DE2848030A1 - Mehrstufiger kompressor - Google Patents

Description

GUTEHOFFNUNGSHÜTTE STERKRADB 4200 Oberhausen 11, den 2 Aktiengesellschaft 2

PA.LIZ - Si/Th

Mehrstufiger Kompressor

Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren zur mehrstufigen Verdichtung von Gasen, insbesondere ölfreier Luft und ein mehrstufiger Kompressor zur Durchführung des Verfahrens. Dafür kommen Volumenströme im Bereich von 5.000 bis etwa 50.000 m³/h und Druckverhältnisse größer als 5 in Betracht. In erster Linie bezieht sich die Erfindung zwar auf die ölfreie Verdichtung von Luft und Gasen, es können aber auch anstelle der ölfrei verdichtenden Kompressoren Verdichter mit öl- oder Flüssigkeitseinspritzung verwendet werden. Als Antriebsmotor kommen vor allen Dingen der Elektromotor in Betracht, an seine Stelle kann aber auch eine Turbine, ein Verbrennungsmotor oder ein Antriebsmotor anderer Bauart treten.

Mehrstufige Kompressoren sind bekannt. Sie werden im allgemeinen aus Verdichterstufen gleicher Gattung, also Turbo-, Schrauben- oder Kolbenverdichtern aufgebaut.

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Mehrstufige Turboverdichter haben sich aufgrund ihres hohen Schluckvermögens im Bereich großer Volumenströme durchgesetzt.

Mehrstufige Kolbenverdichter werden insbesondere im Bereich kleinerer Volumenströme für höhere Enddrücke eingesetzt.

Mehrstufige Schraubenverdichter haben im mittleren Volumen- und Druckbereich ihren Platz gefunden.

Die Verwendung der verschiedenen Verdichterbauarten in den unterschiedlichen Volumen- und Druckbereichen wird nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten entschieden. Technisch ist es zwar möglich, Verdichter einer bestimmten Bauart auch für einen anderen als den für den bestgeeigneten Druck- und Volumenbereich zu bauen, eine solche Lösung erfordert aber immer erhöhten Aufwand und ist daher nur in Spezialfallen gerechtfertigt.

Die Kolbenverdichterbauart ist in dem Bereich kleinerer Volumenströme oder sehr hoher Drücke gut geeignet.

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Große Volumenströme und nicht allzu hohe Drücke werden üblicherweise mit Turboverdichtern erzeugt. Bei den Turboverdichtern unterscheidet man Verdichter radialer und axialer Bauart. Die radiale Bauart wird mehr für die höheren Drücke und die axiale Bauart mehr für die großen Volumenströme im Anwendungsbereich der Turboverdichter eingesetzt.

Die Vorteile der Turboverdichter sind ein relativ kleiner Bauaufwand für große Volumenströme. Turboverdichter können in Abhängigkeit vom Druck unterschiedliche Volumenströme verarbeiten. Sie haben eine sogenannte "flache Kennlinie", ihr Arbeitsbereich wird zu kleinen VolumenstÖmen hin durch die "Pumpgrenze" oder "Instabilitätsgrenze" und zu großen Volumenströmen hin durch die "Schluckgrenze" begrenzt. Für eine wirkungsvolle Druckerzeugung in Turboverdichtern sind hohe Strömungsgeschwindigkeiten erforderlich» die nur bei größeren Volumenströmen oder hohen Dreheahlen verwirklicht werden können. Pur kleine Volumenströme müesen die Strömungequerschnitte für die hohen Geschwindigkeiten sehr klein werden und die Reibungsverluste an den OberfL&chen werden groß. Der Wirkungsgrad der Turboverdichter wird

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für kleinere Volumenströme daher schlechter. Hohe Drehzahlen erfordern bei den üblichen Antriebsmotoren aufwendige Getriebe. Die Wirkungsgrade im Nennpunkt sind bei Turboverdichtern mit guter Regelbarkeit, d. h. breitem Kennfeld nicht so hoch wie bei Verdichtern, die speziell für einen Betriebspunkt optimiert wurden.

