Getriebe-Mehrwellenturbokompressor

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Getriebe-Mehrwellenturbokompressor mit mindestens jeweils einer Niederdruck-und Hochdruckstufe und strömungsmäßig hintereinander geschalteten Laufrädern, wobei auf parallel angeordneten Ritzelwellen, die über ein Zentralrad an dessen Umfang angetrieben werden, Laufräder fliegend befestigt sind.

[0002] Der externe Antrieb kann in bekannter Weise ein Elektromotor, eine Dampf- oder Gasturbine usw. sein.

[0003] Die Leistungsübertragung auf die Kompressor-Laufräder kann im Fall des indirekten Antriebes über die Ritzelwelle des Antriebes via Zentralrad via Ritzelwelle des Kompressor-Laufrades oder Zentralrad via Zwischenzahnräder via Ritzelwelle des Kompressor-Laufrades erfolgen.

[0004] Aus der US-A-3 861,820 ist ein mehrstufiger Getriebe-Mehrwellenturbokompressor mit strömungsmäßig hintereinander geschalteten Laufrädern bekannt, bei dem auf einer oder mehreren parallel zueinander angeordneten Ritzelwellen zwei oder mehr Kompressor-Laufräder befestigt sind, wobei bei den den Niederdruckstufen folgenden Stufen als Hochdruckstufengruppe mehrere Laufräder hintereinander unter Zwischenschaltung eines Scheibendiffusors und eines Rückführringes auf wenigstens einem Ritzelwellenende angeordnet sind. Hier bilden die Kompressorgehäuse selbständige Einheiten mit eigenen Lagern und sind mit dem Getriebegehäuse verbunden.

[0005] Die zahlreichen Kompressorlaufräder und Blindscheiben (dummies) jeder Welle sind jeweils auf einer beidseitig gelagerten Welle angeordnet, jedoch nicht fliegend.

[0006] Die Ansaugung zur ersten Kompressorstufe erfolgt nicht axial vom Ritzelwellenende aus, sondern radial. Die Durchströmungsrichtung der Laufräder erstreckt sich nicht vom Ritzelwellenende her in Richtung Getriebegehäuse, sondern entgegengesetzt.

[0007] Die Kompressorwellen der zweiten und der dritten Kompressoreinheit werden nicht über das Zentralrad, sondern über ein Zwischenzahnrad angetrieben.

[0008] Ein einwelliger Getriebeturbokompressor ist aus der US-A-3.941,506 bekannt.

[0009] Hier handelt es sich um die Laufradbefestigung von ein oder mehreren fliegend angeordneten Laufrädern auf einer Kompressorwelle. Die Stufengruppe entspricht zwar in ihrem Aufbau einer Stufengruppe eines Hochdruckteiles, es handelt sich jedoch nur um einen einwelligen Kompressor. Diese Bauart wird hauptsächlich bei niedrigen Umfangsgeschwindigkeiten als Kältekompressor eingesetzt. Ein Mehrwellenkompressor wird bei diesem Stand der Technik nicht gezeigt.

[0010] Aus der GB-A-595 011 ist ein Einwellen-Radialkompressor bekannt, bei dem die Laufräder von gleicher Größe und Form auf einer Welle angeordnet und auf der Ansaug- und Druckseite des Einwellen-Kompressors gelagert sind, wobei der Kompressor nur mit einem Ansaug- und einem Druckstutzen ausgestattet ist.

[0011] Bei den Getriebe-Mehrwellenturbokompressoren nach der DE-PS 974 418 ist auf jeder Ritzelwelle ein- oder beidseitig des Ritzels jeweils ein Kompressor-Laufrad fliegend angeordnet. Zwischen den Stufen befinden sich verbindende Rohrleitungen.

[0012] Das Gas tritt axial über das Ansauggehäuse in das Laufrad und wird im Spiralgehäuse verzögert. Mit zunehmender Verdichtung und damit kleiner werdendem Ansaugvolumenstrom der Kompressorstufen werden zur Beibehaltung optimaler Volumenstromzahlen die Laufräder im Außendurchmesser immer kleiner und die Drehzahlen der Ritzelwellen zur Beibehaltung der für das betreffende Stufenverdichtungsverhältnis erforderlichen Umfangsgeschwindigkeit der Laufräder immer höher. Das führt bei durch seine maximale Umfangsgeschwindigkeit vorgegebenem maximalem Durchmesser des Zentralrades zu immer kleineren Ritzeldurchmessern und Ritzel-Zähnezahlen.

[0013] Bei Erreichen der Grenz-Zähnezahl müssen noch Zwischenzahnräder zugeschaltet werden, um die Drehzahl weiter steigern zu können. Das führt zu weiteren mechanischen Reibungsverlusten in den Getriebelagern und Getriebezähnen.

[0014] Auch können bei den hohen Drehzahlen rotordynamische Probleme bezüglich der Schwingungsstabilität usw. auftreten.

[0015] Aus der DE-A 40 03 482 ist ein mehrstufiger GetriebeTurboverdichter mit einem ein zentrales Antriebszahnrad aufweisenden Getriebe bekannt, bei dem die Laufräder der Verdichterstufen auf den Enden von Ritzelwellen angeordnet sind, wobei die ersten Ritzelwellen durch das zentrale Antriebszahnrad angetrieben sind und das Getriebe zweistufig ist. Es enthält ein Zwischenzahnrad, das als Doppelzahnrad ausgebildet ist und aus einem ersten Zahnrad und einem zweiten Zahnrad besteht, wobei das erste Zahnrad mit dem zentralen Antriebszahnrad in Eingriff steht und das zweite Zahnrad einem kleineren Zahnmodul als das erste Zahnrad aufweist und die weiteren Ritzelwellen mit dem zweiten Zahnrad des Zwischenzahnrades in Eingriff stehen.

[0016] Aus der DE-U-92 01 858 ist ein mehrstufiger Getriebe-Turboverdichter mit einem ein zentrales Antriebszahnrad und ein Zwischenzahnrad aufweisenden zweistufigen Getriebe bekannt, bei dem die Laufräder der Verdichterstufen auf den Enden von Ritzelwellen angeordnet sind. Mindestens eine Ritzelwelle wird durch das zentrale Antriebszahnrad angetrieben.

[0017] Das einen unterschiedlichen Zahnmodul aufweisende Zwischenzahnrad steht einerseits mit dem zentralen Antriebszahnrad und andererseits mit mindestens einer weiteren Ritzelwelle in Eingriff.

[0018] Das Zwischenzahnrad ist als Tripelzahnrad ausgebildet, wobei die mit dem zentralen Antriebszahnrad kämmenden Zahnräder des Tripelzahnrades den größeren Zahnmodul aufweisen und mindestens ein Zahnrad des Tipelzahnrades im Durchmesser verschieden ist.

[0019] Bei beiden letztgenannten Verdichtern wird dabei jeweils ein zweistufiges Getriebe verwendet.

[0020] Die DE 42 41 141 zeigt eine Verdichteranlage mit einem im Antriebsstrang zwischen einer Antriebseinheit und einem Verdichterbereich der Anlage eingeschalteten Zahnradgetriebe, wobei zur Drehzahlerhöhung der Hochdruckstufe ein Planetengetriebe verwendet wird.

[0021] Die Verdichteranlage wird durch ein Zentralradgetriebe angetrieben, wobei das Zentralrad die mit den Verdichtern antriebsmäßig verbundenen Ausgangswellen über Ritzel dieser Ausgangswellen treibt. Bei wenigstens einem Teil der Ausgangswellen bildet das Ritzel das Sonnenrad eines Planetengetriebes. Der Planetenradträger dieses Planetengetriebes ist stationär festgelegt, und das Hohlrad des Planetengetriebes weist neben einer mit den Planetenrädern kämmenden Innenverzahnung eine Außenverzahnung im Eingriff mit dem Zentralrad auf.

[0022] Die in der DE-OS 25 18 628 dargestellte Lösung, bei der jeweils ein Paar Laufräder auf jeder Ritzelwelle nur einseitig auf der dem Antrieb abgewandten Seite des Getriebes Rücken an Rücken angeordnet ist, bietet rotordynamisch eher Verschlechterungen, zumal hier durch den zwischen Getriebegehäuse und Laufrad angeordneten radialen Ansaugstutzen ein großer Schwerpunktabstand des überhängenden Rotorteiles entsteht.

