt sind. Das Getriebe 12 ist in seinem Getriebegehäuse 20 ebenfalls druckdicht von den Prozessstufen 4, 8 getrennt, so dass kein verdichtetes oder unverdichtetes Prozessgas in das Getriebegehäuse 20 gelangt. Ebenfalls möglich ist es, dass das Getriebegehäuse 20 zumindest stückweit außen liegt und so einen Teil des Verdichtergehäuses 18 bildet.
  • Ein Kühler 22 ist außerhalb des Verdichtergehäuses 18 platziert, wobei es ebenso gut möglich ist, den Kühler 22 innerhalb des Verdichtergehäuses 18 unterzubringen. Ebenfalls außerhalb des Verdichtergehäuses 18 ist ein Antrieb 24 zum Antrieb des Getriebeverdichters 2 angeordnet, der ein Elektromotor, eine Dampfturbine, eine Gasturbine oder ein anderer geeigneter Antrieb 24 sein kann.
  • Der Getriebeverdichter dient zum Verdichten von Luft, die durch den Einlass 26 der ersten Prozessstufe 4 eingesaugt, durch die Axialbeschaufelung 6 auf einen ersten Druck von z.B. 3,96 bar verdichtet und dem Kühler 22 zugeführt wird. Der verdichtete Volumenstrom beträgt in diesem Ausführungsbeispiel z.B. 800.000 m3/h. Die durch die Verdichtung erwärmte Luft wird im Kühler 22 heruntergekühlt und verlässt den Kühler 22 mit einem Druck von z.B. 3,87 bar und wird den beiden Radiallaufrädern 10 der zweiten Prozessstufe 8 zugeführt, wie durch Pfeile 28 angedeutet ist. Durch die zweite Prozessstufe 8 werden die beiden Luftströme auf jeweils 8,67 bar nachverdichtet und verlassen den Getriebeverdichter 2 durch entsprechende Auslässe 30. Volumina und Drücke sind durch entsprechende bauliche Abmessungen und Drehzahlen in weiten Bereichen an unterschiedlichste Erfordernisse anpassbar.
  • Die Verteilung der in der ersten Prozessstufe 4 vorverdichteten Luft auf zwei Luftströme in die beiden zweiten Prozessstufen 8 ist in FIG 2 schematisch dargestellt. Die durch die Axialbeschaufelung 6 verdichtete Luft wird radial nach außen in ein Luftverteilungssystem 32 gedrückt, wie durch Pfeile 34 angedeutet ist. Hierbei wird die vorverdichtete Luft zu gleichen Teilen auf zwei Strömungskanäle 36 verteilt, die die Luft jeweils zu einem Kühlelement 38 des Kühlers 22 führen. Hierdurch wird die vorverdichtete Luft von dem einstufigen Axialverdichter auf die beiden Radialverdichters der beiden zweiten Prozessstufen zu gleichen Teilen aufgeteilt.
  • Zum Antrieb der beiden Prozessstufen 4, 8 ist der Verdichterantrieb 24 über eine Verdichterantriebswelle 40 mittelbar (Fig. 1) oder unmittelbar (Fig. 3) mit dem Planetengetriebe 14 verbunden. In beiden Darstellungen ist der Getriebeverdichter 2, 42 von oben gezeigt, die beiden Kühlelemente 38 stehen jeweils seitlich oder unterhalb des Getriebes 12.
  • Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Sonnenrad 44 gehäusefest gehalten. Es ist über eine Sonnenradachse 46 fest mit dem Getriebegehäuse 18 verbunden. Der Antrieb des Getriebes 12 erfolgt über die Verdichterantriebswelle 40, die in Fig. 1 gestrichelt dargestellt ist und die unterhalb der Sonnenradachse 46 starr mit einem ebenfalls gestrichelt gezeichneten Zahnrad 48 verbunden ist. Das Zahnrad 48 kämmt mit einem darüber liegenden Zahnrad 50, das starr mit dem Planetenträger 52 des Planetengetriebes 14 verbunden ist. Die beiden Zahlräder 48, 50 bilden ein weiteres Stirnradgetriebe, dessen Getriebeverhältnis entsprechend den gegebenen Erfordernissen an den Getriebeverdichter 2 angepasst werden kann.