Die Schraubenverdichterbauart hat ihr Anwendungsgebiet im Bereich mittlerer Volumenströme und Drücke zwischen Kolbenverdichtern und Turboverdiehtern. Da Schraubenverdichter keine hin- und hergehenden Massen wie Kolbenverdichter haben, können sie mit höheren Drehzahlen als diese betrieben werden. Der Schraubenverdichter hat eine nahezu senkrechte Kennlinie, d. h. der Enddruck ist nahezu unabhängig vom Volumenstrom. Eine Maschine mit einer senkrechten Kennlinie kann bei fester Antriebsdrehzahl nur schlecht geregelt werden; eine Drosselung des angesaugten Mediums erlaubt nur etwas geringere Leistungsaufnahmen bei Teillast.

Gewünscht ist für viele Fälle ein Kompressor mit großem Regelbereich und "steiler Kennlinie", damit der Druck bei Teillasten nicht absinkt und außerdem soll sowohl der Wirkungsgrad bei Nenn-

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last als auch der Teillastwirkungsgrad gut sein. Der Arbeitsbereich darf nicht durch plötzlich auftretende Instabilitäten (wie z. B. Pumpgrenze) eingeschränkt werden. Der Aufwand hierfür soll so gering wie möglich sein.

Diese Forderungen zu erfüllen, ist mit einstufigen Verdichtern und auch mit den bisher bekannten mehrstufigen Verdichtern nicht realisierbar.

Kommpressible Medien ändern ihr Volumen stark bei Drucksteigerung. Der Volumenstrom ändert sich entsprechend der Druckerhöhung während des Verdichterprozesses. Die Energieaufnahme des Arbeitsmittels für die Verdichtung ist temperaturabhängig. Für kleine Energiezufuhren, d. h. gute Wirkungsgrade muß das Medium gekühlt werden. Ein optimales Verdichtungsverfahren erfordert daher jeweils an die unterschiedlichen Volumen-Ströme angepaßte Größen der Verdichterstufen und Zwischenkühlung.

Bei mehrstufigen Schraubenverdichtern, die die obigen Forderungen erfüllen, wäre der Bauaufwand sehr groß, besonders für die ersten Stufen mit großen Volumenströmen.

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Mehrstufige Turboverdichter haben bei steiler Kennlinie nur einen kleineren Arbeitsbereich. Zwischenkühlung ist nur schwer möglich oder sehr aufwendig, ebenso der Betrieb der einzelnen Stufen bei jeweils optimalen Drehzahlen. Im Vergleich zu den Verdrängungsverdichtern ist die Druckerhöhung in einer Stuf.e bei Turboverdichtern kleiner. Es sind deshalb relativ viele Stufen nötig. Ein Verzweigungsgetriebe hierfür zur Anpassung der jeweils optimalen Drehzahlen für die einzelnen Stufen ist sehr aufwendig und würde große Leistungen verbrauchen. Instabilitätsgrenzen sind nicht zu vermeiden.

Auch eine kombinierte Anordnung von Turboverdichtern und Schraubenverdichtern derart, wie sie in der US-PS 36 40 646 oder der FR-PS 13 97 614 vorgeschlagen werden, können die Forderungen nicht erfüllen. Da Turboverdichter und Schraubenverdichter auf einer Welle mit gleicher Drehzahl laufen, ist ein optimaler Betrieb bei guten Wirkungsgraden für den diese Erfindung betreffenden Volumen- und Druckbereich ebenso wie bei den mehrstufigen Verdichtern gleicher Gattung nicht möglich.

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Aufgabe der Erfindung ist es, folgende Forderungen zu erfüllen:

1. großer Regelbereich,

2. steile Kennlinie,

3. guter Wirkungsgrad bei Voll- und Teillast,

4. keine plötzlich einsetzenden 3etriebsgrenzen,

5. kleiner Aufwand,

6. optimale Anpassung der Verdichterstufen an die jeweiligen Volumen-, Druck- und Temperaturbedingungen .

Die Erfindung erfüllt diese Forderungen mit Hilfe eines Verfahrens zur mehrstufigen Verdichtung von Gasen in der Weise, daß der gesamte Verdichtungsvorgang derart auf mehrere Stufen aufgeteilt ist, daß die einzelnen Verdichter im Bestpunkt betrieben werden und dabei die geringste Leistungsaufnahme erzielen, daß bei Teillast nur die erste und die letzte Verdichterstufe unter gegenüber der Nennlast stärker geänderten Bedingungen betrieben werden, während die Druckverhältnisse, die Volumenströme und somit der optimale Betrieb bei den mittleren Stufen gleichbleibend und daß bei Laständerung die Mengenanpassung in der ersten Verdichterstufe mittels eines Verstell- (Regel-, Drossel-) Verfahrens vorgenommen wird und in der

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letzten Stufe die Druckanpassung an den Verbraucher stattfinden. Dieses Verfahren zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß für die ersten Verdichterstufen Strömungsverdichter, insbesondere Turboverdichter radialer Bauart und in der letzten Stufe ein Verdrängungsverdichter, beispielsweise ein Schraubenverdichter verwendet werden, die alle zur jeweils optimalen Betriebsweise über ein Verzweigungsgetriebe mit mehreren Ausgängen angetrieben und strömungsmäßig hintereinander geschaltet rohrleitungsmäßig verbunden sind.

Erfindungsgemäß ist ein mehrstufiger Kompressor zur Durchführung dieses Verfahrens dadurch gekennzeichnet, daß Strömungsverdichter, insbesondere Schraubenverdichter, strömungsmäßig hintereinander geschaltet, durch Rohrleitungen verbunden und über ein Verzweigungsgetriebe mit mindestens zwei Abtriebswellen jede Verdichterstufe mit der für sie optimalen Drehzahl betrieben wird.

Nach einem weiteren Merkmal· der Erfindung beträgt die Anzahl der Verdichterstufen max. 4. Die erste Stufe ist immer ein Turboverdichter, während die letzte Stufe ein Verdrängungsverdxchter ist. Die dazwischenliegenden Stufen sind Turbo- oder Verdrängungsverdxchter .

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Erfindungsgemäß erzeugt die letzte Verdichterstufe bei Verdichtung ohne Einspritzkühlung im Nennbetrieb ein Druckverhältnis von 1 bis 2,5.

Die Verdichterstufen sind erfindungsgemäß fliegend an einem Getriebe angeflanscht und zwischen den Verdichterstufen ist mindestens ein Kühler angeordnet.

Für die Regelung der Verdichter ist ein Drosselorgan in der Ausgangsleitung vorgesehen. Dieses Drosselorgan ist vorzugsweise eine Dralldrossel.

Schließlich zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch aus, daß alle Anlagenteile des Kompressors auf einem gemeinsamen Grundrahmen montiert sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren, die Anordnung und der Aufbau der Verdichteranlage ergeben einen optimalen Betrieb im Teillastbereich und Wirkungsgrade, die für derart breite.Kennfelder bisher unbekannt waren. Da das Kennfeld auch nicht durch plötzlich einsetzende Betriebsgrenzen eingeschränkt wird, ist außerdem ein äußerst sicherer Betrieb der Verdichteranlage möglich.

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung nachstehend näher erläutert. Es zeigen

Figur 1: den schematischen Aufbau eines mehrstufigen Verdichters in der Perspektive,

Figur 2: einen schematischen Längsschnitt der Verdichteranlage und

Figur 3: ein Kennlinienbild zum erfindungsgemäßen Verfahren und der entsprechenden Verdichteranlage.

Die erste Verdichterstufe 4 ist immer ein Turbokompressor und die letzte Verdichterstufe 8 immer ein Schraubenkompressor oder ein anderer Verdrängungsverdichter. Die mittleren Stufen 7 können je nach Änwendungsfall weggelassen werden oder aber Turbo- oder Verdrängungsverdichter sein.

In Figur 1 ist ein Schema für eine Anordnung mit drei Verdichterstufen in der Reihenfolge Turbo-, Schrauben-, Schraubenverdichter dargestellt. Das Verzweigungsgetriebe ist im Ausführungsbeispiel so aufgebaut, daß über ein Zentralrad 2 und

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Ritzel 3 die einzelnen Verdichterstufen 4, 7, 8 mit optimaler Drehzahl angetrieben werden.

Eine beispiel- und vorteilhafte Anordnung des Verdichters ist in Figur 2 skizziert. Die Verdichterstufen 4, 7 und 8 sind an das Getriebegehäuse 11 angeflanscht. Je nach Zweckmäßigkeit können alle Verdichterstufen auf der dem Motor 1 abgewandten Seite oder aber sowohl auf dieser als auch auf der anderen Seite des Getriebes montiert werden, an der der Motor über eine Kupplung 10 mit dem Getriebe verbunden ist. In der Zuleitung vor der ersten Verdichterstufe 4 befindet sich zur Mengen- und Leistungsregelung ein Drosselorgan 5. Dieses Drosselorgan kann z. B. eine Dralldrossel oder eine einfache Drosselklappe sein.

Das Gas tritt über kombinierte Schalldämpfer und Filter 12 in den Verdichter ein. Die gesamte Verdichteranlage ist auf einem gemeinsamen Grundrahmen 13 aufgebaut. In diesem Grundrahmen kann der Ölbehälter 14 integriert sein. Außerdem sind alle Kühler 6 und sonstigen Hilfsaggregate, die im einzelnen nicht dargestellt sind, die Rohrleitungen, Steuerelemente, Ö!pumpen mit auf dem Grundrahmen angeordnet. Die Anlage kann mit einer Schallhaube versehen werden.

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Figur 3 gibt als Beispiel das Verhalten einer entsprechend Figur 1 aufgebauten Anlage wieder. Für andere erfindungsgemäße Aufteilungen ergibt sich ein analoges Verhalten. Aufgetragen ist auf der Ordinate im logarithmischen Maßstab der Druck hinter der Anlage in bar. Gleiche Ordinatendifferenzen bedeuten gleiche Druckverhältnisse. Auf der Abszisse ist der auf dem Nennmassenstrom m_n bezogene Ansaugmassenstrom in % dargestellt. Die eingezeichneten Kurven zeigen die Drücke vor und hinter den einzelnen Verdichterstufen in Ab- · hängigkeit vom Teillast-Massenstrom-Verhältnis in m/mg.

Es bedeuten in Figur 3:

der Druck vor den Drosselorganen 5

P, der Druck vor der ersten Verdichterstufe 4 und hinter dem Drosselorgan 5

P_ der Druck hinter der ersten Verdichterstufe und vor der zweiten Verdichterstufe 7,

P_ der Druck hinter der zweiten Verdichterstufe 7 und vor der dritten Verdichterstufe 8 und

P. der Druck hinter der dritten Verdichterstufe 8, der von dem Verbraucher verlangt wird.

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Der Pfeil d kennzeichnet, daß der Enddruck P₄ in Abhängigkeit vom Verbraucher schwanken kann. Die Strecke e gibt den Druckabfall an dem Drosselorgan 5 von P₀ auf P.. an; dieser Druckabfall wird bei Teillasten größer. Die Strecken a und b kennzeichnen die Druckerhöhung in der ersten Verdichterstufe 4 bzw. der zweiten Verdichterstufe

Das Druckverhältnis P₃/P_ mit dem von dieser Stufe das Gas verdichtet wird, bleibt in jedem Betriebspunkt konstant. Die Strecke c hingegen gibt das Druckverhältnis wieder, mit dem die letzte Stufe beaufschlagt wird.· Dieses wird bei Teillast größer.

Die Regelung auf Teillast kann einmal durch eine Drosselung des Ansaugstromes erfolgen. Hierbei wird durch Drucksenkung bei gleichem Volumenstrom der Massenstrom kleiner. Ein zweiter Weg besteht darin, den Ansaugstrom zum Turboverdichter mit einem Drall zu versehen, wodurch sowohl der durchgesetzte Massenstrom als auch das Druckverhältnis des Turboverdichters verringert wird. Im ersten Fall ist das Drosselorgan 5 eine Dosselklappe, während im zweiten Fall eine Dralldrosselung erforderlich ist. Bei Regelung mit einer Dralldrossel wird der Teillastwirkungsgrad besser

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als bei der einfachen Drosselung, da für die Verdichtung im Turbo-Kompressor weniger Leistung aufzubringen ist.

Der von den mittleren Stufen zu verarbeitende Volumenstrom bleibt bei Teillast konstant. Da auch das Druckverhältnis in den mittleren Verdichterstufen konstant bleibt, ändert sich bei der Regelung der Betriebspunkt dieser Stufen nicht. Sie arbeiten auch bei Teillast mit maximalen Wirkungsgraden, optimalen Durchsätzen und Geschwindigkeiten.

