[0001] Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen, über ein Getriebe angetriebenen Turboverdichter,
einen sogenannten Getriebe-Turboverdichter mit den Merkmalen des Oberbegriffes des
Patentanspruches 1.
[0002] Ein bekannter Turboverdichter der gattungsgemäßen Art (Dubbel Taschenbuch für den
Maschinenbau 14. Auflage, 1981, Seiten 920 - 921) weist vier Verdichterstufen auf,
deren Laufräder paarweise auf zwei Ritzelwellen angeordnet und über ein zentrales
Antriebszahnrad eines einstufigen Getriebes angetrieben sind.
[0003] Der erreichbare Wirkungsgrad einer Verdichterstufe eines Turboverdichters hängt von
Eintrittsvolumenstrom, Drehzahl und Förderhöhe ab. Bei Druckverhältnissen zwischen
Ausgangsdruck P
A und Enddruck P
E von über P
A / P
E = 60 sind zur Erzielung hoher Wirkungsgrade sieben Verdichterstufen und bei Druckverhältnissen
P
A / P
E von größer als 80 mindestens acht Verdichterstufen erforderlich. Der Volumenstrom
ändert sich von Stufe zu Stufe erheblich. Zur Erhaltung optimaler Verhältnisse sind
entsprechende Drehzahlerhöhungen nach jeweils zwei Stufen erforderlich. Die für einen
optimalen Verdichter zu realisierenden Drehzahlen der Antriebswelle und der Ritzelwelle
der letzten Stufe sind so verschieden, daß die notwendige Übersetzung von größer als
1 : 24 nicht mehr in ein übliches Getriebe eingebaut werden kann.
[0004] Fünfstufige und sechsstufige Getriebe-Turboverdichter sind bisher für maximale Druckverhältnisse
bis P
A / P
E = 40 ausgelegt worden. Hierbei ist ein einstufiges Getriebe mit bis zu drei Ritzelwellen
ausgerüstet. Jede Ritzelwelle treibt zwei direkt aufgesetzte Laufräder an, die zwei
Verdichterstufen bilden. Bei einem sechsstufigen Verdichter und einem durchschnittlichen
Druckverhältnis von 1,8 pro Stufe läßt sich ein Druckverhältnis von P
A / P
E = 34 erzielen. Hochbelastete Stufen mit einem durchschnittlichen Druckverhältnis
von 2,0 pro Stufe würden ein Gesamtdruckverhältnis von P
A / P
E = 64 ergeben. Ein solcher Verdichter wäre nur wenig regelbar, und der Gesamtwirkungsgrad
wäre wegen hoher Machzahlen sehr ungünstig.
[0005] Höhere Druckverhältnisse als 60 können nur durch Hinzufügen einer siebten oder achten
Verdichterstufe erreicht werden, wenn die unverzichtbaren Eigenschaften wie Regelfähigkeit
und hoher Gesamtwirkungsgrad erhalten bleiben sollen. Höchste Wirkungsgrade scheiterten
bisher jedoch daran, daß die größte realisierbare Übersetzung in den bekannten Getrieben
für Turboverdichter etwa 1 : 20 ist. Für hohe Leistungen und Antriebe mit Elektromotoren
mit vier Polen bedeutet dies eine maximale Drehzahl der letzten Ritzelwelle von 30
000 1/min. Legt man diese Höchstdrehzahl zugrunde, so sind für alle Turboverdichter
mit Volumenströmen unter 60 000 m³ /h und Druckverhältnissen über 60 keine gleichmäßig
optimalen Wirkungsgrade mehr möglich, da die Stufenförderhöhen für die ersten Stufen
erheblich höher sein müßten als für die letzten. Die ersten Stufen haben somit die
höchste Energiedichte mit nur mäßigen Wirkungsgraden wegen unvermeidbar hoher Machzahlen.
Ein siebenstufiger Turboverdichter mit einem Volumenstrom von 55 000 m³ /h und einem
Druckverhältnis von P
A / P
E = 64 z. B. würde in der siebten Stufe eine Drehzahl von 35 000 1/min erfordern. Nur
28 000 1/min können mit herkömmlichen Getrieben für Turboverdichter realisiert werden.
Deshalb ist der Gesamtwirkungsgrad nicht optimal. Es besteht zwar die Möglichkeit,
die vierte Ritzelwelle mit einer achten Verdichterstufe zu besetzen. Aber auch dann
bleibt die grundsätzliche Problematik der Drehzahlbegrenzung mit den geschilderten
Konsequenzen bestehen.
[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Getriebe-Turboverdichter für hohe
Druckverhältnisse bei guten Wirkungsgraden und ausreichender Regelfähigkeit zu bauen.
[0007] Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Turboverdichter erfindungsgemäß durch
die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
[0008] Durch das als Doppelzahnrad mit unterschiedlichen Zahnmodulen ausgebildete Zwischenzahnrad
wird ein Getriebe für Turboverdichter geschaffen, welches neben mäßigen Drehzahlen
für die niedrigen Verdichterstufen gleichzeitig sehr hohe Drehzahlen für die höheren
Verdichterstufen realisiert, ohne daß dabei die Zähnezahl des zentralen Antriebszahnrades
von der Zähnezahl der den höheren Verdichterstufen zugeordneten Ritzeln abhängt. Dabei
erfordern die niedrigen Drehzahlen mit hohen Zahnkräften eine breite Verzahnung und
einen großen Zahnmodul, die hohen Drehzahlen mit entsprechend kleinen Zahnkräften
schmälere Räder mit feinem Zahnmodul. Das die unterschiedlichen Zahnmodule aufweisende
Zwischenzahnrad erlaubt zudem die Kombination zweier unabhängiger Getriebe für Turboverdichter
in einem Gehäuse und gestattet den Einbau von Übersetzungen bis zu 40. Damit ist es
möglich, optimale Wirkungsgrade auch bei Getriebe-Turboverdichter für hohe Druckverhältnisse
zu realisieren. Die Gesamtwirkungsgradverbesserung liegt bei mehr als 5 %, was beträchtliche
Einsparungen an Energiekosten bedeutet.
[0009] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im
folgenden näher erläutert. Die Zeichnung stellt ein Getriebe für einen mehrstufigen
Turboverdichter dar.
[0010] Das dargestellte Getriebe dient zum Antrieb eines mehrstufigen Turboverdichters und
enthält ein mit einer Antriebswelle 1 verbundenes zentrales Antriebszahnrad 2. Das
Antriebszahnrad 2 kämmt mit zwei Ritzeln, die jeweils auf einer Ritzelwelle 3, 4 angeordnet
sind. Auf den Enden der Ritzelwelle 3 ist das Laufrad einer ersten Stufe und das Laufrad
einer zweiten Stufe des Turboverdichters angeordnet. Die Ritzelwelle 4 trägt an den
Enden das Laufrad einer dritten und einer in der Zeichnung nicht zu erkennenden vierten
Stufe. Alle Laufräder laufen in einem Spiralgehäuse um.
[0011] Dem Antriebszahnrad 2 ist ein Zwischenzahnrad 5 nachgeschaltet, das als Doppelzahnrad
ausgebildet ist und aus einem ersten Zahnrad 51 und einem zweiten Zahnrad 52 besteht,
die miteinander verbunden und auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Das erste
Zahnrad 51 kämmt mit dem Antriebszahnrad 2, während das zweite Zahnrad 52 mit Ritzeln
weiterer Ritzelwellen 6, 7, 8 in Eingriff steht. Die Ritzelwellen 6, 7, 8 tragen an
beiden Wellenenden je ein Laufrad, das in einem Spiralgehäuse umläuft. Dabei ist der
Ritzelwelle 6 die fünfte und sechste Verdichterstufe, der Ritzelwelle 7 die siebte
und achte Verdichterstufe und der Ritzelwelle 8 die neunte und zehnte Verdichterstufe
zugeordnet.
[0012] Das zweite Zahnrad 52 des Zwischenzahnrades 5 hat einen größeren Durchmesser als
das erste, mit dem Antriebszahnrad 2 in Eingriff stehende Zahnrad 51, so daß die Druckkämme
der Ritzelwellen 6, 7, 8 über das zweite Zahnrad 52 übergreifen können. Weiterhin
weist das erste Zahnrad 51 im Vergleich zu dem zweiten Zahnrad 52 eine geringere Zähnezahl
und einen größeren Zahnmodul auf.
[0013] Das Zwischenschalten des beschriebenen Zwischenzahnrades 5 ermöglicht es durch die
Verschiedenheit der Zahnmodule, die ersten vier Stufen getriebetechnisch völlig unabhängig
von den Folgestufen zu machen. Die notwendige Übersetzung der Ritzelwelle 4 liegt
bei etwa 10,5. Wählt man für das Ritzel der Ritzelwelle 4 die Zähnezahl mit Z2 = 25,
so würde das Antriebszahnrad 2 ZO = 263 Zähne haben, woraus sich mit einem Zahnmodul
von 6 ein Durchmesser von DO = 1575 mm und eine Zahneingriffsgeschwindigkeit von 122
m/s ergeben. Es wird, wie bei den bekannten Getrieben für Turboverdichter üblich,
der Durchmesser der Gehäusespirale der ersten und zweiten Verdichterstufe den Achsabstand
der Ritzelwellen 3 und 4 bestimmen, welcher in diesem Beispiel bei 1800 m liegen wird,
bei einem Durchmesser des Antriebszahnrades 2 von 1596 mm und einer Zähnezahl von
ZO = 266.
[0014] Das erste Zahnrad 51 des Zwischenzahnrades 5, welches mit dem Antriebszahnrad 2 in
Eingriff ist, hat etwa Z51 = 132 Zähne und einen Durchmesser von 790 mm bei einer
Drehzahl von 3000 1/min. Bei einem achtstufigen Verdichter hat die Ritzelwelle 7 eine
Drehzahl von 34730 1/min. Legt man eine Zähnezahl von Z4 = 21 zugrunde, so würde das
zweite Zahnrad 52 Z52 = 243 Zähne haben. Mit einem Zahnmodul von 4 ergibt sich ein
Durchmesser von 972 mm und eine Zahneingriffsgeschwindigkeit von 150 m/s. Das Gesamtträgheitsmoment
bleibt wegen der mäßigen Durchmesser annehmbar und gestattet dem dem Getriebe vorgeschalteten
Antriebsmotor den problemlosen Start der Antriebswelle.
1. Mehrstufiger Turboverdichter mit integriertem, ein zentrales Antriebszahnrad (2) aufweisendem
Getriebe, bei dem die Laufräder der Verdichterstufen auf den Enden von Ritzelwellen
(3, 4, 6, 7, 8) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe zweistufig
ist und ein Zwischenzahnrad (5) enthält, das als Doppelzahnrad ausgebildet ist und
aus einem ersten Zahnrad (51) und einem zweiten Zahnrad (52) besteht, daß das erste
Zahnrad (51) ausschließlich mit dem zentralen Antriebszahnrad (2) in Eingriff steht,
von diesem angetrieben ist und einen größeren Zahnmodul als das zweite Zahnrad (52)
aufweist, daß das zweite Zahnrad (52) mit dem ersten Zahnrad (51) eine fest verbundene
Einheit bildet und einen kleineren Zahnmodul als das Zahnrad (51) aufweist und daß
die ersten Ritzelwellen (3, 4) direkt durch das zentrale Antriebszahnrad (2) angetrieben
sind und die weiteren Ritzelwellen (6, 7, 8) nur mit dem zweiten Zahnrad (52) des
Zwischenzahnrades (5) in Eingriff stehen und den gleichen Zahnmodul wie das zweite
Zahnrad (52) aufweisen.
2. Turboverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Zahnrad (51)
des Zwischenzahnrades (5) einen geringeren Durchmesser als das zweite Zahnrad (52)
aufweist.