  • Der Antrieb 24 treibt die Verdichterantriebswelle 40 mit einer Drehzahl von beispielsweise 1.000 U/min an. Diese Drehzahl wird auf 1.500 U/min des Zahnrads 50 und damit des Planetenträgers 52 übersetzt. Der Planetenträger 52 treibt mit seinen Planetenrädern 54 durch das gehäusefest gehaltene Sonnenrad 44 ein Hohlrad 56 an, das mit einer Geschwindigkeit von 3.400 U/min rotiert. Das Hohlrad 56 ist über eine Axialradwelle 58 mit der Axialbeschaufelung 6 verbunden und treibt dies mit einer Drehzahl von 3.400 U/min an.
  • Das Hohlrad 56 ersetzt oder bildet das Großrad 60 des Stirnradgetriebes 16, wobei das Hohlrad 56 mit einer Innenverzahnung für die Planetenräder 54 und mit einer Außenverzahnung für Stirnräder 62 des Stirnradgetriebes 16 versehen sein kann. In einer anderen Ausführungsform ist das Hohlrad 56 auf einen Flansch aufgesetzt, der das Großrad 60 für das Stirnradgetriebe 16 bildet. Das Großrad 60 bzw. der Flansch rotieren mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Hohlrad 56. Durch das Stirnradgetriebe 16 werden die beiden Stirnräder 62 mit einer Drehzahl von 9.400 U/min angetrieben. Durch die starre Kopplung der Stirnräder 62 mit den Ritzelwellen 64 der Radiallaufräder 10 mit denen sie starr gekoppelt sind, wird die Drehzahl von 9.400 U/min auf die Radiallaufräder 10 übertragen. Durch diese hohe Drehzahl findet eine leistungsoptimierte Verdichtung der Luft auf den Enddruck statt.
  • In einer anderen Ausführungsform sind zusätzlich zu den beiden zweiten Prozessstufen 8 eine oder mehrere dritte Prozessstufen denkbar. Jede dritte Prozessstufe wird über ein Ritzel bzw. Stirnrad angetrieben, das analog zu den Stirnrädern 62 das Großrad 60 kämmt. Die weiteren Stirnräder können eine andere Zähnezahl aufweisen, als die Stirnräder 62, so dass die dritte Prozessstufe oder die dritten Prozessstufen mit einer unterschiedlichen Drehzahl zu der zweiten Prozessstufe oder den zweiten Prozessstufen antreibbar ist. Auf diese Weise sind drei Prozessstufen erreichbar, die jeweils mit einer eigenen Drehzahl angetrieben werden, wobei jede der drei Drehzahlen unterschiedlich zu den beiden anderen ist.
  • Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Sonnenradachse 46 durch das Getriebegehäuse 18 hindurch nach außen geführt. Sie kann durch den Antrieb 24 hindurchgeführt und mit einem stationären Element verbunden sein, so dass es gehäusefest gehalten ist. Die Verdichterantriebswelle 66 ist hierbei als Hohlwelle ausgeführt und verläuft koaxial um die Sonnenradachse 46. Sie überträgt die Antriebsdrehzahl des Antriebs und unmittelbar auf den Planetenträger 52.
  • Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Sonnenradachse 46 als Sonnenradwelle eingesetzt wird, die mit dem Antrieb 24 verbunden ist. Sie kann zusätzlich zum Planetenträger 52 angetrieben werden, wobei die Drehzahl der Sonnenradachse 46 verschieden zur Drehzahl der Verdichterantriebswelle 66 ist, wenn eine Übersetzung der Drehzahl auf das Hohlrad 56 erreicht werden soll. Bei gleicher Drehzahl wird auch das Hohlrad 56 mit dieser Drehzahl betrieben. Durch eine gegenläufige Drehrichtung von Sonnenradachse 46 und Verdichterantriebswelle 66 kann die Übersetzung auf das Hohlrad 56 noch vergrößert werden. Zusätzlich kann das zwischen dem Antrieb 24 und dem Getriebeverdichter 42 anliegende Drehmoment verringert werden, im Extremfall sogar gegen Null geführt werden.
  • Weiter denkbar und vorteilhaft ist eine Aufteilung des Antriebs 24 in zwei beispielsweise hintereinander liegende Antriebsteile, wie durch den zusätzlich und gestrichelt dargestellten Antriebsteil 68 angedeutet ist. Ein Antriebsteil 68 ist zur Rotation der Sonnenradachse 46 vorgesehen und der andere Antriebsteil- in diesem Fall bildet der durchgezogen gezeichnete Antrieb 24 den anderen Antriebsteil - zur Rotation der Verdichterantriebswelle 66 und damit des Planetenträgers 52. Beide Antriebsteile 68 sind zweckmäßigerweise zur gegenläufigen Rotation vorbereitet, so dass mit ihnen eine hohe Drehzahlübersetzung mit zweimal der halben Antriebsleistung im Vergleich zum solitären Antrieb 24 erreicht werden kann.
  • Durch die Konstruktion der Verbindung von Planetengetriebe 14 mit Stirnradgetriebe 16 ist die für den Getriebeverdichter 2 vorteilhafte Anordnung von miteinander fluchtender Verdichterantriebswelle 66 und Axialradwelle 58 möglich, also einer koaxialen Anordnung, durch die eine kompakte und leistungsfähige Mechanik entsteht. Außerdem sind die beiden Wellen 58, 66 zentralsymmetrisch im Getriebeverdichter 2 angeordnet. Außerdem sind die beiden Radiallaufräder 10 zentralsymmetrisch um die beiden Wellen 58, 66 angeordnet sind. Ebenfalls möglich sind mehr als zwei Radiallaufräder 10, die zweckmäßigerweise ebenfalls zentralsymmetrisch um die beiden Wellen 58, 66 angeordnet sind.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel können die beiden Stirnräder 62 der Getriebeverdichter 2, 42 eine unterschiedliche Zähnezahl aufweisen, sodass die beiden Radiallaufräder 10 mit unterschiedlicher Drehzahl betrieben werden können. Hierdurch können die beiden Luftteilströme auf einen unterschiedlichen Enddruck verdichtet werden. Durch eine asymmetrische Ausgestaltung der beiden Strömungskanäle 36 kann der Luftstrom zu ungleichen Teilen auf die Radiallaufräder 10 verteilt werden, sodass beispielsweise ein kleinerer Strom auf ein schneller drehendes Radiallaufrad 10 zur höheren Verdichtung gegeben wird.

Claims (10)

  1. Mehrstufiger Getriebeverdichter (2) mit einer ersten Prozessstufe (4), einer zweiten Prozessstufe (8) und einem Getriebe (12), über das die beiden Prozessstufen (4, 8) mit unterschiedlicher Drehzahl miteinander gekoppelt sind, wobei das Getriebe (12) eine Verdichterantriebswelle (40, 66) mit einer dritten Drehzahl, die von den Drehzahlen der Prozessstufen (4, 8) unterschiedlich ist, mit den beiden Prozessstufen (4, 8) koppelt
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die erste Prozessstufe (4) eine Axialverdichterstufe und die zweite Prozessstufe (8) ein Radialverdichterstufe ist.
  2. Getriebeverdichter (2) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterantriebswelle (40, 66) über ein Planetengetriebe (14) mit den Prozessstufen (4, 8) gekoppelt ist.
  3. Getriebeverdichter (2) nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterantriebswelle (60) zentriert zum Planetengetriebe (14) geführt ist.
  4. Getriebeverdichter (2) nach Anspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterantriebswelle (40, 66) mit einem Planetenträger (52) des Planetengetriebes (14) starr verbunden ist.
  5. Getriebeverdichter (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass die erste Prozessstufe (4) starr mit einem Hohlrad (56) des Planetengetriebes (14) verbunden ist.
  6. Getriebeverdichter (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (56) des Planetengetriebes (14) starr mit einer Stirnradverzahnung eines Stirnradgetriebes (16) des Getriebes (12) verbunden ist.
  7. Getriebeverdichter (2) nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Prozessstufe (8) starr mit einer Ritzelwelle (64) des Stirnradgetriebes (16) verbunden ist.
  8. Getriebeverdichter (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (12) ein Stirnradgetriebe mit einem Großrad (60) enthält, wobei die erste Prozessstufe (4) symmetrisch zum Großrad (60) angeordnet ist.
  9. Getriebeverdichter (2) nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass die erste Prozessstufe (4) starr mit dem Großrad (60) gekoppelt ist.
  10. Getriebeverdichter (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass mehrere parallel eingesetzte zweite Prozessstufen (8) mit jeweils getrennten Antriebswellen vorhanden sind.
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