Verdichter und Verfahren zum Betrieb eines Verdichters Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Verdichter mit einer ersten Verdichterstufe und einer stromabwärts angeordneten zweiten Verdichterstufe, wobei die erste Verdichterstufe einen Axialverdichter aufweist und die zweite Verdichterstufe einen Radialverdichter. Mehrstufige Verdichter der eingangs genannten Art sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt. So offenbart beispielsweise die DE 3 687 391 T2 eine Pumpenoder Verdichteranlage mit einem Axialverdichter und einem nach geschalteten Radialverdichter. Aus der EP 0 348 342 ist des Weiteren eine Kreiselmaschine mit gegenläufigen Laufrädern und eine Verwendung der Kreiselmaschine bekannt, deren gegenläufige Laufräder ineinander greifend angeordnet sind.

Nachteilig bei den genannten Vorrichtungen ist jedoch, dass die Vorrichtungen mit hohen Drehzahlen betrieben werden müssen, was eine aufwendige Lagerung erforderlich macht.

Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahin gehend zu verbessern, dass eine weniger aufwendige Lagerung möglich ist.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Verdichter gemäß Anspruch 1 sowie durch Verfahren zum Betrieb eines entsprechenden Verdichters gemäß den nebengeordneten Ansprüchen 1 1 , 12 und 13. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Ein erfindungsgemäßer Verdichter weist eine erste Verdichterstufe auf, die als Axialverdichter ausgebildet ist. Dem Axialverdichter ist eine zweite Verdichterstufe stromabwärts nachgeschaltet, die einen Radialverdichter aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die erste Verdichterstufe und die zweite Verdichterstufe gegenläufig angetrieben sind. Durch den vorgeschalteten Axialverdichter erhält das durch den Axialverdichter vorverdichtete Medium einen Drehimpuls, der die relative Einlassgeschwindigkeit des Mediums in den radialen Kompressor erhöht, da der radiale Kompressor sich in die entgegengesetzte Richtung dreht. Auf diese Weise wird der Massenfluss am Eingang des Radialkompressors erhöht. Ein erhöhter Massenfluss bewirkt des Weiteren, dass der Radialverdichter mit einem größeren Durchmesser ausgelegt werden kann, um dem gegenüber bekannten Anordnungen größeren Volumenstrom Rechnung zu tragen. Die größere mögliche Kompressorgröße trägt ebenfalls dazu bei, die Rotationsgeschwindigkeit zu reduzieren. Strömungsabrisse oder Pumpen am Ausgang des Radialverdichters sind bei den niedrigeren Drehzahlen nicht zu erwarten. Weiterhin ergibt sich mit einem erfindungsgemäß erhöhten Massenfluss im Einlassbereich eine im Vergleich mit dem Stand der Technik geringere Rotations- und Dichtungsgeschwindigkeit für denselben abgegebenen Massenstrom. Der erfindungsgemäße Verdichter kann insbesondere in einer Wärmepumpe eingesetzt werden, um insbesondere gasförmige Medien zu verdichten.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann der axiale Verdichter als einzelne axiale Stufe ausgebildet sein, was die Komplexität des erfindungsgemäßen Verdichters verringert.

Gemäß einer ersten möglichen Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die erste Verdichterstufe und die zweite Verdichterstufe von konzentrischen Wellen angetrieben werden. Auf diese Weise lässt sich der Ausgang des Axialverdichters konzentrisch zum Eingang des Radialverdichters anordnen, wodurch ein Umlenken des strömenden Mediums zwischen Axialverdichterausgang und Radialverdichtereingang vermieden werden kann.

Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Welle der zweiten Verdichterstufe, also des Radialverdichters, eine Hohlwelle ist und sich die Welle der ersten Verdichterstufe, also des Axialverdichters, zumindest teilweise in die Hohlwelle erstreckt. Diese Anordnung ist besonders kompakt und erlaubt eine genaue Ausrichtung von Radialverdichter und Axialverdichter. Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die beiden Wellen gegenläufig angetrieben sind. Dadurch, dass die Wellen gegenläufig angetrieben sind, lässt sich eine Optimierung der Relativgeschwindigkeit des strömenden Mediums zu den Laufschaufeln des Radialverdichters erzielen, wodurch die Rotationsgeschwindigkeit der Wellen relativ zu feststehenden Bauteilen bei gegebener Leistung minimiert werden können.

Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die erste Verdichterstufe und die zweite Verdichterstufe eigene Motoren aufweisen. Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Motoren benachbart zueinander angeordnet sind. Auf diese Weise lassen sich die Motoren kompakt anordnen und einfacher verschalten.

Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Axialverdichter von der Welle bewegte innere Laufschaufeln aufweist. In diesem Falle lässt sich ein Antrieb des Axialverdichters von der inneren Welle mit geringem konstruktivem Aufwand erreichen.

Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Axialverdichter feststehende äußere Strömungsleitelemente aufweist. Dies vereinfacht die Konstruktion des erfindungsgemäßen Verdichters. Gegenläufige Strömungsleitelemente im Axialverdichter würden darüber hinaus dem erfindungsgemäßen Effekt entgegenstehen. Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Hohlwelle des Radialverdichters mittels wenigstens einem Wälz- oder Gleitlager im Verdichter gelagert ist. Derartige konventionelle Lager sind günstiger als hochgeschwindigkeitstaugliche Lager wie beispielsweise Magnetlager und weniger defektanfällig, insbesondere beim Anlaufen oder beim Abbremsen. Darüber hinaus sind Montage und Justierung eines entsprechenden Verdichters einfacher als bei nicht konventionellen Lagern.

Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Welle der ersten Verdichterstufe in der Hohlwelle gelagert ist. Auf diese Weise kann eine weitere Lagerung der Welle im Verdichter vermieden werden. Axialverdichter und Radialverdichter lassen sich zudem exakt zueinander ausrichten. Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Lagerung der Welle in der Hohlwelle und/oder der Hohlwelle selbst im Verdichtergehäuse eine kontaktfreie Lagerung ist. Vorzugsweise kommen dafür aerodynamische Lager oder Magnetlager zum Einsatz. In einer Ausgestaltung, in der die Welle des Axialverdichters in der Hohlwelle des Radialverdichters gelagert ist, sind die Relativgeschwindigkeiten zwischen den beiden Wellen relativ groß, was eine konventionelle Lagerung aufwändig machen würde.

Ein erster unabhängiger Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Verdichters gemäß dem zuvor beschriebenen Erfindungsgedanken, wobei die erste Verdichterstufe und die zweite Verdichterstufe mit einem entgegengesetzten Drehsinn angetrieben werden. Gemäß einem alternativen Verfahren kann vorgesehen sein, dass die erste Verdichterstufe und die zweite Verdichterstufe mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten angetrieben werden. Und weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die erste und die zweite Verdichterstufe mit etwa gleichen Geschwindigkeiten angetrieben werden.

Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben. Dabei zeigt die einzige Figur schematisch einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Verdichter 2.

Der Verdichter 2 ist zweistufig und weist einen einzelnen Axialverdichter 4 sowie einen stromabwärts nachgeschalteten Radialverdichter 6 auf.

In der gezeigten Darstellung wird das so zu verdichtende Medium, im Falle einer Wärmepumpe ein Kältemittel, von links mit niedrigem Druck in den Verdichter 2 eingeleitet. Es durchströmt den Axialverdichter 4 von links nach rechts und wird dabei verdichtet und in Rotation um die Achse des Axialverdichters 4 versetzt. Ein Axialverdichterausgang 8 ist konzentrisch mit einem Radialverdichtereingang 10 strömungsverbunden. Das verdichtete Medium kann damit verlustarm vom Axialverdichter 4 in den Radialverdichter 6 eingeleitet werden. Darüber hinaus findet keine merkliche Impulsänderung, insbesondere keine Drehimpulsänderung des strömenden Mediums zwischen Axialverdichter 4 und Radialverdichter 6 statt.

Der Radialverdichter 6 weist ein drehbar gelagertes Laufrad 12 mit Laufschaufeln 14 auf. Das zu verdichtende Medium wird radial von innen nach außen hin im Radialverdichter 6 verdichtet.