[0023] Zwischen den einzelnen Kompressorstufen ist normalerweise ein Zwischenkühler angeordnet, der das Gas wieder etwa auf die Anfangstemperatur der Verdichtung zurückkühlt. Dadurch sind auch die Endtemperaturen der einzelnen Kompressorstufen entsprechend niedrig, entsprechend der Temperaturerhöhung der Stufe.

[0024] Wird nun vom Prozeß her auch noch eine hohe Endtemperatur erforderlich, muß die Endstufe zur Erzielung der geforderten Endtemperatur mit entsprechend hoher Umfangsgeschwindigkeit laufen. Dadurch wird die Ritzelwellendrehzahl noch mehr gesteigert, wodurch die obengenannten Probleme weiter verschärft werden.

[0025] Ein Ausweg zur Vermeidung der hohen Umfangsgeschwindigkeit wäre die Steigerung der Stufendruckzahl, z. B. durch steilere Laufradaustrittswinkel, was jedoch das Kennlinienverhalten bezüglich der Pumpgrenze verschlechtert.

[0026] Eine andere Möglichkeit wäre die Hintereinanderschaltung zweier Stufen mit verbindender Rohrleitung ohne Zwischenkühler. Neben dem baulichen Mehraufwand für ein zweites Ritzelwellenende und zwei komplette Spiralstufen ergeben sich hierbei zusätzliche Strömungsverluste wegen der doppelten Energieumsetzung von Druck- und Geschwindigkeitsenergie, zusätzliche Leckverluste am Austritt der Ritzelwelle aus dem Spiralgehäuse und mechanische Reibungsverluste.

[0027] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Getriebe-Mehrwellenturbokompressor zu schaffen, der die genannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet und der sich dadurch auszeichnet, daß bei Getriebe-Mehrwellenturbokompressoren, insbesondere mit hohen Gesamtdruckverhältnissen, ein einwandfreies mechanisches Verhalten bei hohem Gesamtwirkungsgrad und geringem Bauaufwand realisiert wird.

[0028] Die Lösung der Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch aufgeführten Merkmale erreicht. In den Unteransprüchen 2 - 18 werden vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung beschrieben. In den Ansprüchen 19 - 22 werden die Merkmale eines Radialexpanders (Turbine) beschrieben, der durch Umkehrung der Dreh- und Strömungsrichtung des Getriebe-Mehrwellenturbokompressors entsteht.

[0029] Anspruch 23 beschreibt die Merkmale, nach denen beide Varianten in einer gemeinsamen Maschine angeordnet sind.

[0030] Die Lösung der Aufgabe wird bei dem Getriebe-Mehrwellenturbokompressor erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß mindestens an einem Ende der Ritzelwelle der Niederdruckstufe ein einzelnes Laufrad - mit oder ohne Deckscheibe - und am Ende der Ritzelwelle der Hochdruckstufe mehrere Laufräder, ebenfalls mit oder ohne Deckscheibe, hintereinander unter Zwischenschaltung von Scheibendiffusoren und Rückführringen angeordnet sind und wobei die Laufräder der Hochdruckstufe gegenüber dem Laufrad der Niederdruckstufe hoher Umfangsgeschwindigkeit mit reduzierter Umfangsgeschwindigkeit ausgeführt sind.

[0031] Die Niederdruckstufen werden hierbei als konventionelle Einzelstufen ausgeführt, die in üblicher Weise mit hoher Umfangsgeschwindigkeit und großem Schluckvermögen laufen un so den Volumenstrom bereits stark verkleinern.

[0032] Die Ansaugung zum ersten Laufrad der aus einer oder mehreren Rückführstufen und einer End-Spiralstufe gebildeten Hochdruck-Stufengruppe erfolgt über einen axialen Ansaugstutzen.

[0033] Der an das Laufrad anschließende Scheibendiffusor kann unbeschaufelt oder mit Diffusorleitschaufeln-Rückführring ausgeführt werden.

[0034] Durch die unmittelbare Überleitung der Austrittsströmung aus dem Scheibendiffusor über den Rückführring in die anschließende Stufe und der Anordnung der letzten Stufe jeder Stufengruppe unmittelbar neben dem Getriebegehäuse ergibt sich eine kompakte Bauweise, die den Schwerpunktabstand der Laufräder vom im Getriebegehäuse angeordneten Traglager minimiert.

[0035] Durch die unmittelbare Überleitung der Austrittsströmung werden in die Folgestufen einer Stufengruppe Druckverluste durch eine doppelte Druckumsetzung, d. h. Verzögern auf Rohrleitungsgeschwindigkeit und anschließende Beschleunigung auf Laufradeintrittsgeschwindigkeit der Folgestufe, vermieden.

[0036] Durch die Aufteilung der sonst von einem Laufrad hoher Umfangsgeschwindigkeit und Drehzahl zu erbringenden spezifischen Verdichtungsarbeit auf zwei oder mehr Stufen kann die Drehzahl erheblich gesenkt werden. Dabei lassen sich trotz des größeren Wellenüberhanges rotordynamisch günstigere Verhältnisse erzielen.

[0037] Strömungstechnisch ergeben sich folgende Vorteile:

[0038] Unter Beibehaltung der Volumenstromzahlen vergrößern sich bei der Drehzahlverringerung die Laufraddurchmesser; unter Beibehaltung der Laufraddurchmesser jedoch die Volumenstromzahlen. Beide Effekte sind bei den besonders im Hochdruck-Teil verwendeten kleinen Laufraddurchmessern und oft vorliegenden kleinen Volumenstromzahlen von positivem Einfluß auf den Strömungswirkungsgrad.

[0039] Bei in Strömungsrichtung gegenläufiger Anordnung von je einer Hochdruck-Stufengruppe auf den beiden Wellenenden einer Ritzelwelle findet zwischen beiden Hochdruck-Stufengruppen ein weitgehender Ausgleich der entgegengesetzt gerichteten, durch Strömungskräfte bewirkten Axialschübe statt. Ist dagegen nur noch eine Hochdruck-Stufengruppe auf einem Wellenende vorhanden, wird, insbesondere im Hinblick auf wechselnde Betriebszustände, am anderen Wellenende ein Entlastungskolben angeordnet, wenn für diesen Entlastungskolben auf dem Wellenende mit der erfindungsgemäßen Stufengruppe, die einen größeren Wellenüberhang als eine Einzelstufe hat, mit Rücksicht auf die Lage der kritischen Drehzahlen kein Platz mehr ist.

[0040] Dieser Entlastungskolben ist besonders gut für wechselnde Betriebsdrücke des Kompressors geeignet, wenn das den Axialschub erzeugende Gas aus der Radkammer hinter der letzten Stufe der auf der gleichen Ritzelwelle angeordneten Hochdruck-Stufengruppe zur Rückseite des Entlastungskolbens geleitet wird und das von der Hochdruck-Stufengruppe angesaugte Gas an das außenliegende Ende des Entlastungskolbens geleitet wird.

[0041] An den Rückführringen der ungekühlten Stufengruppen kann aus prozeßbedingten Gründen die Anbringung von Ein- bzw. Austrittsstutzen für die Einspeisung oder Entnahme von Gas erforderlich werden, wenn der vom Prozeß vorgegebene Einspeise- bzw. Entnahmedruck zwischen dem Ein- und Austrittsdruck einer Hochdruck-Stufengruppe liegt.

[0042] Die Laufräder können über Stirnverzahnungen, zweckmäßigerweise eine Hirth-Verzahnung, miteinander verbunden werden. Dies ermöglicht eine horizontal ungeteilte Ausführung der Gehäuseringe wie bei der konventionellen Einzelstufe.

[0043] Die Stirnverzahnung besteht aus radialen Nuten, die in die Stirnflächen der Laufräder eingearbeitet sind. Diese greifen ineinander, sind dadurch radial zentriert und übertragen das Drehmoment.

[0044] Die miteinander verzahnten Bauteile werden durch eine zentrale Dehnschraube, die in die Ritzelwelle eingeschraubt ist, axial zusammengehalten. Die Stirnverzahnungselemente können auch getrennt gefertigt und an den Laufrädern befestigt sein.

