RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 174005 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: 305839 (22) Data zgłoszenia: 14.11.1994 (51) IntCl6: F04D 29/00 (54) Sprężarka przekładniowa do sprężania tlenu (30) Pierwszeństwo: 16.11.1993, DE, P4339060.9 (73) Uprawniony z patentu: Deutsche Babcock-Borsig Aktiengesellschaft, Berlin, DE (43) Zgłoszenie ogłoszono: 29.05.1995 BUP 11/95 (72) Twórca wynalazku: Heinrich Prümper, Berlin, DE (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 29.05.1998 WUP 05/98 (74) Pełnomocnik: POLSERVICE PL 174005 B1 (57) 1. Sprężarka przekładniowa do sprężania tlenu, z jednym lub więcej stopniami sprężania, z których każdy jest osadzony na wale wirnikowym i otoczony obudową sprężarkową, przy czym wały wirnikowe są napędzane przez zintegrowaną, smarowaną olejem przekładnię i ułożyskowane za pomocą łożysk w obudowie otaczającej przekładnię, znamienna tym, że wały wirnikowe (8) są dodatkowo ułożyskowane za pom ocą łożysk (18) w konstrukcji nośnej, do której są przymocowane obudowy sprężarkowe (15) i która jest umieszczona w pewnej odległości od obudowy (5) przekładni i oddzielona od niej przez otaczające powietrze. F ig. 1
Sprężarka przekładniowa do sprężania tlenu Zastrzeżenia patentowe 1. Sprężarka przekładniowa do sprężania tlenu, z jednym lub więcej stopniami sprężania, z których każdy jest osadzony na wale wirnikowym i otoczony obudową sprężarkową, przy czym wały wirnikowe są napędzane przez zintegrowaną, smarowaną olejem przekładnię i ułożyskowane za pomocą łożysk w obudowie otaczającej przekładnię, znamienna tym, że wały wirnikowe (8) są dodatkowo ułożyskowane za pomocą łożysk (18) w konstrukcji nośnej, do której są przymocowane obudowy sprężarkowe (15) i która jest umieszczona w pewnej odległości od obudowy (5) przekładni i oddzielona od niej przez otaczające powietrze. 2. Sprężarka przekładniowa według zastrz. 1, znamienna tym, że dodatkowe łożysko (18) jest smarowane smarem tolerowanym przez tlen. 3. Sprężarka przekładniowa według zastrz. 1, znamienna tym, że dodatkowe łożysko (18) jest łożyskiem magnetycznym. 4. Sprężarka przekładniowa według zastrz. 3, znamienna tym, że każdy stopień sprężania (1, 2, 3 i 4) posiada w części piastowej łożysko chwytowe (19), które jest przesuwane poosiowo o tyle, że w razie awarii łożyska magnetycznego wirnik (9) jest prowadzony bez luzu. 5. Sprężarka przekładniowa według zastrz. 1, znamienna tym, że każdy wał wirnikowy (8) jest ułożyskowany w obudowie (5) przekładni za pomocą dwóch smarowanych olejem łożysk (10, 26) i, że dodatkowe łożysko (18) jest wykonane jako łożysko prowadzące i tłumiące. 6. Sprężarka przekładniowa według zastrz. 1 albo 5, znamienna tym, że na wale wirnikowym (8) są osadzone dwa wirniki (9) i, że za każdym wirnikiem (9) jest umieszczone łożysko magnetyczne. * * * Przedmiotem wynalazku jest sprężarka przekładniowa do sprężania tlenu, z jednym lub więcej stopniami sprężania, z których każdy jest osadzony na wale wirnikowym i otoczony obudową sprężarkową, przy czym wały wirnikowe są napędzane przez zintegrowaną, smarowaną olejem przekładnię i ułożyskowane za pomocą łożysk w obudowie otaczającej przekładnię. Dotychczas spręża się tlen głównie za pomocą tak zwanych klasycznych, wielostopniowych sprężarek jednowałowych, a w zależności od ciśnienia