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Title:
MULTI-STAGE COMPRESSOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2008/019416
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a multi-stage compressor (1) for compressing gases having a low-pressure region (2) and having a high-pressure region (5), wherein at least one rotary compressor (3) is provided in the low-pressure region (2) and at least one reciprocating-piston compressor (6) which comprises two cylinders (7) is provided in the high-pressure region (5), and a common motor (4) for driving the rotary compressor (3) and the reciprocating-piston compressor (6) is provided, wherein the cylinders (7) in the high-pressure region (5) are arranged so as to be rotated 180˚ with respect to one another.

Inventors:
HUTTAR, Ernst (Schömergasse 30, Klosterneuburg, A-3400, AT)
Application Number:
AT2007/000392
Publication Date:
February 21, 2008
Filing Date:
August 16, 2007
Export Citation:
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Assignee:
LEOBERSDORFER MASCHINENFABRIK AG (Wächtergasse 1, Wien, A-1010, AT)
HUTTAR, Ernst (Schömergasse 30, Klosterneuburg, A-3400, AT)
International Classes:
F04B41/06; F04B25/00; F04B27/02; F04C23/00
Domestic Patent References:
WO2003010436A12003-02-06
WO2003010436A12003-02-06
WO2002044564A12002-06-06
Foreign References:
FR1231185A1960-09-27
FR944598A1949-04-08
GB597437A1948-01-26
FR2369962A11978-06-02
DE19947444A12001-04-05
FR1231185A1960-09-27
FR944598A1949-04-08
GB597437A1948-01-26
DE4313573A11994-10-27
DE19932433A12000-01-27
US4662826A1987-05-05
FR2369962A11978-06-02
DE19947444A12001-04-05
DE2939298A11980-09-11
GB458333A1936-12-17
Attorney, Agent or Firm:
SONN & PARTNER (Riemergasse 14, Wien, A-1010, AT)
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Claims:
Patentansprüche :

1. Mehrstufiger Verdichter (1) zur Komprimierung von Gasen mit einem Niederdruckbereich (2) und einem Hochdruckbereich (5), wobei im Niederdruckbereich (2) zumindest ein Rotationsverdichter

(3) und im Hochdruckbereich (5) zumindest ein zwei Zylinder (7) umfassender Hubkolbenverdichter (6) vorgesehen ist und ein gemeinsamer Motor (4) für den Antrieb des Rotationsverdichters (3) und des Hubkolbenverdichters (6) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder (7) im Hochdruckbereich (5) um 180° verdreht zueinander angeordnet sind.

2. Mehrstufiger Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (4) seitlich neben dem Hubkolbenverdichter (6) angeordnet ist.

3. Mehrstufiger Verdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse einer Kurbelwelle (8) des Motors

(4) ebenso wie die Längsachse der Zylinder (7) im Wesentlichen horizontal angeordnet sind.

4. Mehrstufiger Verdichter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationsverdichter (3) und der Hubkolbenverdichter (6) an gegenüberliegenden Ausgangsseiten an den Motor (4) gekuppelt sind.

5. Mehrstufiger Verdichter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationsverdichter (3) an den vom Motor angetriebenen Hubkolbenverdichter (6) gekuppelt ist.

6. Mehrstufiger Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den Zylindern (7) jeweils ein Stufenkolben aufgenommen ist.

7. Mehrstufiger Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder (7) doppelwirkend ausgebildet sind.

8. Mehrstufiger Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubkolbenverdichter (6) mehrere

Verdichterstufen (6 1 , 6' 1 ) aufweist.

9. Mehrstufiger Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den einzelnen Verdichterstufen (2, 5; 6 1 , 6 1 ') zumindest eine Regeleinrichtung vorgesehen ist.

10. Mehrstufiger Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den einzelnen Verdichterstufen (2, 5; 6', 6 11 ) zumindest eine Dämpfungseinrichtung (17), eine Kühlvorrichtung (15), ein Kondensatabscheider (16), eine Trockenvorrichtung oder ein Gasseparator vorgesehen ist.

11. Verwendung eines mehrstufigen Verdichters nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in einer mobilen Verdichteranlage.

12. Verwendung eines mehrstufigen Verdichters nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in einer auf einem Schiff montierten Verdichteranlage.