[0045] Um die Zahl der axial lösbaren Wellenverbindungen, wegen der dadurch im Rahmen ihrer Fertigungstoleranzen möglichen Radialverschiebungen der Rotorbauteile gegeneinander zu reduzieren, kann es erforderlich werden, die Laufräder einer Stufengruppe untereinander fest zu verbinden, z. B. durch eine Schrumpfverbindung und nur mit einer gemeinsamen Stirnverzahnung an der Ritzelwelle zu befestigen. Das erfordert eine horizontale Teilfuge am zwischen den Laufrädern einer Stufengruppe angeordneten Gehäusering. Das Außengehäuse kann dabei einschließlich saugseitigem und druckseitigem Deckel ungeteilt bleiben.

[0046] Die Stirnverzahnung kann dabei so in der verbundenen Nabe der Laufrädergruppe angeordnet sein, daß sie sich etwa im Massenschwerpunkt der Laufräder befindet.

[0047] Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Innengehäuse mit horizontaler Teilfuge ausgeführt und von einem horizontal ungeteilten Außengehäuse umgeben. In diesem Fall kann der gesamte Rotor ohne Zerlegen nach dem Wuchten in das Getriebe eingebaut werden. Im Gegensatz zur Topfbauweise bei Einwellenkompressoren kann dann aber auf der Getriebeseite kein horizontal ungeteilter Deckel das Mantelgehäuse abschließen.

[0048] Gas-Leckagen durch die verbleibende horizontale Teilfuge zur Außenatmosphäre bei hohen Gasdrücken werden durch die Absenkung des Zwischendruckes in der Gehäusekammer zwischen Innengehäuse und Getriebegehäuse über Entlastungsleitungen vermieden.

[0049] Bei mehrstufiger Anordnung der Laufräder ist es wegen der thermischen Ausdehnung des Rotors zweckmäßig, die Laufräder mit Deckscheibe auszuführen. Dies ist bei niedrigen Umfangsgeschwindigkeiten der Hochdruck-Stufengruppe gegenüber der einstufigen Ausführung mit hohen Umfangsgeschwindigkeiten auch möglich.

[0050] Wenn trotz Senkung der Ritzelwellendrehzahl wegen des länger überhängenden Wellenendes einer Hochdruck-Stufengruppe die kritischen Drehzahlen zu niedrig werden, wird zu deren Erhöhung erfindungsgemäß das erste Laufrad der Stufengruppe zur Verringerung der Rotormasse und Verlagerung des Massenschwerpunktes mit einem kleineren Außendurchmesser als die Laufräder der Folgestufen und/oder erforderlichenfalls ohne Deckscheibe ausgeführt. Andere Varianten bestehen darin, ein oder mehrere Laufräder aus einem Material mit einer Dichte unter der von Stahl, beispielsweise Titan- oder Aluminium-Legierungen, auszuführen.

[0051] Rotordynamische Probleme werden, insbesondere bei weit überhängenden Rotoren im Hochdruckbereich, in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung durch den Einsatz von aktiven Magnetlagern, die den Rotor über Sensoren in seiner Position halten und über eine regelbare Dämpfung verfügen, gelöst.

[0052] Dabei können neben den radialen Magnetlagern zur Aufnahme des restlichen Axialschubes die bekannten Druckkämme an den Getrieberitzeln oder gesonderte axiale Magnetlager eingesetzt werden.

[0053] Insbesondere bei dem relativ langen Wellenüberhang der erfindungsgemäßen Hochdruck-Stufengruppen müssen subsynchrone Wellenschwingungen vermieden werden, die bei hohen Gasdrücken auftreten können. Zur sicheren Vermeidung dieser Drallströmungen in den Labyrinthen der Laufrad- und Wellendichtungen sind in diesem Fall die Gehäusewände der Radkammern mit Drallbrechnuten versehen, die den Drall aus dem Leckstrom bereits vor Eintritt in die Labyrinthdichtungen herausnehmen. Für einen noch zu erwartenden Restdrall sind die Labyrinthdichtungen auf der Leckstrom-Eintrittsseite mit senkrecht zur Umfangsrichtung angeordneten Drallbrechrippen ausgerüstet. Zusätzlich wird Sperrgas ohne Drall oder mit Gegendrall aus dem radial äußerem Bereich der Radkammern in die Labyrinthe geleitet, welches ein Eintreten von rotierenden Leckströmen aus der Radkammer in die Labyrinthdichtung verhindert.

[0054] Zur Erzielung eines weiten Arbeitsbereiches bei hohem Teillastwirkungsgrad werden bei Kompressoren axiale Vorleiträder und Nachleiträder mit verstellbaren Diffusorleitschaufeln eingesetzt.

[0055] Bei den hier betrachteten Stufengruppen erweist es sich vom Bauaufwand her und strömungstechnisch als zweckmäßig, die erste Stufe einer Stufengruppe mit einem axialen Vorleitrad und die letzte Stufe mit einem verstellbaren Nachleitrad vor der Endspirale auszurüsten.

[0056] Durch Umkehrung der Strömungsrichtung der als Getriebe-Mehrwellenturbokompressor konzipierten Getriebe-Mehrwellenturbomaschine, d. h. Eintritt des Gases auf der Hochdruckseite und Austritt des Gases auf der Niederdruckseite bei Umkehrung der Drehrichtung, arbeitet die Getriebe-Mehrwellenturbomaschine bei gleichem prinzipiellen konstruktivem Aufbau als Radialexpander. Gegenüber der konventionellen Bauweise wird durch die erfindungsgemäße Stufenanordnung im Hochdruckteil ein gleichbleibendes oder sogar größeres Gefälle pro Ritzelwellenende bei guter Schwingungsstabilität erreicht.

[0057] Hierbei wird die Austrittsspirale des Kompressors zur Eintrittsspirale des Radialexpanders, der unbeschaufelte oder beschaufelte Scheibendiffusor zum Eintrittsleitrad, der Ansaugstutzen der Stufengruppe zum Austrittsdiffusor. Der Rückführring kann hierbei beschaufelt oder unbeschaufelt ausgeführt werden.

[0058] Lediglich die Profilierung der Schaufelgitter der Lauf-, Leit- und Rückführschaufeln wird der umgekehrten Strömungsrichtung angepaßt.

[0059] Bei hohen Druckverhältnissen, d. h. hier bei großen Enthalpiegefällen, sind die Gasvolumenströme am Beginn der Entspannung noch sehr klein und erfordern zur Erzielung optimaler Volumenstromzahlen kleine Laufraddurchmesser. Die Drehzahlen der Ritzelwellen müssen zur Beibehaltung der für das betreffende Enthalpiegefälle erforderlichen Umfangsgeschwindigkeit entsprechend hoch liegen. Das würde bei konventioneller Stufenanordnung zu den gleichen Getriebeproblemen wie bei den Kompressoren führen.

[0060] Mit der erfindungsgemäßen Bauweise ergeben sich auch bei der Kombination von Kompressoren und Radialexpandern in einem gemeinsamen Getriebegehäuse Vorteile. Durch die Kombination von Hochdruck-Stufengruppen von Kompressoren und Radialexpandern auf einer gemeinsamen Ritzelwelle kann der Baufaufwand gesenkt werden. Zur Angleichung der optimalen Drehzahlen bei vorgegebenem Stufendruckverhältnis und Enthalpiegefälle kann die Zahl der Kompressor- bzw. Radialexpanderstufen einer Ritzelwelle variiert und optimiert werden.

[0061] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand von schematischen Zeichnungen dargestellt, wobei die ersten vier Figuren Getriebe-Mehrwellenturbokompressoren nach dem Stand der Technik zeigen.