końcowego za pomocą wielokadłubowych sprężarek tego rodzaju. Tlen można sprężać także w sprężarkach przekładniowych, gdy są przestrzegane następujące wymagania konstrukcyjne: ze względu na niebezpieczeństwo wybuchu olej smarowy dla łożysk i czynnik transportujący tlen muszą być starannie oddzielone od siebie. Dlatego układy uszczelniające (labirynty) leżące w takich sprężarkach między łożyskami i wirnikami są bardzo wydłużone i wykonane w postaci układów wielokomorowych. Jednakże wskutek tego wysięg środka ciężkości wirnika w stosunku do środka łożyska jest za duży, co w nieunikniony sposób powoduje występowanie niekorzystnych właściwości dynamicznych wirnika. Zwłaszcza w ostatnich stopniach sprężania, gdzie ciśnienie tlenu i prędkość obrotowa wirnika są duże, ze względu na duży wysięg występuje w wyniku małych wzbudzeń (zakłóceń) lub podczas uruchamiania sprężarki niebezpieczeństwo powstawania drgań o dużych amplitudach. Wskutek ocierania się wirujących części spowodowanego drganiami może być w jakimś punkcie osiągnięta temperatura zapłonu metalu w atmosferze silnie sprężonego tlenu. W tym przypadku ulega spaleniu w wysokiej
174 005 3 temperaturze cała sprężarka przekładniowa lub co najmniej jeden jej stopień. Dlatego sprężarki przekładniowe tego typu są zawsze zagrożone pożarem. Zadaniem wynalazku jest oddzielenie sprężonego tlenu od oleju smarowego podczas sprężania tlenu w sprężarce przekładniowej i równocześnie osiągnięcie korzystnych właściwości dynamicznych wirnika w takiej sprężarce. Zadanie to zostało rozwiązane według wynalazku w sprężarce przekładniowej podanego rodzaju dzięki temu, że wały wirnikowe są dodatkowo ułożyskowane za pomocą łożysk w konstrukcji nośnej, do której są przymocowane obudowy sprężarkowe i która jest umieszczona w pewnej odległości od obudowy przekładni i oddzielona od niej przez otaczające powietrze. Zgodnie z wynalazkiem dodatkowe łożysko jest smarowane smarem tolerowanym przez tlen. Dodatkowe łożysko może także być łożyskiem magnetycznym. Korzystnie jest, gdy każdy stopień sprężania posiada w części piastowej łożysko chwytowe, które jest przesuwane poosiowo o tyle, że w razie awarii łożyska magnetycznego wirnik jest prowadzony bez luzu. Korzystnie też jest, gdy każdy wał wirnikowy jest ułożyskowany w obudowie przekładni za pomocą dwóch smarowanych olejem łożysk i, że dodatkowe łożysko jest wykonane jako łożysko prowadzące i tłumiące. Zgodnie z dalszym rozwinięciem wynalazku, na wale wirnikowym są osadzone dwa wirniki, przy czym za każdym wirnikiem jest umieszczone łożysko magnetyczne. W sprężarce przekładniowej według wynalazku, między obudową przekładni zawierającą olej smarowy a stopniem sprężania transportującym tlen została wytworzona przestrzeń pośrednia otwarta do powietrza otaczającego. Za pomocą tej przestrzeni pośredniej tlen jest oddzielony od oleju smarowego. Tlen wydostający się ewentualnie z uszczelnień wałów poszczególnych stopni sprężania ulega rozprężeniu i tak dużemu rozcieńczeniu w powietrzu otaczającym, że w przypadku zetknięcia się go z ewentualnie wydobywającym się olejem smarowym nie może nastąpić wybuch. Ułożyskowanie wałów wirnikowych w łożyskach umieszczonych w konstrukcji nośnej umożliwia bardzo krótki wysięg środka ciężkości wirnika przy równocześnie pogrubionym wale wirnikowym. Polepsza to stabilność