Die letzte Stufe arbeitet mit unterschiedlichen Druckverhältnissen. Das Ansaugvolumen bleibt ebenfalls gleich und erzeugt den Druck, der vom Verbraucher gefordert wird. Für solche Betriebsweisen ist ein Verdichter mit steiler Kennlinie erforderlich, weshalb als letzte Stufe immer ein Verdrängungsverdichter eingesetzt wird.

Damit die Anpassung an den Verbraucher auch bei kleinen Teillasten möglich ist, wird das Druckverhältnis dieses Verdichters im Nennpunkt nur klein ausgelegt, etwa bei Trockenläufern zwischen 1 und 2,5. DruckSchwankungen, die durch den Verbraucher bedingt sind, beeinflussen nicht den Be-

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trieb der vorderen Stufen. Wegen der großen Volumenströitie am Eintritt in die Verdichteranlage - der Druck ist hier noch gering - werden als erste Stufen zweckmäßigerweise Turboverdichter eingesetzt, da sie für diese Betriebsbedingungen von allen Verdichterbauarten am besten geeignet sind. Wegen der erfindungsgemäßen Anordnung arbeiten sie für alle Lastbedingungen optimal. Die Gefahr, daß die Pumpgrenze, die Instabilitätsgrenze oder die Schluckgrenze erreicht werden, besteht nicht.

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Claims (10)

GUTEHOFFNUNGSHÜTTE STERKRADE 4200 Oberhausen 11, den 26.10.78 Aktiengesellschaft PA..LIZ - Si/Th 2446 Patentansprüche

1.) Verfahren zur mehrstufigen Verdichtung von Gasen, insbesondere ölfreier Luft, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Verdichtungsvorgang derart auf mehrere Stufen aufgeteilt ist, daß die einzelnen Verdichter im Bestpunkt betrieben werden und dabei die geringste Leistungsaufnahme erzielen, daß bei Teillast nur die erste und die letzte Verdichterstufe unter gegenüber der Nennlast stärker geänderten Bedingungen betrieben werden, während die Druckverhältnisse, die Volumenströme und somit der optimale Betrieb bei den mittleren Stufen gleichbleiben und daß bei Laständerung die Mengenanpassung in der ersten Verdichterstufe und in der letzten Stufe die Druckanpassung an den Verbraucher stattfindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß für die ersten Verdichterstufen Strömungsverdichter, insbesondere Turboverdichter

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radialer Bauart und in der letzten Stufe ein Verdrängungsverdichter, beispielsweise ein Schraubenverdichter, verwendet werden, die alle zur jeweils optimalen Betriebsweise über ein Verzweigungsgetriebe mit mehreren Ausgängen angetrieben und strömungsmäßig hintereinander geschaltet rohrleitungsmäßig verbunden sind.

3. Mehrstufiger Kompressor zur Durchführung des Verfahrens zur Verdichtung von Gasen, insbesondere ölfreier Luft,

dadurch gekennzeichnet, daß Strömungsverdichter (4) insbesondere Turboverdichter radialer Bauart und Verdrängungsverdichter (7, 8) insbesondere Schraubenverdichter strömungsmäßig hintereinander geschaltet und durch Rohrleitungen verbunden sind und über ein Verzweigungsgetriebe (2, 3) mit -mindestens zwei Abtriebswellen jede Verdichterstufe mit der für sie optimalen Drehzahl betrieben wird.

4. Kompressor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Verdichterstufen max. 4 beträgt, die erste Stufe immer ein Turbover-

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dichter, die letzte Stufe ein Verdrängungsverdichter ist und daß die dazwischenliegenden Stufen Turbo- oder Verdrängungsverdichter sind.

5. Kompressor nach den Ansprüchen 1, 2, 3 und 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die letzte Verdichterstufe ein Druckverhältnis von 1 bis 2,5 erzeugt.

6. Kompressor nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichterstufen fliegend an einem Getriebe angeflanscht sind.

7. Kompressor nach den Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Verdichterstufen mindestens ein Kühler angeordnet ist.

8. Kompressor nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Regelung ein Drosselorgan in der Ansaugleitung vorgesehen ist.

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9. Kompressor nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselorgan vorzugsweise eine Dralldrossel ist.

10. Kompressor nach den Ansprüchen 3 bis 9,

dadurch gekennzeichnet, daß alle Anlagenteile auf einen gemeinsamen
Grundrahmen montiert sind.

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