Description:

Mehrstufiger Verdichter

Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Verdichter zur Komprimierung von Gasen mit einem Niederdruckbereich und einem Hochdruckbereich, wobei im Niederdruckbereich zumindest ein Rotationsverdichter und im Hochdruckbereich zumindest ein zwei Zylinder umfassender Hubkolbenverdichter vorgesehen ist und ein gemeinsamer Motor für den Antrieb des Rotationsverdichters und des Hubkolbenverdichters vorgesehen ist.

Die Kombination eines Rotationsverdichters, insbesondere eines Schraubenverdichters, im Niederdruckbereich mit einem Hubkolbenverdichter im Hochdruckbereich ist grundsätzlich aus der WO 03/010436 Al bekannt. Hierbei ist zur Hochverdichtung des zu komprimierenden Gases ein mehrstufiger Hubkolbenverdichter gezeigt, wobei die Zylinder der einzelnen Verdichterstufen V-förmig zueinander angeordnet sind. Der Antrieb des Hubkolbenverdichters und des Niederdruckverdichters erfolgt hierbei über eine gemeinsame Kurbelwelle.

Weiters ist es aus der DE 4 313 573 bekannt, einen Schraubenkompressor zur Niederdruckverdichtung und einen gesondert von dem Schraubenkompressor angetriebenen Hochdruckkolbenkompressor zur Hochdruckverdichtung vorzusehen.

Zudem ist noch aus der DE 199 32 433 Al ein Verfahren zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit von Verdrängerkompressoren bekannt, wobei hierin geoffenbart ist, dass ein Kreiselverdichter entweder vom Antriebsmotor eines Hubkolbenkompressors oder jedoch von einem separaten Motor angetrieben wird.

Weiters ist noch aus der US 4,662,826 eine andersartige Vakuumpumpe bekannt, bei welcher Gas zunächst mit Hilfe einer Rotationsvakuumpumpe und anschließend über eine an die Kurbelwelle der Rotationsvakuumpumpe gekoppelte Hubkolbenpumpe abgesaugt wird. Hierbei erfolgt jedoch keine innere Verdichtung des abzusaugenden Gases, so dass im Vergleich zu einer mehrstufigen Hochdruckverdichtung eine etwaige Erwärmung des zu komprimierenden Gases bzw. ein Kondensatanfall nicht zu berücksichtigen sind.

Zudem ist es grundsätzlich bekannt bei Kolbenkompressoren unterschiedlicher Art die Kolben in Boxerbauweise anzuordnen. So ist aus der WO 2002/044564 Al ein mehrstufiger Kolbenkompressor für die Erzeugung von Druckluft für Schienenfahrzeuge bekannt, welcher im Wesentlichen aus einer Antriebseinheit und einer nachgeschalteten Verdichtereinheit besteht und eine Niederdruck- und mindestens eine Hochdruckstufe aufweist. Jede der auf einer Kurbelwelle liegenden Kröpfungen weist zwei daran angebrachte gegenüberliegende Kolben auf, wobei benachbarte Kröpfungen im Wesentlichen 180° zueinander versetzt angeordnet sind, die Kolben können hierbei vertikal stehend, horizontal liegend oder V- förmig angeordnet sein.

Aus der DE 29 39 298 Al ist allgemein eine Hubkolbenverdichter- Anlage gezeigt, welche einen Boxerverdichter aufweist, bei dem Kolbenlaufbuchsen eines Stufenzylinders um 180° gedreht und gegenüberliegend angeordnet sind.

Aus der GB 458 333 A ist zudem eine kombinierte Einheit aus Verbrennungsmotor und Pumpe oder Kompressor bekannt. Die Pump- bzw. Kompressoreinheit weist eine Kurbelwelle mit drei Kröpfungen auf, wobei zwei benachbarte Kröpfungen um 180° versetzt zueinander angeordnet sind, deren entsprechende Zylinder einander in einer horizontalen Ebene gegenüberliegend angeordnet sind.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es nun, einen mehrstufigen Verdichter der eingangs angeführten Art zu schaffen, welcher gegenüber vergleichbaren mehrstufigen Verdichtern ein verbessertes Schwingungsverhalten aufweist.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erzielt, dass die Zylinder im Hochdruckbereich um 180° verdreht zueinander angeordnet sind. Durch die um 180° verdrehte, gegenüberliegende Anordnung der Zylinder ergibt sich ein wesentlich schwingungsärmerer Lauf der in den Zylindern aufgenommenen Kolben zur Kompression des zu verdichtenden Gases. Zusammen mit dem im Niederdruckbereich vorgesehen Rotationsverdichter ergibt sich somit ein äußerst kompakter mehrstufiger Verdichter, mit dem eine verhältnismäßig hohe Verdichtung eines zu komprimierenden Gases erzielt werden kann, wobei zugleich die von dem mehrstufigen Verdichter erzeug-