dynamiczną wirnika i pozwala unikać występowania drgań o dużych amplitudach, które mogą powodować ocieranie się wirujących części w przestrzeni wypełnionej tlenem. Umożliwiony w ten sposób spokojny i równomierny bieg wirnika zostaje jeszcze wzmocniony przez zastosowanie łożyska magnetycznego. Przez zastosowanie budowy według wynalazku mogą być w pełni wykorzystane do sprężania tlenu korzystne właściwości sprężarek przekładniowych, takie jak optymalne współczynniki sprawności między stopniami i duża zdolność do regulacji. Przedm iot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia sprężarkę przekładniową w przekroju wzdłużnym fig. 2 - szczegół Z według fig. 1, a każda z fig. 3 i 4 - inny przykład wykonania sprężarki przekładniowej w przekroju wzdłużnym. Przedstawiona sprężarka przekładniowa służy do sprężania tlenu i zawiera cztery stopnie sprężania, spośród których na fig. 1 są pokazane z lewej strony dwa z nich, a mianowicie stopień pierwszy 1 i stopień trzeci 3, zaś stopień drugi 2 i stopień czwarty 4 są tylko zaznaczone przez czopy końcowe wałów. Stopnie sprężania 1 do 4 są napędzane przez zintegrowaną, smarowaną olejem przekładnię. Przekładnia zawiera wewnątrz obudowy 5 centralne, zębate koło napędowe 6, z którym zazębiają się zębniki 7. Każdy zębnik 7 znajduje się na wale wirnikowym 8, na którego końcu odwróconym od zębnika 7 jest osadzony wirnik 9 jednego ze stopni sprężania 1 do 4. Każdy wał wirnikowy 8 po stronie odwróconej od wirnika 9 jest ułożyskowany w obudowie 5 przekładni w smarowanym olejem łożysku 10, którym jest łożysko wzdłużne z wahliwymi płytkami panwiowymi. Przejście wału wirnikowego 8 przez obudowę 5 przekładni jest uszczelnione w stosunku
4 174 005 do wolnej atmosfery z jednej strony przez kołpak zamykający 11 a z drugiej strony przez zasilane powietrzem uszczelniającym uszczelnienie labiryntowe 12 wału. Każda z wolnostojących konstrukcji nośnych, wykonana w postaci płyty 13, jest umieszczona z dwóch przeciwległych stron obudowy 5 przekładni w pewnej odległości od niej. Płyty 13 są połączone z obudową 5 przekładni poprzez uchwyty dystansowe 14 i razem z obudową 5 stoją na nie pokazanym fundamencie. Między płytami 13 jest więc wytworzona przestrzeń pośrednia, przez którą przepływa otaczające powietrze. Każdy stopień sprężający 1 do 4 posiada wirnik 9, który obraca się wewnątrz obudowy sprężarkowej 15. Obudowa 15 jest zaopatrzona w część wlotową 16 i od strony tylnej zamknięta ścianką tylną 17. Ścianka tylna 17 obudowy 15 jest przymocowana do płyty 13 tak, że płyty 13 niosą stopnie sprężania 1 do 4. Wał wirnikowy 8 każdego ze stopni sprężania 1 do 4 przechodzi przez płytę 13 i jest w niej ułożyskowany w dodatkowym łożysku 18. Jako łożysko może być zastosowane hydrauliczne'łożysko wzdłużne z wahliwymi płytkami panwiowymi, które jest smarowane środkiem smarowym tolerowanym przez tlen, np. wodą. Dodatkowe łożysko 18 może być wykonane także jako łożysko magnetyczne. Takie łożyska magnetyczne są znane. Prowadzą one wał za pomocą regulowanych pól magnetycznych. Wał wirnikowy 8 jest prowadzony przez to łożysko magnetyczne precyzyjnie i samowyrównoważająco. W razie awarii układu elektromagnetycznego łożysk magnetycznych sprężarka wyłącza się a wał wirnikowy 8 zostaje uchwycony przez łożysko pomocnicze. To łożysko pomocnicze jest umieszczone w części