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Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Radial-Turboverdichter mit mindestens drei Verdichterstufen, wobei jede Verdichterstufe einen Gehäuseabschnitt aufweist, der den Gaseintrittsbereich bildet und einen Gehäuseabschnitt aufweist, der den Gasaustrittsbereich bildet. Die Laufräder der Verdichterstufen bilden mit einzelnen Wellenabschnitten einen Rotor, der durch Radiallager und Axiallager geführt wird. Ein mehrstufiges Radial-Turboverdichter mit einem Rotor, der durch Radial- und Axiallager geführt wird, ist z. B. aus der
WO 2007/110 275 A1 bekannt. Bei Radial-Turboverdichtern strömt das Gas axial in das Laufrad der Verdichterstufe. Es wird im Laufradeintritt erfasst und von der Beschaufelung radial umgelenkt und beschleunigt. Am Laufradumfang verlässt das Gas mit großer Geschwindigkeit die Laufradzwischenräume und strömt in den sich erweiternden, radialen Diffusor. Hier wird seine Geschwindigkeit stark abgebremst. Die kinetische Energie wird in Druckenergie umgewandelt. Schließlich wird das derartig verdichtete und erhitzte Gas in einem spiralförmigen Sammelgehäuse zu einem Stufenaustrittsstutzen geleitet.
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Durch Anordnung mehrerer Laufräder hintereinander auf einer Antriebswelle können hohe Drücke erzeugt werden. Die Laufräder werden mit gleicher Drehzahl betrieben. Sie bilden gemeinsam mit den Wellenabschnitten einen Rotor mit gemeinsamer Lagerung und Antrieb. Die Radiallager solcher einwelligen Radial-Turboverdichter sind meist an den Wellenenden angeordnet. Auch das Axiallager wird an einem Wellenende positioniert, so dass der Rotor nur in einer Längsrichtung ausweichen kann.
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Das Gehäuse derartiger Turboverdichter ist entweder horizontal geteilt oder weist einen einteiligen äußeren Gehäusemantel auf. Bei einer horizontal geteilten Ausführung wird der Rotor von einem Gehäuseunterteil und einem Gehäuseoberteil eingeschlossen. Um den Rotor zugänglich zu machen, muss das gesamte Gehäuseoberteil abgenommen werden. Die oberen und unteren Gehäusehälften sind jeweils einstückig gegossen oder geschweißt. Bei der anderen Ausführung besteht das Gehäuse aus einem einteiligen, zylinderförmigen äußeren Gehäusemantel, welches gegossen oder geschweißt ist, und Komponenten, wie beispielsweise aus eintrittsseitigen und austrittsseitigen Gehäusekomponenten für die einzelnen Verdichterstufen, die jeweils horizontal geteilt sind, damit sie zwischen den Laufrädern montiert werden können.
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Das im ersten Laufrad verdichtete Gas wird nach einer Zwischenkühlung über ein Sammelrohr in das zweite Laufrad geleitet und von dort nach einer weiteren Zwischenkühlung in das darauf folgende Laufrad. Dabei versucht man die mehrstufige Gaskompression, so nah wie möglich, am idealen, isothermen Verdichtungsprozess auszurichten.
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Bei mehrstufigen Turboverdichtern sind heiße und kalte Gehäusekomponenten hintereinander in einem festen Verbund angeordnet. Da die kalten und heißen Gehäusekomponenten fest miteinander verspannt, verschweißt oder vergossen sind, kommt es aufgrund der thermischen Ausdehnung zu Eigenspannungen im Gehäuse. Die unterschiedlichen Temperaturniveaus der einzelnen Gehäusekomponenten bewirken unterschiedlich starke thermische Ausdehnungen der Komponenten. Ebenso kann es in den Gehäusekomponenten zu Druckdeformationen kommen.
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Die Anordnung der Lager an den Wellenenden und die horizontale Teilung des Gehäuses mit fest miteinander verbundenen Gehäusekomponenten, bzw. die in einem gemeinsamen Gehäusemantel eingespannten inneren Gehäusebauteile, können im Betrieb zu einer Verringerung der Spiele zwischen den Laufrädern und ihren benachbarten Gehäusekomponenten führen. Dies kann zu einem Anstreifen der Laufräder am Gehäuse und somit zu einer Beschädigung des Turboverdichters führen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, während des Verdichterbetriebs, eine Verkleinerung der Spiele zwischen den Laufrädern und ihren benachbarten Gehäusekomponenten zu verhindern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Axiallager zwischen zwei Laufrädern von benachbarten Verdichterstufen angeordnet ist, die mit den Laufradrückseiten zueinander positioniert sind. Die rückseitig zueinander angeordneten Verdichterstufen sind über ein Zwischengehäuse miteinander verbunden.
