Getriebe-Turboverdichter

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen über einstufiges Doppelgetriebe angetriebenen Turboverdichter, einen sogenannten Getriebe-Turboverdichter mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.

[0002] Ein bekannter Turboverdichter der gattungsgemäßen Art (DE-PS 9 74 418, DE-OS 21 15 331, 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] Aus der DE-OS 37 07 992 ist ein Getriebe-Turboverdichter bekannt, bei dem zwischen der Antriebswelle und der die Verdichterlaufräder tragenden Ritzelwelle ein Zwischenzahnrad angeordnet ist. Dieses Zwischenzahnrad dient der Überbrückung eines großen Achsabstandes zwischen der Antriebswelle und der Ritzelwelle, so daß bei kleinen Schwungmassen eine niedrige Drehzahl in eine sehr hohe Drehzahl übersetzt werden kann. Die US-PS 23 13 205 zeigt ein Getriebe für einen Turboverdichter, das zwei auf einer Welle angeordnete Zahnräder unterschiedlichen Durchmessers enthält, über die die Antriebswelle mit der Verdichterwelle verbunden ist.

[0004] Die DE 40 03 482 C2 und die EP 0 440 902 B1 zeigen einen Getriebeturboverdichter mit einem zweistufigen Getriebe, der ein Doppelzwischenzahnrad enthält, wobei ein kleineres Zahnrad und ein etwas größeres Zahnrad gemeinsam auf eine Welle aufgeschrumpft und dadurch zu einer Einheit verbunden werden, wobei das kleinere Zahnrad den größeren Zahnmodul aufweist und mit dem Hauptantriebszahnrad in Eingriff steht und das größere Zahnrad einen wesentlich kleineren Zahnmodul aufweist und die Ritzelwellen 3, 4 und 5 antreibt. Die Ritzelwellen 1 und 2 stehen mit dem Hauptantriebszahnrad in Eingriff und werden von diesem angetrieben.

[0005] Die Höhe des erreichbaren Wirkungsgrades eines Turboverdichters hängt davon ab, ob die dimensionslose "Spezifische Drehzahl" σ jeder einzelnen Verdichterstufe im Optimalbereich gehalten werden kann trotz starker Volumenstromänderungen infolge der Verdichtung von Verdichterstufe zu Verdichterstufe.

[0006] Die spezifische Drehzahl jeder einzelnen Verdichterstufe ist gemäß der angeschriebenen Beziehung von der sekundlichen Drehzahl, dem Eintrittsvolumenstrom und der Größe Y abhängig, wobei Y aus den Gasdaten, der Eintrittstemperatur und vor allem aus dem Druckverhältnis der Verdichterstufe berechnet wird. In der Regel verändert sich das Stufendruckverhältnis nur wenig oder kann konstant sein, der Eintrittsvolumenstrom verändert sich durch die Verdichtung von Stufe zu Stufe stark. Um die spezifische Drehzahl und damit den Stufenwirkungsgrad im Optimalbereich zu halten, muß die Drehzahl von Stufe zu Stufe oder spätestens nach zwei Stufen erhöht werden.

[0007] Steigende Stufendruckverhältnisse sind untrennbar mit steigenden Strömungsgeschwindigkeiten gekoppelt Bei Annäherung an die Schallgeschwindigkeit nehmen die Srömungsverluste stark zu und somit der Wirkungsgrad ab, die Stufendruckverhältnisse sind daher begrenzt.

[0008] Turboverdichter für hohe Druckverhältnisse erfordern entsprechend viele Verdichterstufen. Für ein Druckverhältnis von Pa/Pe = 60 sind z.B. sechs bis sieben Verdichterstufen, für Pa/Pe =90 mindestens acht Verdichterstufen und Druckverhältnisse Pa/Pe = 180-200 mindestens zehn Verdichterstufen erforderlich.

[0009] In Turboverdichtern dieser Gattung haben die ersten Stufen mäßige Drehzahlen, während die letzten Stufen sehr hohe Drehzahlen erfordern.

[0010] Es ist also zwangsläufig, daß neben normalen Übersetzungsverhältnissen sehr große Übersetzungsverhältnisse in einem Getriebe realisiert werden müssen. Ähnliche Verhältnisse liegen vor, wenn zwei oder gar drei Turboverdichter zu einer Einheit zu sogenannten Kombiverdichtem zusammengefaßt werden. Da alle in der Regel verschieden große Volumenströme verdichten, welche möglicherweise erheblich voneinander abweichen, ergibt sich auch hier die Notwendigkeit neben normalen Überstzungsverhältnissen große Übersetzungen in ein und demselben Getriebe technisch zu realisieren.