wlotowej 16 obudowy sprężarkowej 15. Łożyskiem pomocniczym jest stożkowe łożysko chwytowe 19, które składa się ze stożkowego pierścienia łożyskowego 20, otaczającego stożkowy odcinek piasty 22 wirnika 9, i z rolek 21, na których opiera się pierścień 20. Stożkowy pierścień łożyskowy 20 łożyska chwytowego 19 jest utrzymywany w pewnej odległości od piasty 22 za pomocą elektromagnesu 23, napinającego sprężynę 24. W razie awarii układu elektromagnetycznego przestaje działać elektromagnes 23, a sprężyna 24 dociska stożkowy pierścień łożyskowy 20 do piasty 22, dzięki czemu wirnik 9 jest prowadzony bez luzu i może się bezpiecznie obracać. Wał wirnikowy 8 jest uszczelniony w stosunku do atmosfery zewnętrznej wewnątrz ścianki tylnej 17 za pomocą krótkiego uszczelnienia labiryntowego 25, które jest wykonane jako ceramiczne, suche, smarowane gazem, pływające uszczelnienie pierścieniowe. Ulatniający się tlen może przy tym kierować wraz z powietrzem uszczelniającym do układu odpowietrzającego. Może się on ulatniać bezproblemowo także do hali maszyn. W porównaniu z łożyskami smarowanymi olejem można przy użyciu tej zasady konstrukcyjnej uszczelniać wirniki o większych średnicach. Opisane ułożyskowanie wału wirnikowego 8 w dodatkowym łożysku 18 w płycie 13 i w smarowanym olejem łożysku 10 w obudowie 5 przekładni w przypadku osadzenia tylko jednego wirnika 9 na każdym wale wirnikowym 8 daje w wyniku korzystne przełożenie dźwigni w smarowanym olejem łożysku 10. Jednakże odmiennie niż w tym wykonaniu wał wirnikowy 8, jak pokazano na fig. 3, może być także ułożyskowany w drugim smarowanym olejem łożysku 26, które jest umieszczone w obudowie 5 przekładni po drugiej stronie zębnika 7. W tym przypadku, zwłaszcza w razie stosowania łożyska magnetycznego, dodatkowe łożysko 18 pełni przede wszystkim funkcję łożyska prowadzącego i tłumiącego. Według fig. 4 na każdym wale wirnikowym 8 napędzanym przez jeden zębnik 7 są osadzone dwa wirniki 9. Za każdym tak umieszczonym wirnikiem 9 jest zainstalowane dodatkowe łożysko wykonane jako łożysko magnetyczne, które działa jako łożysko prowadzące lub tłumiące. Dzięki wykonaniu ułożyskowania wału wirnikowego 8 bardzo blisko wirnika 9 środek ciężkości wirnika 9 ma bardzo mały wysięg. Równocześnie średnica wału
174 005 5 wirnikowego 8 jest zwiększona, czemu sprzyja zastosowanie ceramicznego, suchego, smarowanego gazem, pływającego uszczelnienia pierścieniowego jako uszczelnienia labiryntowego 25 wału. Mały wysięg środka ciężkości wirnika i zwiększona średnica wału wirnikowego 8 zmniejszają podatność wirnika 9 do drgań tak, że unika się występowania drgań o dużych amplitudach i osiąga spokojny bieg wirnika. Zawierająca powietrze otaczające duża przestrzeń pośrednia między obudową 5 przekładni zawierającą olej smarowy i stopniami sprężania 1 do 4 transportującymi tlen zapewnia dokładne oddzielenie oleju smarowego od tlenu. Jedno i drugie zmniejsza niebezpieczeństwo pożaru sprężarki przekładniowej tak, że została stworzona bezpieczna sprężarka przekładniowa do sprężania tlenu. Sprężarka według wynalazku może być stosowana także do sprężania innych gazów niż tlen, gdy jest wymagana bardzo mała zawartość oleju w sprężonym gazie, wynosząca kilka ppm. F g. 2
174 005 Fig. 3
174 005 F ig. 4
174 005 Fig. 1 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł