Titel: | DIE FORTSCHRITTE AUF DEM GEBIETE DER DRUCKLUFTERZEUGUNG UND DEREN WIRTSCHAFTLICHE BEDEUTUNG. |
Autor: | P. Bernstein |
Fundstelle: | Band 327, Jahrgang 1912, S. 353 |
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DIE FORTSCHRITTE AUF DEM GEBIETE DER
DRUCKLUFTERZEUGUNG UND DEREN WIRTSCHAFTLICHE BEDEUTUNG.
Von Oberingenieur P. Bernstein,
Köln.
(Fortsetzung von S. 339 d. Bd.)
BERNSTEIN: Die Fortschritte auf dem Gebiete der Drucklufterzeugung
usw.
Von den Vorrichtungen, die zur Beseitigung des durch die Flächenungleichheit der
Laufräder verursachten Achsialschubes, der sich bekanntlich in einem Verschieben des
Laufwerkes nach der Saugseite hin äußert, dienen, sind folgende hervorzuheben:
Die Entlastung von Brown-Boveri (Fig. 5) besteht darin, daß eine am Ende des Gehäuses auf der Welle
verschraubte Entlastungsscheibe a auf ihren beiden
Stirnseiten mit Labyrinthen z1 und z2
versehen ist. Die Scheibe rotiert zwischen dem im Gehäuse festsitzenden Teile t und einer verstellbaren Büchse t2, welche beide
labyrinthartige Gegendichtungen zu z1 und z2 tragen. Die Büchse t2 wird bei der Montage für den jeweiligen
Betriebsdruck eingestellt. Der Entlastungsvorgang ist nun folgender: Der am Austritt
des letzten Laufrades herrschende Kompressionsdruck pflanzt sich durch den Spalt
zwischen Laufrad und Diffusor auf die Außenseite der vollen Laufradscheibe fort. Im
Raum s1 wirkt dieser
Druck auf die Entlastungsscheibe und drückt mit ihr das ganze Laufsystem in
entgegengesetzter Richtung zu dem vorhandenen Achsialschub aller einzelnen
Laufräder. Auf die Rückseite der Entlastungsscheibe wirkt ein Druck, der
infolge der durch die Labyrinthdichtung hervorgerufenen Drosselung wesentlich
geringer ist als der Betriebsdruck. Sobald sich die Scheibe in der Pfeilrichtung
verschiebt, wird der Durchgangsquerschnitt des Labyrinths z1 erweitert, derjenige von z2 verringert; der
Druck in s1 sinkt,
während der in s2
steigt und entgegen der Pfeilrichtung den Achsialschub so lange unterstützt, bis
zwischen dem Radschube und dem von der Entlastung ausgeübten Druck Gleichgewicht
hergestellt ist. Die selbsttätige Einstellung des Druckausgleichs erscheint auch bei
sich änderndem Betriebsdruck gesichert, wobei ganz geringe Verschiebungen der Welle
von nur einigen Zehntel mm eintreten. Der Verlust an Druckluft ist hierbei
belanglos, wie dies sich an dem Abzugsrohr feststellen läßt.
Textabbildung Bd. 327, S. 353
Fig. 7.
Bei dem Kompressor der A. E. G. wird der Druckausgleich durch einen Entlastungskolben
bewerkstelligt (s. Fig. 4). Der Kolben, der hinter
dem letzten Laufrad aufgekeilt ist, trägt an einem Umfange eine Labyrinthdichtung.
Die eine Seite des Kolbens steht unmittelbar mit dem Austritt des letzten
Schaufelrades, die andere Seite mit dem Saugstutzen des Kompressors in Verbindung,
so daß der
ganze Ueberdruck auf die Kolbenflächen dem Achsialdruck entgegenwirkt. Die
Kolbenfläche ist so bemessen, daß der Achsialschub durch den Gegendruck aufgehoben
wird.
Es wird auch vielfach dem Achsialschube dadurch zu begegnen gesucht, daß man die in
getrennten Kompressorzylindern geschalteten Radgruppen gegeneinander arbeiten läßt,
wobei Niederdruck- und Hochdruckkörper mit den Austrittsseiten gegeneinander
angeordnet sind. Auch kann man die Leistung in zwei Hälften zerlegen, wobei die
beiden Hälften in einem Zylinder mit getrennten Saugkanälen und gemeinsamem
Druckraum versehen werden, wie dies beim Doppel-Turbogebläse ohne Kühlung von Brown-Boveri (Fig. 7)
veranschaulicht ist. Die vier linken Räder erzeugen einen nach links, die vier
rechten Räder einen nach rechts gerichteten Achsialschub. Diese einfach erscheinende
Lösung hat allerdings zur Voraussetzung, daß die gegengeschalteten Radgruppen präzis
gleiche Abmessungen besitzen und einander völliges Gleichgewicht halten. Es wird der
Sicherheit halber in der Regel noch ein Kammlager angebracht, das einen etwa
noch vorhandenen Rest des einseitigen Druckes aufzunehmen hat.
Textabbildung Bd. 327, S. 354
Fig. 8.
Textabbildung Bd. 327, S. 354
Fig. 9.
Was den äußeren Aufbau des Turbokompressors betrifft, so dienten hierfür die
baulichen Einzelheiten, wie Lagerung, Schmierung usw., die sich bei den älteren
Turbomaschinen – der Dampfturbine und der Kreiselpumpe – bewährt haben, als Vorbild.
Erwähnt sei nur noch, daß in der Regel nicht mehr als zwölf Räder in einem
Kompressorgehäuse untergebracht werden. Wenn die Zahl der Räder größer als zwölf bis
vierzehn ausfällt, so wird eine Unterteilung in zwei und noch mehr Gehäuse
vorgenommen, die auf gleicher Achse oder auf parallelen Achsen angeordnet sind. Fig. 8 zeigt den dreigehäusigen Kompressor von 6000
cbm Stundenleistung der Firma Brown-Boveri für Zeche
Simon in Klein-Rosseln, wobei die drei Körper auf einer Achse mit der
Antriebsturbine aufgestellt sind. Jeder Kompressorkörper erhält seine Welle, die in
zwei seitlichen Lagern läuft, die als Ringschmierlager oder normale Traglagerausgebildet und mit DruckölschmierungDruckölschmierung versehen sind, die einzelnen Wellen werden durch nachgiebige Kupplungen
miteinander verbunden.
Im übrigen gestaltet sich der Zusammenbau mit der Antriebmaschine, sei es
Dampfturbine oder Elektromotor, zu einem harmonischen Ganzen, wobei die Vorteile der
Kreiselmaschine auf der Antrieb- und Arbeitsseite in gleicher Weise zur Geltung
gelangen. Fig. 9 veranschaulicht einen
Maschinensatz, bestehend aus Kompressor und Dampfturbine, auf gemeinsamer
Grundplatte montiert, wie er von der A. E. G. auf den Markt gebracht wird. In dem
Fundament ist links die Kondensation und rechts der Röhrenzwischenkühler für die
Luft auf dem Wege vom Niederdruck- zum Hochdruckteil untergebracht.
Die zweckmäßige Umdrehungszahl ist je nach der Leistung des Kompressors verschieden.
Große und größte Einheiten von 20000 bis 40000 cbm und 5 bis 8 at Enddruck führt man
normal mit 3000 Touren i. d. Min. aus. Für Luftmengen von etwa 8000 bis 20000 cbm
sind 3800 Umdrehung, zweckmäßig, während kleinere Einheiten bis zu 4000 cbm herab
mit etwa 4000 bis 5000 Umdrehungen konstruiert werden. Kleinere Einheiten erhalten
größere Tourenzahlen, um bei tunlichster Einhaltung der vorteilhaften
Umfangsgeschwindigkeit mit den Raddurchmessern heruntergehen zu können, soweit als
dies die Ausführbarkeit der Radbreiten bedingt. Größere Raddurchmesser würden wegen
geringerer Luftmenge zu nicht herstellbaren Austrittsquerschnitten führen. Für
Leistungen unterhalb 4000 cbm ergeben sich bei höheren Kompressionsdrucken
einerseits übermäßig hohe Umdrehungszahlen, die für direkte Kupplung ungeeignet
sind, oder andererseits eine zu große Räderzahl. Die Vermehrung der Radstufen
verteuert die Maschine und verschlechtert den Wirkungsgrad, da die
Ueberströmverluste bedeutend werden.
Auch bei geringen Kompressionsdrucken ergeben sich für die Konstruktion der
Turbogebläse für geringe Gasmengen, sofern sie aus dem Vakuum ansaugen und daher das
Druckverhältnis bedeutend ausfällt, grundsätzliche Schwierigkeiten; die
erforderliche Umdrehungszahl für die gleiche Drucksteigerung, die dem spezifischen
Gewicht umgekehrt proportional ist, wird zu groß.
Je nach den Bedürfnissen des Betriebes wird der Kompressor mit einer Regulierung auf
gleichbleibenden Leitungsdruck oder auf gleichbleibende Luftmenge versehen.
Bei Regulierung auf konstanten Druck wird ein durch Federn oder Gewichte
einstellbarer Steuerkolben in Abhängigkeit von dem jeweiligen Luftdruck in dem
Leitungsnetz in seiner Stellung beeinflußt und von ihm ein Servomotor, der die
Steuerung der Antriebsturbine bezw. die Stellung des Regulierwiderstandes des
Elektromotors entsprechend betätigt.
Textabbildung Bd. 327, S. 355
Fig. 10.
Die A. E. G. verwendet einen kleinen Kolben a, der mit
absichtlich angebrachten Undichtigkeiten in einem Zylinder gleitet und mit dem
Regulatorhebel verbunden ist (siehe Fig. 10). Er
vermag die Regulatormuffe zu belasten oder zu entlasten, je nach der Wirkung, die
auf ihn selbst ausgeübt wird. Diese Wirkung erhält er von der Druckluft, die der
einen Seite des Kolbens durch ein Rohr b vom
Druckstutzen aus zugeführt wird, während die andere Seite mit einem kleinen Ventil
versehen ist, das bei normalem Enddruck des Kompressors abzublasen beginnt. Steigt
der Leitungsdruck, so wird der Regulator entlastet und demzufolge das
Dampfeinlaßventil c vermittels des Servomotors d geschlossen, die Tourenzahl sinkt und mit ihr der
Druck im Netz. Das Umgekehrte findet statt, wenn der Luftdruck im Netz unterhalb des
normalen Betriebsdrucks sinkt; jetzt geht der Kolben herunter, mit ihm die
Regulatormuffe, der Dampfeinlaß wird mehr geöffnet, die Turbine läuft rascher, der
Druck steigt an. Das kleine Ventil am Steuerkolben bläst bei normalem Enddruck ab.
Außer der selbsttätigen Tourenregulierung kommt noch eine Regulierung von Hand durch
Drosseln in der Saug- und Druckleitung in Anwendung.