Der Axialverdichter 4 wird über eine Welle 16 angetrieben. Die Welle 16 ist mit mindestens einem Schaufelkranz 18 starr verbunden.

Das Laufrad 12 des Radialverdichters 6 ist starr mit einer Hohlwelle 20 verbunden. Die Welle 16 des Axialverdichters 4 ist im inneren der Hohlwelle 20 des Radialverdichters 6 geführt. Die Welle 16 und die Hohlwelle 20 sind konzentrisch zueinander angeordnet.

Die Welle 16 ist mittels einem oder mehreren berührungsfreien Lagern, vorliegend mittels zweier Lager 17, in der Hohlwelle 20 gelagert. Die berührungsfreie, beispielsweise aerodynamische Lagerung ermöglicht höhere Relativgeschwindigkeiten zwischen der Welle 16 und der Hohlwelle 20. Genauso ist die Hohlwelle 20 mittels zweier berührungsfreier, beispielsweise aerodynamischer Lager 17 in einem Gehäuse 26 des Verdichters 2 gelagert.

Der Axialverdichter 4 ist von einem ersten Motor 22 angetrieben. Der Radialverdichter 6 ist von einem zweiten Motor 24 angetrieben. Die Motoren 22 und 24 sind benachbart zueinander angeordnet. Der Axialverdichter 4 und der Radialverdichter 6 werden gegenläufig zueinander angetrieben, so dass die Welle 16 im entgegengesetzten Drehsinn gedreht wird wie die Hohlwelle 20. Die Wellen 16, 20 können mit gleichen Rotationsgeschwindigkeiten betrieben werden. Ein Betrieb mit unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten ist ebenfalls möglich. Durch den Betrieb des Axialverdichters 4 und des Radialverdichters 6 in unterschiedlichen Drehrichtungen wird erreicht, dass das zu verdichtende Medium durch den Axialverdichter einen Drehimpuls erhält, so dass das Medium am Axialverdichterausgang 8 einen gewissen gerichteten Drehimpuls aufweist. Der Radialverdichter 6 wird im umgekehrten Drehsinn betrieben, so dass die Laufschaufeln 14 in die entgegengesetzte Drehrichtung gedreht werden wie die Schaufeln des Schaufelkranzes 18 des Axialverdichters.

Das mit Drehimpuls versehene, vorverdichtete Medium, das den Axialverdichter 4 verlässt, trifft daher mit einer sehr hohen Relativgeschwindigkeit auf die Laufschaufeln 14 des Laufrades 12 des Radialverdichters 6. Auf diese Weise wird der Massenstrom des zu verdichtenden Mediums am Radialverdichtereingang 10 verglichen mit Vorrichtungen, bei denen Axialverdichter und Radialverdichter mit gleichem Drehsinn betrieben werden, erheblich erhöht. Der Massenstrom des Mediums wird damit ebenfalls erheblich im gesamten Verdichter 2 erhöht. Daher kann der Radialverdichter 6 größer dimensioniert werden, ohne dass die Gefahr von Strömungsabrissen an einem Radialverdichterausgang 28 besteht. Ein größerer Radialverdichter 6 kann wiederum vorteilhafterweise mit niedrigeren Drehzahlen angetrieben werden. Die erfindungsgemäße Auslegung eines Verdichters 2 erlaubt somit einen vergleichsweise niedrig drehenden Antrieb der nacheinander geschalteten Verdichter 4, 6, so dass die Hohlwelle 20 relativ zum Gehäuse 26 des Verdichters 2 mit geringer Geschwindigkeit drehen kann. Der erfindungsgemäße Verdichter 2 kombiniert somit eine robuste, einfache Konstruktion mit einem sicheren, stabilen und geräuscharmen Betrieb.

BEZUGSZEICHENLISTE

2 Verdichter

4 Axialverdichter

6 Radialverdichter

8 Axialverdichterausgang

10 Radialverdichtereingang

12 Laufrad

14 Laufschaufeln

16 Welle

17 Lager

18 Schaufelkranz

20 Hohlwelle

22 Motor

24 Motor

26 Gehäuse

28 Radialverdichterausgang