[0011] In DE 40 03 482 C2 und EP 0 440 902 B1 werden Getriebe-Turboverdichter beschrieben, welche erfindungsgemäß das geschilderte Problem durch Einbau eines Doppel-Zwischenzahnrades lösen, wobei die beiden zu einer Einheit zusammengefaßten Zahnräder stark verschiedene Zahnmodule aufweisen. Das Getriebe ist dadurch zwangsweise zweistufig.

[0012] Diese Lösung enthält folgende Nachteile:

[0013] Das Zwischenzahnrad erfordert eine separate Lagerung (axial u. radial), wobei die Lagerzapfen mit etwa der doppelten Antriebsdrehzahl (oder mehr) umlaufen. Außerdem addieren sich bei einem Zwischenrad die An- und Abtriebszahnkräfte und verstärken die Lagerbelastung. Die relativ hohen Umfangsgeschwindigkeiten erzeugen erhebliche mechanische Zusatzverluste. Das mit dem Hauptantriebszahnrad in Eingriff stehende Zahnrad des Doppelzwischenrades hat die gleiche Umfangsgeschwindigkeit wie das Hauptantriebszahnrad. Das zweite mit dem kleineren Zahnmodul hat eine höhere Umfangsgeschwindigkeit und erzeugt wie die Lagerung zusätzliche mechanische Verluste. Der Bauaufwand für das Getriebegehäuse, inklusive der Ölzuführung für das Zwischenzahnrad, ist erheblich höher.

[0014] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Getriebe-Turboverdichter für hohe Druckverhältnisse mit optimalen Wirkungsgraden oder Kombi-Turboverdichter mit stark differierenden Volumenströmen mit optimalen Wirkungsgraden zu bauen ohne die Verwendung eines Doppel-Zwischenzahnrades gemäß DE 40 03 482 C2 und EP 0 440 902 B1.

[0015] Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Turboverdichter erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

[0016] Durch Aufschrumpfen eines Sekundärzahnkranzes (3) auf eine seitlich angeordnete zylindrische Fläche des Hauptantriebszahnrades (2), wobei der Sekundärzahnkranz einen wesentlich kleineren Zahnmodul aufweist als das Hauptantriebszahnrad, wodurch dessen Zähnezahl erhöht wird, wird ein integrales Getriebe für Turboverdichter geschaffen, welches neben mäßigen Drehzahlen für die ersten Verdichterstufen gleichzeitig sehr hohe Drehzahlen für die kleineren Verdichterstufen realisiert.

[0017] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen FIG.1 bis FIG.5 dargestellt und wird im folgenden näher erläutert:

[0018] Die Zeichnungen stellen ein integrales Geriebe für einen mehrstufigen Turboverdichter oder für eine Kombi-Turboverdichter dar. Ober die Antriebswelle (1) werden ein Hauptantriebszahnrad (2) und ein aufgeschrumpftes Sekundärzahnrad (3) angetrieben. Der Fußkreis des Sekundärzahnrades (3) ist größer als der Kopfkreis des Hauptantriebszahnrades (2).

[0019] Der Zahnmodul des Sekundärzahnrades (3) ist wesentlich kleiner als der Zahnmodul des Hauptantriebszahnrades (2), dementsprechend ist die Zähnezahl von (3) wesentlich größer als die Zähnezahl von (2). Die Ritzelwellen (4) und (5) stehen mit dem Hauptantriebszahnrad (2) im Eingriff, die Ritzelwellen (6) und (7) kämmen mit dem Sekundärzahnkranz (3).

[0020] Dadurch ist es möglich, die Ritzelwellen (6) und (7) mit sehr viel höheren Drehzahlen anzutreiben als die Ritzelwellen (4) und (5). Die freien Enden der Ritzelwellen (4) bis (7) können z.B. mit den Laufrädem eines sieben- oder achtstufigen Getriebeturboverdichters bestückt werden, wobei alle Lauräder im optimalen Bereich ihrer spezifischen Drehzahl arbeiten. Ein solcher Turboverdichter weist einen optimalen Wirkungsgrad auf.

[0021] Ebenso können die Ritzelwellen (4) und (5) mit den Laufrädern eines drei- oder vierstufigen Basisverdichters besetzt sein, während die Ritzelwellen (6) und (7) die Laufräder eines zweiten unabhängigen Verdichters tragen, wobei der Volumenstrom des zweiten Verdichters kleiner ist als der des Basisverdichters.

[0022] Es ergeben sich logischerweise weitere Kombinationen, z.B. Basisverdichter dreioder vierstufig, erster Zusatzverdichter zweistufig, zweiter Zusatzverdichter zweistufig.

[0023] Basisverdichter zweistufig, erster Zusatzverdichter zweistufig, zweiter Zusatzverdichter drei- oder vierstufig.

[0024] Alle denkbaren Kombinationen sind zulässig, sofern die spezifischen Drehzahlen der Verdichterstufen im Optimalbereich gehalten werden können. Kompromisse sind denbkbar, da die Herstellkosten für einen Kombiverdichter geringer sind als für Einzelverdichter.

Ansprüche

1. Mehrstufiger Turboverdichter mit integriertem, ein zentrales Antriebsdoppelzahnrad aufweisenden Getriebe, bei dem die Laufräder der Verdichterstufen auf den Enden von Ritzelwellen (4, 5, 6, 7) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe zwei durch eine Antriebswelle (1) zu einer Einheit verbundene Antriebszahnräder aufweist, einem Hauptantriebszahnrad (2) und einem Sekundärzahnkranz (3), wobei der Sekundärzahnkranz (3) einen kleineren Zahnmodul als das Hauptantriebszahnrad (2) aufweist, und der Fußkreis des Sekundärzahnkranzes (3) gleich oder größer als der Kopfkreis des Hauptantriebszahnrades ist, und daß die ersten Ritzelwellen (4, 5) durch das Hauptantriebszahnrad angetrieben sind und den gleichen Zahnmodul wie dieses aufweisen, die weiteren Ritzelwellen (6, 7) mit dem Sekundärzahnkranz (3) in Eingriff stehen, den gleichen kleineren Zahnmodul wie der Sekundärzahnkranz (3) aufweisen und von diesem angetrieben sind.

2. Turboverdichter nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß mehr als zwei Ritzelwellen mit dem Hauptantriebszahnrad (2) in Eingriff stehen und von diesem angetrieben sind.

3. Turboverdichter nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß mehr als zwei Ritzelwellen mit dem Sekundärzahnkranz (3) in Eingriff stehen und von diesem angetrieben sind.

4. Turboverdichter nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnt, daß das Antriebsdoppelzahnrad (1, 2, 3) symmetrisch als Tripelzahnrad ausgebildet ist, wobei der Sekundärzahnkranz (3) zweiteilig ausgeführt ist und auf beiden Seiten des Hauptantriebszahnrades aufgeschrumpft ist.

Claims

1. Multistage turbocompressor with integrated gear unit comprising a central double driving gear wheel, in which the impellers of the compressor stages are disposed on the ends of pinion shafts (4, 5, 6, 7),
characterised in that the gear unit comprises two driving gear wheels, which are connected together by a drive shaft (1) to form a unit, a main driving gear wheel (2) and a secondary ring gear (3), wherein the secondary ring gear (3) has a smaller module than the main driving gear wheel (2), and the dedendum circle of the secondary ring gear (3) is equal to or greater than the addendum circle of the main driving gear wheel, and that the first pinion shafts (4, 5) are driven by the main driving gear wheel and have the same module as this, the other pinion shafts (6, 7) are in mesh with the secondary ring gear (3), have the same smaller module as the secondary ring gear (3) and are driven by this.

2. Turbocompressor according to Claim 1, characterised in that more than two pinion shafts are in mesh with the main driving gear wheel (2) and are driven by this.

3. Turbocompressor according to Claim 1, characterised in that more than two pinion shafts are in mesh with the secondary ring gear (3) and are driven by this.

4. Turbocompressor according to Claim 1, characterised in that the double driving gear wheel (1, 2, 3) is formed symmetrically as a triple gear wheel, wherein the secondary ring gear (3) is of two-part construction and shrunk-on on both sides of the main driving gear wheel.

Revendications

1. Turbocompresseur à plusieurs étages avec engrenage intégré présentant une double roue dentée d'entraînement centrale, pour lequel les roues mobiles des étages du compresseur sont disposées aux extrémités des arbres de pignon (4, 5, 6, 7), caractérisé en ce que l'engrenage présente deux roues dentées d'entraînement reliées à une unité via un arbre moteur (1), une roue d'entraînement principale (2) et une couronne dentée secondaire (3), la couronne dentée secondaire (3) présentant un module dentée plus petit que la roue d'entraînement principale (2), et le cercle de pied de la couronne dentée secondaire (3) étant identique ou plus grand que le cercle de tête de la roue d'entraînement principale, et en ce que les premiers arbres de pignon (4, 5) sont entraînés par la roue d'entraînement principale et présentent le même module denté que celle-ci, les autres arbres de pignon (6, 7) étant engrenés avec la couronne dentée secondaire (3), présentant le même module denté plus petit que la couronne dentée secondaire (3) et étant entraîné par cette dernière.

2. Turbocompresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que plus de deux arbres de pignon sont engrenés avec la roue d'entraînement principale (2) et sont entraînés par cette dernière.

3. Turbocompresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que plus de deux arbres de pignon sont engrenés avec la couronne dentée secondaire (3) et sont entraînés par cette dernière.

4. Turbocompresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la double roue dentée d'entraînement (1, 2, 3) est configurée symétriquement sous forme de triple roue dentée d'entraînement, la couronne dentée secondaire (3) étant réalisée en deux parties et étant serrée à chaud sur les deux côtés de la roue d'entraînement principale.

Zeichnung