[0062] Es zeigen im einzelnen:

Fig. 1

eine stirnseitige Ansicht eines mehrstufigen Getriebe-Mehrwellenturbokompressors nach dem Stand der Technik mit drei Ritzelwellen,

Fig. 2

einen Schnitt A-A durch die untere horizontale Teilfuge eines Turbokompressors nach Fig. 1,

Fig. 3

einen Schnitt B-B durch die obere horizontale Teilfuge eines Turbokompressors nach Fig. 1, dessen Niederdruckteil nach Fig. 2 ausgeführt ist,

Fig. 4

einen vertikalen Schnitt durch ein Ritzelwellenende eines Getriebe-Mehrwellenturbokompressors nach dem Stand der Technik, gemäß Fig. 1,

Fig. 5

einen Schnitt A-A durch die untere horizontale Teilfuge eines erfindungsgemäßen Turbokompressors mit einer konventionellen Niederdruck-Welle und einer neuartigen Hochdruck-Welle mit den Stufen III bis VI,

Fig. 6

einen Schnitt A-A durch die untere horizontale Teilfuge eines erfindungsgemäßen Turbokompressors mit neuartigen Stufen IV und V,

Fig. 7

einen Schnitt B-B durch die obere Teilfuge eines erfindungsgemäßen Turbokompressors, dessen Niederdruck-Teil nach Fig. 2 ausgeführt ist, mit je zwei neuartigen Stufen V, VI, VII, VIII an den Ritzelwellenenden,

Fig. 8

einen Schnitt B-B durch die obere horizontale Teilfuge eines erfindungsgemäßen Turbokompressors mit zwei neuartigen Stufen und einem Entlastungskolben am anderen Ritzelwellenende,

Fig. 9

einen horizontalen Schnitt durch ein Ritzelwellenende ähnlich Fig. 7 mit in das Laufrad integriertem Entlastungskolben,

Fig. 10

einen horizontalen Schnitt durch ein Ritzelwellenende mit einer ersten Stufe ohne Deckscheibe,

Fig.11

einen vertikalen Schnitt durch ein Ritzelwellenende mit zwei auf die Welle geschrumpften Laufrädern,

Fig.12

einen horizontalen Schnitt entspr. Fig. 10 mit zusätzlichen Einspeisungskanälen,

Fig.13

einen horizontalen Schnitt entspr. Fig. 10 mit zusätzlichen Entnahmekanälen,

Fig.14

einen Schnitt durch die obere horizontale Teilfuge eines erfindungsgemäßen Turbokompressors mit aktiver Magnetlagerung,

Fig.15

einen Schnitt durch die obere horizontale Teilfuge eines erfindungsgemäßen Turbokompressors mit radialer aktiver Magnetlagerung und axialen Druckkämmen am Ritzel,

Fig.16

einen horizontalen Schnitt durch ein Ritzelwellenende ähnlich Fig. 7 mit zwei Laufrädern mit Deckscheibe und nur einer Stirnverzahnung,

Fig.17

einen Schnitt durch ein Ritzelwellenende eines erfindungsgemäßen Turbokompressors mit einer Hirthverzahnung im Schwerpunkt der Stufen,

Fig.18

einen Schnitt durch ein Wellenende eines erfindungsgemäßen Turbokompressors mit Drallbrechern und Sperrgaseinleitung,

Fig.18a

eine Ansicht A von Fig. 18

"   18b

"   "   B "   "   "

"   18c

"   "   C "   "   "

"   18d

"   "   D "   "   "

Fig.19

einen vertikalen Schnitt durch ein Wellenende eines erfindungsgemäßen Turbokompressors mit axialem Vorleitrad vor der ersten Stufe und radialem Nachleitrad in der letzten Stufe,

Fig.20

einen Schnitt A-A durch die untere horizontale Teilfuge eines erfindungsgemäßen Radialexpanders mit einer Ritzelwelle mit den Hochdruck-stufen I bis IV und einer Ritzelwelle mit konventionellen Niederdruckstufen V und VI,

Fig.21

einen horizontalen Schnitt durch ein Ritzelwellenende eines Radialexpanders.

Fig.22

einen Schnitt A-A durch die horizontale Teilfuge einer Getriebe-Mehrwellenturbomaschine mit einer Ritzelwelle mit den Hochdruckstufen II und III eines Turbokompressors sowie den Hochdruckstufen I und II eines Radialexpanders und einer Ritzelwelle mit der Niederdruckstufe I des Turbokompressors und III des Radialexpanders.

[0063] Fig. 1 zeigt die stirnseitige Ansicht eines bekannten Turbokompresors. An einem Getriebegehäuse (1) sind drei Kompressorstufen mit Spiralgehäuse (2) befestigt, die über eine zentrale Antriebswelle (3) bzw. eine am Umfang des Zentralrades angeordnete Ritzelwelle (4) angetrieben werden, in die die Ritzelwellen (6) der Niederdruckstufen und die Ritzelwellen (6a) der Hochdruckstufen greifen.

[0064] Fig. 2 stellt einen Schnitt durch die untere Teilfuge eines derartigen Turbokompressors dar.

[0065] Das Gas gelangt über das Ansauggehäuse (7) in das Laufrad (8). Im Spiralgehäuse (2) findet eine Verzögerung des Gasstromes statt.

[0066] Die Laufräder (8) der Stufen I bis IV sind wegen der zunehmenden Verdichtung zur Beibehaltung optimaler Volumenstromzahlen im Außendurchmesser immer kleiner dimensioniert.

[0067] In Fig. 3, einem Schnitt durch die obere horizontale Teilfuge des Hochdruckteiles eines Turbokompressors nach Fig. 1, sind konstruktive Einzelheiten wie Zahnrad (5) und Ritzelwelle (6a), Laufräder (8a), Gehäuse (1), etc. erkennbar. Der Niederdruckteil ist nach Fig. 2 ausgeführt.

[0068] Fig. 4 verdeutlicht in einem Vertikalschnitt durch ein Ritzelwellenende (6a) konstruktive Merkmale der Hochdruckstufe des Getriebe-Mehrwellenturbokompressors des Standes der Technik nach Fig. 1.

[0069] Den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Turbokompressors zeigt Fig. 5.

[0070] Der Turbokompressor mit den Spiralgehäusen (2) und den Ansaugstutzen (7) ist mit einer konventionellen Niederdruck-Welle (6) mit den Stufen I und II und einer erfindungsgemäßen Hochdruck-Welle (6a) mit den Stufen III bis VI ausgerüstet.

[0071] Auf der Hochdruck-Welle (6a) sind jeweils zwei Kompressor-Laufräder (8a) auf dem gleichen Ritzelwellenende in gleicher Strömungsrichtung angeordnet. Zwischengeschaltet sind Scheibendiffusoren (9) und Rückführringe (10).

[0072] Fig. 6 ist ein Schnitt durch die untere horizontale Teilfuge eines Turbokompressors nach der Erfindung mit den erfindungsgemäßen Hochdruck-Stufen IV und V, wobei auf der Ritzelwelle (6a) zwei Laufräder (8a) hintereinander angeordnet sind. Zwischengeschaltet sind auch hier Scheibendiffusoren (9) und Rückführringe (10).

[0073] Aus Fig. 7, einem Schnitt durch die obere horizontale Teilfuge eines erfindungsgemäßen Turbokompressors, erkennt man konstruktive Einzelheiten von je zwei Hochdruckstufen (V, VI und VII, VIII) an den Ritzelwellenenden (6a). Der Niederdruckteil ist bei diesem Turbokompressor in konventioneller Art gem. Fig. 2 ausgeführt. Dabei weist das erste Laufrad (8a) der Hochdruck-Stufengruppen einen verkleinerten Außendurchmesser auf. Die Laufradbefestigung erfolgt hierbei mit Hilfe der bekannten Hirth-Verzahnung, einer Stirnverzahnung (11) mit einer zentralen Befestigungsschraube (12).

[0074] Durch die axial gegenläufige Anordnung der beiden Stufengruppen erfolgt ein Ausgleich der von jeder Stufengruppe infolge der Druckunterschiede vor und nach den Laufrädern (8a) erzeugten Axialschübe.

[0075] Bei dem Turbokompressor nach Fig. 8, einem Kompressor mit zwei Hochdruck-Stufen und Laufrädern (8a) an einem Ritzelwellenende (6a), ist am entgegengesetzten Ritzelwellenende (6a) ein Entlastungskolben (15) innerhalb eines druckfesten Gehäuses (13) angeordnet, der dem Ausgleich von Axialschüben dient.

[0076] In diesem Beispiel wird verdichtetes Gas aus der Radkammer (27) über die Leitung (24a) der inneren Kammer (28a) am Entlastungskolben zugeführt, während die äußere Kammer (28) über die Entlastungsleitung (24) zum Saugstutzen (7) der ersten Stufe der Stufengruppe im Druckniveau abgesenkt wird.

[0077] Fig. 9, ein horizontaler Schnitt durch ein Ritzelwellenende (6a), zeigt die konstruktive Ausführung mit zwei Kompressor-Laufrädern mit Deckscheibe (8a), wobei beide Laufräder (8a) den gleichen Außendurchmesser aufweisen. Das Innengehäuse (17) ist ungeteilt und in das zweite Laufrad (8a) ist ein Entlastungskolben (15) integriert.

[0078] Fig. 10 zeigt in einem horizontalen Schnitt ein Ritzelwellenende (6a) mit einem ungeteilten Innengehäuse anderer Ausführung (17a). Das erste Laufrad (8) besitzt keine Deckscheibe und hat einen kleineren Außendurchmesser als die Folgestufe mit Deckscheibe (8a).

[0079] Aus Fig. 11 ist das Ritzelwellenende (6a) eines erfindungsgemäßen Turbokompressors mit zwei auf die Ritzelwelle (6a) geschrumpften Laufrädern (8a) mit einer dazwischen angeordneten Wellenbüchse (29) erkennbar. Das Kompressor-Innengehäuse ist horizontal geteilt und mit seinem Unterteil am Getriebegehäuse verschraubt. Das Innengehäuse-Oberteil (18a) ist nach dem Einlegen der Ritzelwelle (6a) mit dem Innengehäuse-Unterteil (18b) verschraubt.

[0080] Das ungeteilte Außengehäuse (19) wird anschließend darüber geschoben und axial mit dem Getriebegehäuse-Mittel- (25a) und -Oberteil (25) verschraubt, wodurch eine zusätzliche Gehäusekammer (26) gebildet wird, die über die Entlastungsleitung (24) druckentlastet werden kann.

[0081] Ein Turbokompressor entsprechend Fig. 10 besitzt gemäß horizontalem Schnitt nach Fig. 12 zusätzlich Gas-Einspeisekanäle (20) zwischen den Kompressor-Stufen, die im saugseitigen Gehäusedeckel (30) enden.

[0082] In Fig. 13, einem Schnittbild entsprechend Fig. 10, sind zusätzliche Gas-Entnahmekanäle (21) ersichtlich, die zwischen den beiden dargestellten Kompressor-Stufen eingezeichnet sind und im saugseitigen Gehäusedeckel (30) enden.

[0083] Fig. 14, ein Schnitt durch die obere horizontale Teilfuge eines Getriebe-Mehrwellenturbokompressors nach der Erfindung mit den Laufrädern (8a), soll auf die radialen (22) und das axiale Magnetlager (23) hinweisen, die dynamische Probleme ausgleichen, indem die Magnetlager über Sensoren die Ritzelwelle (6a) in der gewollten Position halten.

[0084] Fig. 15, ein Schnitt durch die obere horizontale Teilfuge eines Getriebe-Mehrwellenturbokompressors nach der Erfindung mit den Laufrädern (8a), zeigt radiale Magnetlager (22) an der Ritzelwelle (6a). Der restliche Axialschub wird hier in konventioneller Weise von Druckkämmen (39) über das Zentralrad (5) vom nicht dargestellten axialen Drucklager der Zentralradwelle aufgenommen.

[0085] Fig. 16, ein horizontaler Schnitt durch ein Ritzelwellenende (6a), zeigt die konstruktive Ausführung mit zwei Kompressor-Laufrädern mit Deckscheibe (8a), wobei beide Laufräder (8a) den gleichen Außendurchmesser aufweisen. Beide Laufräder (8a, 8b) sind fest miteinander verbunden, hier ist das Laufrad (8a) mit Deckscheibe auf der verlängerten Nabe von Laufrad (8b) aufgeschrumpft dargestellt. Dadurch ist nur eine Hirthverzahnung (11) erforderlich, jedoch muß das Innengehäuse (18) zum Einbau horizontal geteilt (18a, 18b) ausgeführt werden. In das zweite Laufrad (8b) ist ein Entlastungskolben (15) integriert.

[0086] Fig. 17 stellt konstruktive Einzelheiten einer Laufradbefestigung (8a, 8b) dar. Das zweite Laufrad (8b) mit verlängerter Nabe der Hochdruck-Stufengruppe umschließt mit seiner verlängerten Nabe das Ritzelwellenende (6a), in dessen Stirnseite eine Hirth-Verzahnung gefräst ist. In die verlängerte Nabe ist auf einem Vorsprung (42) aus Fertigungsgründen ein Ring (11a) mit einer Gegen-Hirth-Verzahnung eingesetzt. Das erste Laufrad (8a) ist über eine Zentrierung (43) fest mit dem zweiten Laufrad (8b) verbunden (geschrumpft, gelötet, geschweißt).

[0087] Beide Laufräder (8a, 8b) sind gemeinsam mit der zentralen Befestigungsschraube (12) am Ritzelwellenende (6a) angebracht.

[0088] Fig. 18 sowie die Fig. 18a - 18d zeigen Einzelheiten zu Drallbrechern und zur Sperrgaseinleitung.

[0089] Die in Fig. 18 dargestellten Buchstaben A, B, C und D bezeichnen die Ausschnittsvergrößerungen in Fig. 18a - 18 d.

[0090] In die Laufradkammer (27) des ersten und zweiten Laufrades (8a) sind deckscheibenseitig und in die Laufradkammer des zweiten Laufrades (8a) radscheibenseitig radiale Drallbrechnuten (35) eingearbeitet, die den von den Laufradaußenflächen im Leckstrom zu den Labyrinthdichtungen (36) der beiden Laufräder (8a), Welle (6a) und des Entlastungskolbens (15) erzeugten Drall brechen sollen. In den Labyrinthdichtungen (36) sind gaseintrittsseitig senkrecht zur Umfangsrichtung Drallbrechrippen (37) angeordnet, die noch in die Labyrinthdichtung (36) eingetretene Drallkomponenten der Strömungsgeschwindigkeit vernichten sollen.

[0091] Infolge der Druckdifferenz zwischen dem radial äußerem Bereich der Radkammern (27) und der Saugöffnung der Laufräder (8a) wird ein Sperrgasstrom durch die Bohrungen (38) in die Labyrinthdichtung (36) der beiden Laufräder (8a) geleitet, um das etwaige Eindringen noch drallbehafteter Strömung aus der an die Labyrinthdichtung (36) angrenzenden Laufradkammer zu verhindern. Beim Entlastungskolben (15) gilt entsprechendes.

[0092] Die Labyrinthdichtung (36) auf der Zwischenbüchse (40) zwischen den Stufen wird mit Sperrgas aus der Radkammer der Folgestufe über die Bohrungen (38) versorgt.

[0093] Gemäß Fig. 19 ist vor der ersten Stufe eines Kompressors ein Vorleitrad (31) mit Verstelleinrichtung (34) sowie nach der zweiten Stufe ein Nachleitrad (32) mit Verstelleinrichtung (32a) zu sehen.

[0094] Fig. 20 zeigt den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Radialexpanders durch die untere horizontale Teilfuge.

[0095] Der Radialexpander ist mit einer erfindungsgemäßen Ritzelwelle (6a) mit den Hochdruck-Stufen I bis IV und einer konventionellen Ritzelwelle (6) mit den Niederdruckstufen V und VI ausgerüstet. Auf der Hochdruck-Ritzelwelle (6a) sind jeweils zwei Expander-Laufräder (8a) auf dem gleichen Ritzelwellenende (6a) in gleicher Strömungsrichtung angeordnet.

[0096] Aus dem als Spiralgehäuse ausgebildeten Eintrittsgehäuse (2a) und dem im Scheibenringraum (9a) angeordneten Leitrad (33a) tritt das Gas in das Laufrad (8a) und anschließend über den Rückführring (10a) in die zweite Stufe, von dort in den Austritts-Kegeldiffusor (7a) des Radialexpanders.

[0097] Fig. 21 zeigt in einem horizontalen Schnitt ein Ritzelwellenende (6a) eines Radialexpanders mit einem ungeteilten Innengehäuse (17a). Am Eintritt der Laufräder (8) sind im Scheibenringraum (9a) Eintrittsleiträder (33a) angeordnet. Der Rückführring (10a) ist hier schaufellos ausgeführt und dient zur Umlenkung und als Radialdiffusor nach dem ersten Laufrad (8a).

[0098] Fig. 22 zeigt die Kombination einer Getriebe-Mehrwellenturbomaschine mit einem erfindungsgemäßen Turbokompressor (linke Bildseite) mit einem Radialexpander (rechte Bildseite), wobei der Turbokompressor ein anderes Medium verdichtet als im Radialexpander entspannt wird. Im Hochdruckbereich der Verdichtung des Turbokompressors (Stufengruppe II und III) sowie bei der Expansion im Radialexpander (Stufengruppe I und II) sind die verschiedenartigen Volumenströme klein und lassen eine gleichhohe Ritzelwellendrehzahl zu. Durch die Anordnung der Laufräder (8a) auf einer gemeinsamen Ritzelwelle (6a) wird der Bauaufwand der kombinierten Getriebe-Mehrwellenturbomaschine gesenkt und die Axialschübe werden weitgehend ausgeglichen.

[0099] Im Niederdruckbereich der Verdichtung des Kompressors (Stufe I) und der Expansion des Radialexpanders (Stufe III) sind die Volumenströme von gleicher Größenordnung, wodurch auch hier die Anordnung der Laufräder (8) betreffenden Stufen auf einer gemeinsamen Ritzelwelle (6) Vorteile bietet.

[0100] Bezugsziffernliste:

1

Getriebegehäuse

2

Spiralgehäuse bei Kompressoren

2a

Eintrittsgehäuse bei Turbinen

3

Antriebswelle des Zentralrades

4

Ritzelwelle, am Umfang des Zentralrades, für externen Antrieb

5

Zentralrad

6

Ritzelwelle für Kompressor- und/oder Radialexpanderstufen für Niederdruckstufen

6a

Ritzelwelle für Kompressor- und/oder Radialexpanderstufen für Hochdruckstufen

7

Ansaugstutzen für Kompressor-Stufen

7a

Austrittsdiffusor für Radialexpander-Stufen

8

Laufrad ohne Deckscheibe

8a

Laufrad mit Deckscheibe

8b

Laufrad mit verlängerter Nabe

9

Scheibendiffusor

9a

Scheibenringraum bei Radialexpander

10

Rückführring des Kompressors

10a

Rückführring des Radialexpanders

11

Stirnverzahnung (nach Hirth)

11a

Ring mit Hirth-Verzahnung

12

zentrale Befestigungsschraube für Stirnverzahnung

13

druckfestes Gehäuse für Entlastungskolben

14

Wellendichtung

14a

Horizontal geteiltes Wellendichtungs-Oberteil

14b

Horizontal geteiltes Wellendichtungs-Unterteil

15

Entlastungskolben

16

Dichtung von 15

17

ungeteiltes Innengehäuse

17a

ungeteiltes Innengehäuse (anderer Ausführung)

18

geteiltes Innengehäuse

18a

Oberteil von 18

18b

Unterteil von 18

19

ungeteiltes Außengehäuse

20

Einspeisekanal

21

Entnahmekanal

22

radiales Magnetlager

23

axiales Magnetlager

24

Entlastungsleitung

24a

Leitung zum Entlastungskolben

25

Getriebegehäuse-Oberteil von 1

25a

Getriebegehäuse-Mittelteil von 1

25b

Getriebegehäuse-Unterteil von 1

26

Gehäusekammer

27

Radkammer

27a

Gehäusewand der Radkammer

28

Äußere Kammer am Entlastungskolben

28a

Innere Kammer am Entlastungskolben

29

Wellenbuchse

30

saugseitiger Gehäusedeckel

30a

Einsatz zum saugseitigen Gehäusedeckel

31

Vorleitrad

32

Nachleitrad

32a

Verstelleinrichtung Nachleitrad

33

Leitschaufeln

33a

Eintrittsleitrad Radialexpander

34

Verstellung Vorleitrad

35

Radiale Drallbrechnuten

36

Labyrinthdichtung

36a

Labyrinthringe

37

Drallbrechrippen

38

Sperrgaszuführung

39

Druckkamm

40

Zwischenbuchse

41

Dichtung

42

Vorsprung der Laufradnabe

43

Zentrierung in der Laufradnabe

I, II, III, IV, V, VI, VI, VII, VIII Reihenfolge der Druckstufen in Strömungsrichtung.

Ansprüche

1. Getriebe-Mehrwellenturbokompressor mit mindestens jeweils einer Niederdruck- und Hochdruckstufe und strömungsmäßig hintereinander geschalteten Laufrädern (8, 8a), wobei auf parallel angeordneten Ritzelwellen (6, 6a), die über ein Zentralrad (5) an dessen Umfang angetrieben werden, Laufräder (8, 8a) fliegend befestigt sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens an einem Ende der Ritzelwelle (6) der Niederdruckstufe ein einzelnes Laufrad (8, 8a) und am Ende der Ritzelwelle (6a) der Hochdruckstufe mehrere Laufräder (8, 8a) hintereinander unter Zwischenschaltung von Scheibendiffusor (9) und Rückführring (10) angeordnet sind.

2. Getriebe-Mehrwellenturbokompressor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Laufräder (8, 8a) der Hochdruckstufe mit einer gegenüber dem Laufrad (8, 8a) der Niederdruckstufe hoher Umfangsgeschwindigkeit reduzierter Umfangsgeschwindigkeit ausgeführt sind.

3. Getriebe-Mehrwellenturbokompressor nach den Ansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Niederdruck- und Hochdruckstufe mit axialer Ansaugung über Ansaugstutzen (7) ausgeführt sind.

4. Getriebe-Mehrwellenturbokompressor nach den Ansprüchen 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf einer Seite einer Hochdruck-Ritzelwelle (6a) eine Hochdruck-Stufengruppe (III, IV) und auf der anderen Seite allein ein Entlastungskolben (15) angeordnet ist.

5. Getriebe-Mehrwellenturbokompressor nach den Ansprüchen 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß an einem oder mehreren Rückführringen (10) Stutzen für Einspeisung (20) oder Entnahme (21) von Gas zur Vergrößerung bzw. Verkleinerung des geförderten Gasstromes angeordnet sind.

6. Getriebe-Mehrwellenturbokompressor nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß Laufräder (8, 8a) von Hochdruckstufen durch Stirnverzahnungen (11) und Zentralbolzen (12) verbunden sind.

7. Getriebe-Mehrwellenturbokompressor nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Innengehäuse (18) mit horizontaler Teilfuge ausgeführt ist und das horizontal ungeteilte Außengehäuse (19) das geteilte Innengehäuse (18) mit dem Rotor umschließt, daß das Getriebegehäuse (1) mit dem geteilten Innengehäuse (18) eine zusätzliche Gehäusekammer (26) bildet, und daß an die Gehäusekammer (26) eine Entlastungsleitung (24) angeschlossen ist.

8. Getriebe-Mehrwellenturbokompressor nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Laufräder (8a) einer Hochdruck-Stufengruppe mit Deckscheibe ausgeführt sind.

9. Getriebe-Mehrwellenturbokompressor nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Laufrad (8) der ersten Stufe einer Hochdruck-Stufengruppe ohne Deckscheibe ausgeführt ist.

10. Getriebe-Mehrwellenturbokompressor nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Laufrad (8, 8a) der ersten Stufe einer Hochdruck-Stufengruppe einen kleineren Außendurchmesser (D) als die über den Rückführring (10) angeschlossene Stufe hat.

11. Getriebe-Mehrwellenturbokompressor nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein oder mehrere Laufräder (8 bzw. 8a) einer Hochdruck-Stufengruppe aus Material geringerer Dichte als Stahl gefertigt sind.

12. Getriebe-Mehrwellenturbokompressor nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine oder mehrere Hochdruck-Ritzelwellen (6a) in Magnetlagern (22, 23) gelagert sind.

13. Getriebe-Mehrwellenturbokompressor nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine oder mehrere Hochdruck-Ritzelwellen (6a) in radialen Magnetlagern (22) gelagert sind und diese Hochdruck-Ritzelwellen (6a) und das Zentralrad (5) axiale Druckkämme (39) aufweisen.

14. Getriebe-Mehrwellenturbokompressor nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwei der mehr Laufräder (8 bzw. 8a) einer Hochdruck-Stufengruppe mit einer gemeinsamen Stirnverzahnung (11) am Ende einer Hochdruck-Ritzelwelle (6a) befestigt sind.

15. Getriebe-Mehrwellenturbokompressor nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die gemeinsame Stirnverzahnung (11) im Bereich des Schwerpunktes der Laufräder (8 bzw. 8a) angeordnet ist.

16. Getriebe-Mehrwellenturbokompressor nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß Gehäusewände der Radkammern (27a) mit radialen Drallbrechnuten (35) versehen sind.