ten Schwingungen gering gehalten werden. Hierdurch eignet sich der erfindungsgemäße mehrstufige Verdichter insbesondere für die Verwendung in mobilen Verdichteranlagen ebenso wie in auf einem Schiff montierten Verdichteranlagen. Hierbei ist es auch insbesondere vorteilhaft, dass der Hubkolbenverdichter, dessen zumindest zwei Zylinder um 180° verdreht zueinander angeordnet sind, d.h. in einer so genannten Boxerbauweise angeordnet sind, einen gegenüber herkömmlichen, z.B. V-förmig zueinander angeordneten, Zylindern vergleichsweise tiefen Schwerpunkt aufweist.

Um den Gesamtschwerpunkt des mehrstufigen Verdichters möglichst niedrig zu halten, welches bei mobilen Verdichteranlagen von besonderer Bedeutung ist, ist es weiters vorteilhaft, wenn der Motor seitlich neben dem Hubkolbenverdichter angeordnet ist. Zudem ist es für eine flache und somit eine einen tiefen Schwerpunkt aufweisende Ausbildung günstig, wenn die Längsachse einer Kurbelwelle des Motors ebenso wie die Längsachse der Zylinder im Wesentlichen horizontal angeordnet sind.

Hinsichtlich einer besonders kompakten Ausgestaltung des mehrstufigen Verdichters ist es günstig, den gemeinsamen Motor mit zwei Wellenenden zu versehen, so dass auf einfache Weise der Rotationsverdichter und der Hubkolbenverdichter an gegenüberliegenden Ausgangsseiten an den Motor gekuppelt werden können.

Alternativ ist es für eine besonders kompakte Ausgestaltung ebenso denkbar, dass der Rotationsverdichter an den vom Motor angetriebenen Hubkolbenverdichter gekuppelt ist. In diesem Fall ist lediglich eine einzige Kurbelwelle erforderlich, über welche sowohl der Rotationsverdichter als auch der Hubkolbenverdichter angetrieben werden.

Da der erfindungsgemäße mehrstufige Verdichter insbesondere auch für den mobilen Einsatz auf Schiffen und LKWs geeignet sein soll, ist es günstig, wenn der mehrstufige Verdichter eine vergleichsweise geringe Spannweite bzw. Breite aufweist, ohne die Leistungsfähigkeit zu reduzieren. Dies wird vorteilhafterweise dadurch erzielt, dass in den Zylindern jeweils ein Stufenkolben aufgenommen ist. Alternativ ist die Erzielung einer geringen Spannweite ebenfalls möglich, wenn die Zylinder doppelwirkend

ausgebildet sind. Durch die vergleichsweise kurze Spannweite kann der mehrstufige Verdichter vorteilhafterweise in ISO-Containern aufgenommen werden, die eine Breite von 8 ft (2,54 m) aufweisen und entweder 20 ft (6,079 m) oder 40 ft (12,9 m) lang sind. Bisher bekannte mehrstufige Verdichter, die sowohl einen Rotations- als auch einen Hubkolbenverdichter aufgewiesen haben, bei welchen die Kolbenverdichter jedoch V-förmig zueinander angeordnet waren, konnten hingegen nicht in ISO-Containern aufgenommen werden, welches einen mobilen Einsatz erheblich erschwerte.

Um die Verdichterendtemperatur im Hochdruckbereich auf einen zulässigen Wert zu begrenzen, ist es günstig, wenn der Hubkolbenverdichter mehrere Verdichterstufen aufweist. Im Falle eines zu hohen Verdichtungsgrades in einer einzigen Verdichtungsstufe wäre aufgrund der Erhöhung der Temperatur des zu komprimierenden Gases eine weitere Verdichtung in einer einzigen Verdichtungsstufe ineffizient.

Für eine effiziente Regelung des mehrstufigen Verdichters ist es günstig, wenn zwischen den einzelnen Verdichterstufen zumindest eine Regeleinrichtung vorgesehen ist, wobei als Regeleinrichtung Ablassventile, Bypassventile, verstellbare Schadräume, Drehzahlregler und andere Armaturen vorgesehen sein können. Insbesondere können zur Steuerung bzw. Regelung des mehrstufigen Verdichters verschiedene mechanische, pneumatische, hydraulische, elektrische oder elektronische Komponenten eingesetzt werden, wodurch sowohl eine Steuerung bzw. Regelung vor Ort als auch ein Fernbetrieb ermöglicht wird.

Hinsichtlich einer effizienten Verdichtung in den einzelnen Verdichterstufen ist es günstig, wenn zwischen den einzelnen Verdichterstufen zumindest eine Dämpfungseinrichtung, eine Kühlvorrichtung, ein Kondensatabscheider, eine Trockenvorrichtung oder ein Gasseparator vorgesehen ist. Die „einzelnen" Verdichterstufen können hierbei sowohl einerseits dem Niederdruckbereich und andererseits dem Hochdruckbereich zugeordnet sein oder jedoch auch beide dem Hochdruckbereich zuzuordnen sein.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, noch näher erläutert. Im Einzelnen zeigen in der Zeichung:

Fig. 1 schematisch eine perspektivische Ansicht eines mehrstufigen Verdichters, bei welchem ein Rotationsverdichter und ein Hubkolbenverdichter in Boxerbauweise an gegenüberliegenden Ausgangsseiten eines zentralen Antriebsmotors angeordnet sind;

Fig. 2 schematisch eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles, bei welchem der Rotationsverdichter an die Kurbelwelle des in Boxerbauweise ausgeführten Hubkolbenverdichters gekuppelt ist;

Fig. 3 schematisch ein Blockschaltdiagramm eines mehrstufigen Verdichters mit einem zweistufigen Hochdruckverdichter;

Fig. 4 schematisch eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels mit einem im Boxerbauweise ausgeführten zweistufigen Hubkolbenverdichter;

Fig. 5 schematisch eine Schnittansicht eines Zylinders mit einem Stufenkolben; und

Fig. 6 schematisch eine Schnittansicht eines doppelwirkenden Zylinders .

In Fig. 1 ist ein mehrstufiger Verdichter 1 gezeigt, wobei in einem Niederdruckbereich 2 ein Schraubenverdichter 3 vorgesehen ist. Der Schraubenverdichter 3 ist an einen zentralen Antriebsmotor gekuppelt, der über eine weitere Kurbelwelle den ebenso im Hochdruckbereich 5 vorgesehenen Hubkolbenverdichter 6 antreibt. Der Hubkolbenverdichter 6 weist hierbei zwei Zylinder 7 auf, welche um 180° zueinander verdreht angeordnet sind, so dass der Hubkolbenverdichter 6 in einer so genannten Boxerbauweise ausgeführt ist, bei welcher die in den Zylindern 7 aufgenommenen Kolben 7' (vgl. Fig. 3) in derselben Bewegungsebene verlaufen. Hierdurch ergibt sich aufgrund der Aufhebung der Massenkräfte erster Ordnung eine hohe Laufruhe des Hubkolbenverdichters 6, so

dass der mehrstufige Verdichter 1 gegenüber bekannten Vorrichtungen ein verbessertes Schwingungsverhalten aufweist. Zudem wird hierdurch auch eine flache und kurze Bauweise erzielt, so dass insbesondere der Schwerpunkt gegenüber bekannten Vorrichtungen vergleichsweise tief liegt, welches insbesondere bei Verwendung des mehrstufigen Verdichters 1 auf Schiffen vorteilhaft ist.

In Fig. 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel gezeigt, wobei hier der Antriebsmotor 4 lediglich eine Kurbelwelle 8 aufweist, welche unter Zwischenschaltung einer Schwungmasse 9 über eine Kupplung 10 den in Boxerbauweise ausgeführten Hubkolbenverdichter 6 antreibt. über die gleiche Kurbelwelle kann sodann der im Niederdruckbereich 2 vorgesehene Schraubenverdichter 3 angetrieben werden.

In den Fig. 1 und 2 ist insbesondere noch ersichtlich, dass dem im Niederdruckbereich 2 vorgesehenen Schraubenverdichter in herkömmlicher Weise ein Einlassregelventil 11 zugeordnet ist, über welches der Lufteinlass geregelt wird und im Falle eines Herun- terfahrens des mehrstufigen Verdichters 1 der Lufteinlass verschlossen wird. Zudem sind auch noch Luftfilter 12 des Antriebsmotors 4 ersichtlich, ebenso wie ölfilter 13 bzw. Treibstofffilter 14. Wesentlich ist jedoch lediglich die Anordnung der beiden Zylinder 7 des Hubkolbenverdichters 6 in Boxerbauweise.

In dem Blockschaltbild in Fig. 3 ist ersichtlich, dass zwischen dem Rotations- bzw. Schraubenverdichter 3 im Niederdruckbereich 2 und dem Hochdruckbereich 5, in welchem ein Hubkolbenkompressor 6 mit zwei Verdichterstufen 6 1 , 6'' vorgesehen ist, eine Kühlvorrichtung 15 zum Kühlen des aufgrund der inneren Verdichtung eine erhöhte Temperatur aufweisenden Gases und darauf folgend ein Kondensatabscheider 16 vorgesehen ist, um eine effiziente Verdichtung in dem nachgestalteten Hochdruckbereich 5 zu ermöglichen. Zudem ist ein Pulsationsdämpfer 17 vorgesehen, um die Druckschwingungen des zu komprimierenden Gases zu begrenzen. Anschließend tritt das bereits vorverdichtete Gas in den Hochdruckbereich 5 ein, in welchem ein mehrstufiger Kolbenverdichter 6 vorgesehen ist, bei welchem in jeder Verdichterstufe 6, 6 1

zwei gegenüberliegende Zylinder 7 bzw. Kolben 7' vorgesehen sind, so dass abgesehen von der kompakten Bauweise des mehrstufigen Verdichters 1 und der hohen Effizienz der Verdichtung auch eine hohe Laufruhe der Gesamtanordnung gewährleistet ist, wodurch der mehrstufige Verdichter 1 insbesondere zur Verwendung in mobilen Verdichteranlagen sowie auf Schiffen geeignet ist.

In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des mehrstufigen Verdichters 1 gezeigt, wobei hier insbesondere der zentral angeordnete gemeinsame Motor 4 ersichtlich ist, welcher eine Kurbelwelle 8 mit zwei Wellenstummeln 8 1 aufweist, wobei über einen Wellenstummel 8 ' im Niederdruckbereich 2 ein Schraubenverdichter angetrieben wird und über den anderen Wellenstummel 8 ' der zweistufige Hubkolbenverdichter 6.

Die beiden Verdichterstufen 6, 6' des in Boxerbauweise ausgeführten Hubkolbenverdichters 6 können hierbei, wie in Fig. 5 und 6 ersichtlich, als Stufenkolben 15 oder jedoch als doppeltwirkender Zylinder 16 ausgeführt sein. Durch beide Ausführungsvarianten kann eine vergleichsweise kurze Bauweise des Hubkolbenverdichters 6 erzielt werden und somit bei der erfindungsgemäß vorgesehenen, um 180° verdreht zueinander angeordneten Anordnung der Zylinder 7 im Hochdruckbereich 5 eine vergleichsweise geringere Spannweite der gesamten Vorrichtung 1 erzielt werden, da der Hubkolbenverdichter 6 in der Breite die größte Ausdehnung der gesamten Vorrichtung 1 aufweist. Hierdurch wird insbesondere der Einbau des mehrstufigen Verdichters 1 in ISO-Containern, welche eine Breite von 8 ft (2,44 m) aufweisen, möglich, welches für den mobilen Einsatz, insbesondere auch auf Schiffen, zusammen mit dem tiefliegenden Schwerpunkt der Gesamtvorrichtung, von großem Vorteil ist.