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Die Positionierung von zwei Laufrädern mit den Laufradrückseiten zueinander wird auch als back-to-back-Prinzip bezeichnet. Die zentrale Anordnung des Axiallagers zwischen zwei back-to-back angeordneten Laufrädern bewirkt, dass die durch thermische Ausdehnungen und Druckdeformationen in den Gehäusekomponenten hervorgerufenen Längenänderungen die Spiele zwischen den Laufrädern und ihren benachbarten Gehäusewänden vergrößert, so dass ein Anstreifen der Laufräder vermieden wird.
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Bei einem dreistufigen Turboverdichter wird das Axiallager vorzugsweise in einer zentralen Position zwischen der zweiten und dritten Stufe angeordnet, wobei die zweite und dritte Stufe back-to-back zueinander positioniert sind. Das Laufrad der zweiten oder – je nach Stufenanordnung – das Laufrad der dritten Stufe ist dabei in Reihe mit dem Laufrad der ersten Stufe angeordnet. Die drei Laufräder, die beiden Wellenenden und die beiden mittleren Wellenabschnitte sind vorzugsweise über Stirnverzahnungen zueinander zentriert und mittels einer zentralen Zugstange zu einem festen Rotorverbund miteinander verspannt.
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Bei einem vierstufigen Verdichter besteht der Rotor aus den vier Laufrädern, den beiden Wellenenden und drei mittleren Wellenabschnitten. Das zusätzliche Laufrad bildet zusammen mit seinem Eintritts- und Austrittsgehäuse die vierte Verdichterstufe, die vorzugsweise back-to-back zur ersten Stufe angeordnet ist.
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In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind die Radiallager an Wellenabschnitten angeordnet, die zwischen zwei Laufrädern liegen.
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Als besonders günstig erweist es sich, wenn das kupplungsnahe Radiallager zwischen dem zur Kupplung nächstliegenden Laufrad und dem benachbarten Laufrad angeordnet ist, so dass das kupplungsseitige Laufrad und das kupplungsseitige Wellenende frei überhängend sind.
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Bei einem dreistufigen Turboverdichter führt dies dazu, dass das Laufrad der dritten oder – je nach Stufenanordnung – das Laufrad der zweiten Stufe und das kupplungsseitige Wellenende frei überhängend angeordnet sind. Bei einem vierstufigen Radial-Turboverdichter ist das kupplungsseitige Radiallager zwischen der dritten und vierten Stufe positioniert. Dabei sind das Laufrad der vierten oder – je nach Stufenanordnung – das Laufrad der dritten Stufe und das kupplungsseitige Wellenende frei überhängend.
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In einer weiteren günstigen Ausführungsform der Erfindung ist das kupplungsferne Radiallager am Wellenabschnitt zwischen dem ersten und dem darauf folgenden Laufrad angeordnet. Dabei ist das Radiallager hinter dem überhängenden Laufrad der ersten Stufe positioniert, wobei das freie Wellenende an der der Kupplung gegenüberliegenden Seite entfällt. Dies hat den Vorteil, dass das Eintrittsgehäuse zur ersten Stufe als einfacher umlenkungsfreier koaxialer Saugstutzen ausgebildet werden kann.
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Vorzugsweise werden ungeteilte, magnetische Radial- und Axiallager eingesetzt. Dank ihrer aktiven Regelung der Steifigkeit und Dämpfung bieten Magnetlager erhebliche technische Vorteile. Sie zeichnen sich ebenfalls durch sehr geringe Reibungsverluste aus.
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Als besonders günstig erweist es sich, wenn das Gehäuse vertikal in kalte und heiße Gehäusekomponenten segmentiert ist. Die Gehäuseabschnitte der Gaseintrittsbereiche und der Gasaustrittsbereiche bilden jeweils selbstständige, ungeteilte Gehäusekomponenten. Diese umschließen den Rotor ringförmig ohne horizontale Teilung.
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Das Eintrittsgehäuse der ersten Stufe besteht in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aus einem einfachen umlenkungsfreien koaxialen Saugstutzen. Die Eintrittsgehäuse aller Folgestufen sind radiale Eintrittsstutzen. Die Austrittsgehäuse der Verdichterstufen können in Form spiraliger Sammelräume ausgebildet sein. Die tangentialen Austrittsstutzen der heißen Austrittsgehäuse sind über Rohrleitungen mit den Eintrittsstutzen der Zwischenkühler verbunden. Die Austrittsstutzen der Zwischenkühler sind über weit dimensionierte, verlustarme Strömungskanäle mit den radialen Eintrittsstutzen der sich anschließenden Verdichterstufe verbunden.
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In einer besonders günstigen Ausführungsform der Erfindung sind benachbarte Gehäusekomponenten über vertikale Flanschverbindungen miteinander verbunden. Dabei verlaufen an den Verbindungsstellen die benachbarten Gehäusewände in vertikaler Richtung zur Welle, parallel zueinander. Der Kontaktbereich, bei dem die Gehäusewände vertikal zueinander verlaufen, ist ringförmig um den Rotor ausgebildet, wobei die Gehäusewände an mehreren Stellen des umlaufenden Rings durch Befestigungselemente, beispielsweise durch Verschraubungen, miteinander verbunden sind. Durch die Aufteilung des Gehäuses in Segmente, die über vertikale Flanschverbindungen miteinander verbunden sind, können Eigenspannungen im Gehäuse durch Wärme- und Druckausdehnung vermindert werden.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn benachbarte Gehäusekomponenten an ihren Verbindungsstellen ineinandergreifen und deren Maße an den Fügstellen so aufeinander abgestimmt sind, dass die Gehäusekomponenten über Passsitze miteinander verbunden sind.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand einer Zeichnung und aus der Zeichnung selbst. Dabei zeigt die einzige Figur einen Halbschnitt eines dreistufigen Radial-Turboverdichters.
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Die Laufräder 1, 2 und 3 bilden mit den Wellenabschnitten 14, 15 und 16 den Rotor des Verdichters. Die Laufräder 1, 2, 3 sind mit den beiden Wellenenden 14 und 15, sowie dem mittleren Wellenabschnitt 16 über Stirnverzahnungen 30 bis 34 zueinander zentriert und mittels einer zentralen Zugstange 17 miteinander zu einem festen Rotorverbund verspannt.
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Der Rotor besteht aus drei Verdichterstufen, wobei jede Verdichterstufe ein Laufrad (1, 2, 3), ein kaltes Eintrittsgehäuse (4, 5, 6) und ein heißes Austrittsgehäuse (7, 8, 9) umfasst. Das zu verdichtende Gas strömt durch das Eintrittsgehäuse 4 dem Laufrad 1 zu. Das kalte Eintrittsgehäuse 4 der ersten Stufe ist als umlenkungsfreier, koaxialer Saugstutzen ausgebildet. Das Gas wird vom Laufrad 1 in das Austrittsgehäuse 7 der ersten Stufe gefördert. Das Austrittsgehäuse 7 ist als spiralförmiger Sammelraum ausgebildet. Der tangentiale Austrittsstutzen des Austrittsgehäuses 7 ist über Rohrleitungen mit einem Zwischenkühler verbunden. Nach dem Zwischenkühler strömt das Gas über den radialen Eintrittsstutzen des Eintrittsgehäuses 5 in die zweite Verdichterstufe. Die Verbindung zwischen Zwischenkühler und Eintrittsstutzen erfolgt über weit dimensionierte, verlustarme Strömungskanäle.
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In der zweiten Verdichterstufe wird das Gas vom Laufrad 2 beschleunigt und in das Austrittsgehäuse 8 der zweiten Stufe gefördert. Nach einer Zwischenkühlung tritt das Gas in den radialen Eintrittsstutzen des Eintrittsgehäuses 6 der dritten Verdichterstufe und wird vom Laufrad 3 ins Austrittsgehäuse 9 der dritten Verdichterstufe gefördert.
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Die Laufräder 2 und 3 sind mit ihren Laufradrückseiten zueinander positioniert. Dazwischen verläuft der mittlere Wellenabschnitt 16. Die Austrittsgehäuse 8, 9 der zweiten und dritten Stufe sind über ein Zwischengehäuse 13 miteinander verbunden. Erfindungsgemäß ist das Axiallager 12 zwischen den back-to-back zueinander angeordneten Laufrädern 2 und 3 angeordnet. Das kupplungsnahe Radiallager 11 ist unmittelbar neben dem Axiallager 12 angeordnet, so dass das Laufrad 3 und das kupplungsseitige Wellenende 14 frei überhängend sind.
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Das kupplungsferne Radiallager 10 ist hinter dem Laufrad 1 am Wellenabschnitt 15 positioniert. Bei dem Wellenabschnitt 15 handelt es sich um das der Kupplung gegenüber liegende Wellenende. Das Laufrad 1 ist aufgrund der Position des Radiallagers 10 frei überhängend.
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Die Lageranordnung bewirkt, dass die durch thermische Ausdehnung und Druckdeformation in den Gehäusekomponenten 4 bis 9 hervorgerufenen Längenänderungen ΔLt,p(1. + 2.) und ΔLt,p(3.), die Spiele 35, 36 und 37 zwischen den Laufrädern 1, 2 und 3 und ihren benachbarten Eintrittsgehäusen 4, 5 und 6 vergrößern. Dadurch wird ein Anstreifen der Laufräder 1, 2 und 3 an ihren benachbarten Eintrittsgehäusen 4, 5 und 6 vermieden.