17. Getriebe-Mehrwellenturbokompressor nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Labyrinthdichtungen (36) im mittleren Bereich der Labyrinthe Sperrgaszuführungen (38) münden und in den Randbereichen der Leckstrom-Eintrittsseite der Labyrinthe Drallbrechrippen (37) senkrecht zur Umfangsrichtung vorhanden sind.

18. Getriebe-Mehrwellenturbokompressor nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß vor der ersten Stufe einer Hochdruck-Stufengruppe ein verstellbares Vorleitrad (31) und in der letzten Stufe der Hochdruck-Stufengruppe ein verstellbares Nachleitrad (32) angeordnet sind.

19. Getriebe-Mehrwellenturbokompressor nach den Ansprüchen 1 bis 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß dieser durch Umkehrung der Strömungsrichtung, d.h. Eintritt des Gases auf der Hochdruckseite (2a) und Austritt des Gases auf der Niederdruckseite (7a) als Radialexpander (Turbine) ausgebildet ist.

20. Getriebe-Mehrwellenturbokompressor nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Austrittsspirale (2) einer Hochdruckstufengruppe des Kompressors als Eintrittsspirale (2a) einer Hochdruck-Stufengruppe eines Radialexpanders, der Scheibendiffusor (9) einer Hochdruck-Stufengruppe eines Kompressors als Scheibenringraum (9a) einer Hochdruck-Stufengruppe eines Radialexpanders verwendet wird, daß der Rückführring (10) einer Hochdruck-stufengruppe eines Kompressors als Rückführring (10a) einer Hochdruck-Stufengruppe eines Radialexpanders und der Ansaugstutzen (7) einer Hochdruck-Stufengruppe eines Kompressors als Austrittsdiffusor (7a) einer Hochdruck-Stufengruppe eines Radialexpanders ausgebildet ist.

21. Getriebe-Mehrwellenturbokompressor nach den Ansprüchen 19 und 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Diffusorleitschaufeln (33) der Hochdruckstufen des Kompressors als Eintrittsleitrad (33a) des Radialexpanders ausgebildet sind.

22. Getriebe-Mehrwellenturbokompressor nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Rückführring (10a) des Radialexpanders unbeschaufelt ist.

23. Getriebe-Mehrwellenturbokompressor nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß Hochdruck-Stufengruppen von Turbokompressoren und Radialexpandern für verschiedenartige Medien auf einer gemeinsamen Hochdruck-Ritzelwelle (6a) angeordnet sind.

Claims

1. Geared multi-shaft turbo compressor having at least one low-pressure stage and at least one high-pressure stage in each case and runners (8,8a) connected behind one another in the flow direction, the runners (8,8a) being cantilevered on pinion shafts (6,6a) which are arranged in parallel and which are driven by a sun gear (5) on the periphery thereof, characterised in that a single runner (8,8a) is arranged at least on one end of the pinion shaft (6) of the low-pressure stage, and a plurality of runners (8,8a) are arranged behind one another, a disc diffusor (9) and return ring (10) being connected therebetween, at the end of the pinion shaft (6a) of the high-pressure stage.

2. Geared multi-shaft turbo compressor according to Claim 1, characterised in that the runners (8,8a) of the high-pressure stage are formed so as to have a peripheral speed which is reduced in relation to the high peripheral speed of the runner (8,8a) of the low-pressure stage.

3. Geared multi-shaft turbo compressor according to Claims 1 and 2, characterised in that the low-pressure stage and the high-pressure stage are performed with an axial intake via intake ducts (7).

4. Geared multi-shaft turbo compressor according to Claims 1 to 3, characterised in that a high-pressure stage set (III,IV) is arranged on one side of a high-pressure pinion shaft (6a) and only one pressure relief piston (15) is arranged on the other side.

5. Geared multi-shaft turbo compressor according to Claims 1 to 4, characterised in that ducts for the supply (20) or removal (21) of gas, or for increasing or reducing the gas flow being supplied, are arranged on one or more returns rings (10).

6. Geared multi-shaft turbo compressor according to Claim 1 and one of more of the subsequent Claims, characterised in that runners (8,8a) of high-pressure stages are connected by serrations (11) and a central pin (12).

7. Geared multi-shaft turbo compressor according to Claim 1 and or more of the subsequent Claims, characterised in that the inner casing (18) is formed with a horizontal parting line and the horizontal undivided external casing (19) surrounds the divided inner casing (18) with the rotor; in that the gear casing (1) with the separated inner casing (18) forms an additional casing chamber (26); and in that a pressure relief line (24) is connected to the casing chamber (26).

8. Geared multi-shaft turbo compressor according to Claim 1 and one or more of the subsequent Claims, characterised in that the runners (8a) of a high-pressure stage set are formed with a shroud.

9. Geared multi-shaft turbo compressor according to Claims 1 and one or more of the subsequent Claims, characterised in that the runner (8) of the first stage of a high-pressure stage set is formed without a shroud.

10. Geared multi-shaft turbo compressor according to Claim 1 and one or more of the subsequent Claims, characterised in that the runner (8,8a) of the first stage of a high-pressure stage set has a smaller outer diameter (D) than the stage which is connected via the return ring (10).

11. Geared multi-shaft turbo compressor according to Claim 1, and one or more of the subsequent Claims, characterised in that one or more runners (8 or 8a) of a high-pressure stage set are formed of a material which is less dense than steel.

12. Geared multi-shaft turbo compressor according to Claim 1 and one or more of the subsequent Claims, characterised in that one or more high-pressure pinion shafts (6a) are mounted in magnetic bearings (22,23).

13. Geared multi-shaft turbo compressor according to Claim 1 and one or more of the subsequent Claims, characterised in that one or more high-pressure pinion shafts (6a) are mounted in radial magnetic bearings (22), and in that these high-pressure pinion shafts (6a) and the sun gear (5) comprise axial loading teeth (39).

14. Geared multi-shaft turbo compressor according to Claim 1 and one or more of the subsequent Claims, characterised in that two or more runners (8 or 8a) of a high-pressure stage set are secured with a common serration (11) at the end of a high-pressure shaft (6a).

15. Geared multi-shaft turbo compressor according to Claim 1 and one or more of the subsequent Claims, characterised in that the common front serration (11) is arranged in the vicinity of the runners (8 or 8a).

16. Geared multi-shaft turbo compressor according to Claim 1 and one or more of the subsequent Claims, characterised in that the casing walls of the runner chambers (27a) are provided with radial turbulence breaking grooves (35).

17. Geared multi-shaft turbo compressor according to Claim 1 and one or more of the subsequent Claims, characterised in that, in the case of labrynth seals (36), seal gas guides (38) open into middle area of the labyrinths and turbulence breaking ribs (37) are provided in the edge areas of the leakage flow inlet side of the labrynths, which ribs are perpendicular to the peripheral direction.

18. Geared multi-shaft turbo compressor according to Claim 1 and one or more of the subsequent Claims, characterised in that an adjustable pre-guide wheel (31) is arranged in front of the first stage of a high-pressure stage set and a subsequent guide wheel (32) is arranged in the last stage of the high-pressure stage set.

19. Geared multi-shaft compressor according to Claims 1 to 18, characterised in that, by means of a reversal of the flow direction, ie. inlet of the gas on the high-pressure side (2a) and outlet of the gas on the low-pressure side (7a), this is formed as a radial expander (turbine).

20. Geared multi-shaft compressor according to Claim 19, characterised in that the outlet volute (2) of a high-pressure stage set of the compressor is used as an inlet volute (2a) of a high-pressure stage set of a radial expander and the disc diffuser (9) of a high-pressure stage set of a compressor is used as an annular disc chamber (9a) of a high-pressure stage set of a radial expander; that the return ring (10) of a high-pressure stage set of a compressor is used as the return ring (10a) of a high-pressure stage set of a radial expander and the intake duct (7) of a high-pressure stage set of a compressor is formed as an outlet diffuser (7a) of a high-pressure stage set of a radial expander.

21. Geared multi-shaft turbo compressor according to Claims 19 and 20, characterised in that the diffuser guide blades (33) of the high-pressure stages of the compressor are formed as the inlet runner (33a) of the radial expander.

22. Geared multi-shaft turbo compressor according to Claim 20, characterised in that the return ring (10a) of the radial expander does not have runners.

23. Geared multi-shaft turbo compressor according to Claim 1 and one or more of the subsequent Claims, characterised in that the high-pressure stage sets of turbo compressors and radial expanders for different types of media are arranged on a common high-pressure pinion shaft (6a).

Revendications

1. Turbocompresseur de transmission à plusieurs arbres avec au moins respectivement un étage basse pression et un étage haute pression et des roues à aubes (8, 8a) montées les unes derrière les autres dans le sens de l'écoulement, les roues à aubes (8, 8a) étant fixées en porte-à-faux sur des arbres de pignon (6, 6a) disposés parallèlement, qui sont entraînés par une roue centrale (5) sur son pourtour,
caractérisé en ce qu'
au moins à une extrémité de l'arbre de pignon (6) de l'étage basse pression, il est disposé une roue à aube individuelle (8, 8a) et, à l'extrémité de l'arbre de pignon (6a) de l'étage haute pression, il est disposé plusieurs roues à aubes (8, 8a) les unes derrière les autres en interposant un diffuseur à disque (9) et une bague de recyclage (10).

2. Turbocompresseur de transmission à plusieurs arbres selon la revendication 1,
caractérisé en ce que
les roues à aubes (8, 8a) de l'étage haute pression sont réalisées avec une vitesse périphérique réduite par rapport à la roue à aubes (8, 8a) de l'étage basse pression qui a une vitesse périphérique élevée.

3. Turbocompresseur de transmission à plusieurs arbres selon les revendications 1 et 2,
caractérisé en ce que
les étages basse pression et haute pression sont réalisés avec une aspiration axiale au moyen d'ajutages d'aspiration (7).

4. Turbocompresseur de transmission à plusieurs arbres selon les revendications 1 à 3,
caractérisé en ce que
sur un côté d'un arbre de pignon haute pression (6a), on dispose un groupe d'étages haute pression (III, IV) et sur l'autre côté seulement un piston de décharge (15).

5. Turbocompresseur de transmission à plusieurs arbres selon les revendications 1 à 4,
caractérisé en ce que
sur un ou plusieurs anneaux de recyclage (10), on dispose des ajutages pour l'alimentation (20) ou l'extraction (21) de gaz servant à augmenter ou à diminuer l'écoulement des gaz transférés.

6. Turbocompresseur de transmission à plusieurs arbres selon la revendication 1 et une ou plusieurs des revendications suivantes,
caractérisé en ce que
des roues à aubes (8, 8a) d'étages haute pression sont reliées par des dentures frontales (11) et des boulons centraux (12).

7. Turbocompresseur de transmission à plusieurs arbres selon la revendication 1 et une ou plusieurs des revendications suivantes,
caractérisé en ce que
le carter intérieur (18) est réalisé avec un joint horizontal partiel et le carter extérieur (19) non divisé horizontalement entoure le carter intérieur divisé (18) avec le rotor, en ce que le carter de la transmission (1) forme avec le carter intérieur divisé (18) une chambre de carter supplémentaire (26), et en ce qu'une conduite de décharge (24) est raccordée à la chambre de carter (26).

8. Turbocompresseur de transmission à plusieurs arbres selon la revendication 1 et une ou plusieurs des revendications suivantes,
caractérisé en ce que
les roues à aubes (8a) d'un groupe d'étages haute pression sont réalisées avec disque de recouvrement.

9. Turbocompresseur de transmission à plusieurs arbres selon la revendication 1 et une ou plusieurs des revendications suivantes,
caractérisé en ce que
la roue à aubes (8) du premier étage d'un groupe d'étages haute pression est réalisée sans disque de recouvrement.

10. Turbocompresseur de transmission à plusieurs arbres selon la revendication 1 et une ou plusieurs des revendications suivantes,
caractérisé en ce que
la roue à aubes (8, 8a) du premier étage d'un groupe d'étages haute pression a un plus petit diamètre extérieur (D) que l'étage raccordé par l'anneau de recyclage (10).

11. Turbocompresseur de transmission à plusieurs arbres selon la revendication 1 et une ou plusieurs des revendications suivantes,
caractérisé en ce que
une ou plusieurs roues à aubes (8 ou 8a) d'un groupe d'étages haute pression sont usinées en une matière ayant une densité inférieure à celle de l'acier.

12. Turbocompresseur de transmission à plusieurs arbres selon la revendication 1 et une ou plusieurs des revendications suivantes,
caractérisé en ce que
un ou plusieurs arbres de pignon (6a) haute pression sont montés sur des paliers magnétiques (22, 23).

13. Turbocompresseur de transmission à plusieurs arbres selon la revendication 1 et une ou plusieurs des revendications suivantes,
caractérisé en ce que
un ou plusieurs arbres de pignon (6a) haute pression sont montés sur des paliers magnétiques (22) radiaux et en ce que ces arbres de pignon (6a) haute pression et la roue centrale (5) présentent des collets de pression axiaux (39).

14. Turbocompresseur de transmission à plusieurs arbres selon la revendication 1 et une ou plusieurs des revendications suivantes,
caractérisé en ce que
deux des multiples roues à aubes (8 ou 8a) d'un groupe d'étages haute pression sont fixées avec une denture frontale commune (11) à l'extrémité d'un arbre de pignon haute pression (6a).

15. Turbocompresseur de transmission à plusieurs arbres selon la revendication 1 et une ou plusieurs des revendications suivantes,
caractérisé en ce que
la denture frontale commune (11) est disposée dans la zone du centre de gravité des roues à aubes (8 ou 8a).

16. Turbocompresseur de transmission à plusieurs arbres selon la revendication 1 et une ou plusieurs des revendications suivantes,
caractérisé en ce que
les parois de carter des chambres de roues (27a) sont pourvues de rainures hélicoïdales (35) pour briser les tourbillons.

17. Turbocompresseur de transmission à plusieurs arbres selon la revendication 1 et une ou plusieurs des revendications suivantes,
caractérisé en ce que
dans le cas de garnitures d'étanchéité à labyrinthe (36) des alimentations en gaz de barrage débouchent dans la zone centrale du labyrinthe et dans les roues de bordure du côté d'entrée du courant de fuite du labyrinthe il y a des nervures hélicoïdales (37) pour briser les tourbillons perpendiculaires au sens périphérique.

18. Turbocompresseur de transmission à plusieurs arbres selon la revendication 1 et une ou plusieurs des revendications suivantes,
caractérisé en ce que
avant le premier étage d'un groupe d'étages haute pression on dispose une roue de préguidage réglable (31) et dans le dernier étage du groupe d'étages haute pression on dispose une roue de postguidage réglable (32).

19. Turbocompresseur de transmission à plusieurs arbres selon les revendications 1 à 18,
caractérisé en ce qu'
il est constitué sous la forme d'un détendeur radial (turbine) par l'inversion du sens de l'écoulement, c'est-à-dire l'entrée des gaz du côté haute pression (2a) et la sortie des gaz du côté basse pression (7a).

20. Turbocompresseur de transmission à plusieurs arbres selon la revendication 19,
caractérisé en ce que
la spirale de sortie (2) d'un groupe d'étages haute pression du compresseur est utilisée comme spirale d'entrée (2a) d'un groupe d'étages haute pression d'un détendeur radial, en ce que le diffuseur à disque (9) d'un groupe d'étages haute pression d'un compresseur est utilisé comme chambre d'anneau de recyclage (9a) d'un groupe d'étages haute pression d'un détendeur radial, en ce que l'anneau de recyclage (10) d'un groupe d'étages haute pression d'un compresseur est réalisé en anneau de recyclage (10a) d'un groupe d'étages haute pression d'un détendeur radial et en ce que l'ajutage d'aspiration (7) d'un groupe d'étages haute pression d'un compresseur est constituée en diffuseur de sortie (7a) d'un groupe d'étages haute pression d'un détendeur radial.

21. Turbocompresseur de transmission à plusieurs arbres selon les revendications 19 et 20,
caractérisé en ce que
les aubes de guidage de diffuseur (33) des étages haute pression du compresseur sont constituées en roue de guidage d'entrée (33a) du détendeur radial.

22. Turbocompresseur de transmission à plusieurs arbres selon la revendication 20,
caractérisé en ce que
l'anneau de recyclage (10a) du détendeur radial n'a pas d'aubes.

23. Turbocompresseur de transmission à plusieurs arbres selon la revendication 1 et une ou plusieurs des revendications suivantes,
caractérisé en ce que
des groupes d'étages haute pression de turbocompresseurs et des détendeurs radiaux pour des fluides de différents types sont disposés sur un arbre de pignon commun (6a) haute pression.

Zeichnung