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Das Eintrittsgehäuse 4 der ersten Verdichterstufe ragt ein Stück in das Austrittsgehäuse 7 der ersten Verdichterstufe hinein. Dabei sind an der Verbindungsstelle die Abmessungen der beiden Gehäuse 4 und 7 so aufeinander abgestimmt, dass ein Passsitz 24 zwischen den beiden Gehäusekomponenten 4 und 7 entsteht. Die beiden Gehäuseteile 4 und 7 weisen eine vertikale Berührungsfläche auf. Der vertikale Abschnitt der Gehäusewand des Eintrittsgehäuses 4 dient als Anschlag für die Gehäusewand des Austrittsgehäuses 7. Das kalte Eintrittsgehäuse 4 ist mit dem heißen Austrittsgehäuse 7 über eine vertikale Flanschverbindung 18 miteinander verbunden.
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An der Verbindungsstelle zwischen der ersten und zweiten Verdichterstufe ragt das Eintrittsgehäuse 5 der zweiten Stufe in das Austrittsgehäuse 7 der ersten Stufe hinein. Die Abmessungen der beiden Gehäuseteile 5 und 7 sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass ein Passsitz 25 gebildet wird. Die beiden Gehäuseteile 5 und 7 weisen eine vertikale Berührungsfläche auf. Der vertikale Abschnitt der Gehäusewand des Eintrittsgehäuses 5 dient als Anschlag für die Gehäusewand des Austrittsgehäuses 7. Über diese vertikale Berührungsfläche der parallel zueinander verlaufenden Gehäusewände, erfolgt eine Verbindung der Gehäuseteile 7 und 5 über eine vertikale Flanschverbindung 19.
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An dem Übergang vom Eintrittsgehäuse 5 der zweiten Stufe zum Austrittsgehäuse 8 der zweiten Stufe ragt das kalte Eintrittsgehäuse 5 in das heiße Eintrittsgehäuse 8 hinein, wobei ein Passsitz 26 gebildet wird. Eine Verbindung der beiden Gehäuseteile 5 und 8 erfolgt mittels der vertikalen Flanschverbindung 20. An der vertikalen Flanschverbindung 20 verlaufen die Gehäusewände parallel zueinander.
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Die beiden Austrittsgehäuse 8, 9 der zweiten und dritten Stufe sind über das Zwischengehäuse 13 miteinander verbunden. Das Zwischengehäuse 13 ragt in das Austrittsgehäuse 8 der zweiten Stufe hinein, wobei beide Gehäusekomponenten 8 und 13 einen Passsitz 27 und eine vertikale Berührungsfläche bilden. Der vertikale Abschnitt der Gehäusewand des Zwischengehäuses 13 dient als Anschlag für die Gehäusewand des Austrittsgehäuses 8. Über die parallel verlaufenden Gehäusewände der vertikalen Berührungsfläche erfolgt eine Verbindung der beiden Gehäuseteile 8 und 13 mittels einer vertikalen Flanschverbindung 21.
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Ebenso ragt das Zwischengehäuse 13 in das Austrittsgehäuse 9 der dritten Verdichterstufe ein Stück hinein, wobei ein Passsitz 28 gebildet wird. Die beiden Gehäuseteile 13 und 9 weisen eine vertikale Berührungsfläche auf. Der vertikale Abschnitt der Gehäusewand des Zwischengehäuses 13 dient als Anschlag für die Gehäusewand des Austrittsgehäuses 9. Über eine vertikale Flanschverbindung 22 erfolgt die Verbindung der Gehäuse 13 und 9.
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Bei der dritten Verdichterstufe ragt das Eintrittsgehäuse 6 in das Austrittsgehäuse 9 hinein und bildet einen Passsitz 29. Ein vertikaler Abschnitt der Gehäusewand des Eintrittsgehäuses 6 bildet einen Anschlag für die Gehäusewand des Austrittsgehäuses 9. An den vertikal zueinander verlaufenden Berührungsstellen der Gehäusewände werden die Gehäuse 6 und 9 mittels einer vertikalen Flanschverbindung 23 miteinander verbunden.
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Somit sind alle kalten Eintrittsgehäuse 4, 5 und 6 sowie das Zwischengehäuse 13 mit den heißen Austrittsgehäusen 7, 8 und 9 über vertikale Flanschverbindungen 18 bis 23 und Passsitze 24 bis 29 als ungeteilte Gehäusekomponenten miteinander verbunden. Dies führt dazu, dass im Betrieb thermische Eigenspannungen im Gehäuseverbund weitestgehend vermieden werden und somit die dadurch auftretenden Deformationen des Gehäuseverbunds im Betrieb minimiert werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel sind die Radiallager 10 und 11 sowie das Axiallager 12 als Magnetlager ausgeführt.