Bei Regulierung auf konstante Luftförderung wird der Ausschlag eines Regulierkolbens
auf die Steuerung der Turbine oder auf den Regulierwiderstand des Elektromotors
benutzt, und zwar wird die Bewegung des Kolbens durch den Druckunterschied
hervorgerufen, der vor und hinter dem in die Druckleitung eingebauten Düsensystem
herrscht (s. Fig. 11.). Diese von Rateau ersonnene und als Multiplikator bezeichnete
Vorrichtung beruht darauf, daß der Strömungsdruck in den ineinander geschalteten
Düsenmündungen von abnehmenden Querschnitten sich sehr stark verringert: er ist in
a etwa gleich dem Leitungsdruck, in b geringer und in der innersten Düse c am geringsten. Von der Stelle geringsten Druckes geht ein Rohr nach
der oberen Seite eines Regulierkolbens, von einer zweiten Stelle hinter dem
Multiplikator mit normalem Leitungsdruck ein zweites Rohr. Der Unterschied zwischen
Leitungsdruck und umgeformtem Drucke wird durch Feder und Gewichtsbelastung
ausgeglichen. Bei gleicher Durchflußmenge wird die Lage des eingestellten Kolbens
unverändert bleiben. Aendert sich aber die Luftmenge und damit die
Durchflußgeschwindigkeit, so ändert sich auch der Druckunterschied im quadratischen
Verhältnis, mithin die Kolbenstellung. Dieser künstlich vermehrte Druckunterschied
zwischen Leitungsdruck und der inneren Düse ist bedeutend und ausreichend zur
Einleitung eines Reguliervorganges. Durch den der jeweiligen Durchflußmenge
entsprechenden Druckunterschied wird dann die Kolbenstellung verändert und der
Drehpunkt des mit dem Geschwindigkeitsregler verbundenen Hebelsystems verlegt,
wodurch der Steuerhebel des Servomotors in Tätigkeit tritt. Die Figur
veranschaulicht den Multiplikator in Verbindung mit der Steuerung einer
Zweidruckturbine, die von Rateau bei einem 2000
PS-Gebläse in Biscaya-Spanien ausgeführt wurde. Die beiden entlasteten
Dampfabsperrorgane für Abdampf und Frischdampf werden durch eine zusammenhängende
Hebelanordnung bald im gleichen, bald im entgegengesetzten Sinne betätigt. Der
Regulator ist mit dem Hebelmechanismus durch Vermittlung des Servomotors verbunden.
Sinkt die Regulatormuffe, so wird zunächst das Niederdruckventil mehr geöffnet, und
wenn dies nicht ausreicht, auch das Hochdruckventil. Beim Anwachsen der
Geschwindigkeit steigt die Regulatormuffe, wodurch zunächst ein Schließen des
Frischdampfeinlasses und dann eine Drosselung des Abdampfeinlasses bewirkt wird; die
Maschine arbeitet als reine Niederdruckturbine. Außerdem bewirkt der unter dem
veränderlichen Druck des Wärmespeichers stehende Servomotor bei Abdampfmangel das
Schließen des Niederdruckventils und gleichzeitig das Oeffnen des Hochdruckventils,
so daß nur mit Hochdruckdampf gearbeitet wird.
Textabbildung Bd. 327, S. 356
Fig. 11.
Textabbildung Bd. 327, S. 356
Fig. 12. Luftförderung in cbm/Std.A = stündlicher Dampfverbrauch 11 at:
280°, 93 v. H. Vakuum, 4100 Umdrehungen.
Während die Regulierung auf gleichbleibenden Druck der bekannten
Leistungsregulierung an Kolbenkompressoren entspricht, wird die zweite Art der
Regulierung beim Parallelbetrieb von Turbokompressoren oder solchen von Turbo- und
Kolbenkompressoren verwendet, wo es darauf ankommt, daß alle Maschinen an der
Luftförderung ins gemeinsame Netz teilnehmen. Eine Tourenregulierung genügt hier
nicht, da beim Turbokompressor die Einstellung auf eine bestimmte Tourenzahl weder
eine bestimmte Luftlieferung, noch eine Luftlieferung überhaupt verbürgt. Dies im
grundsätzlichen Gegensatz zum Kolbenkompressor, der bei gegebenem Luftdruck eine der
Tourenzahl proportionale Luftmenge liefert. Wie eine Betrachtung der
Charakteristiken von Turbokompressoren verschiedener Bauart lehrt, ist die
Liefermenge bei gegebenem Leitungsdruck bezw. Tourenzahl nicht eindeutig bestimmt.
Es können vielmehr, wie beispielsweise die Charakteristik I des Kompressors von Brown-Boveri für de Wendel in Klein-Rosseln, wie Fig. 12 zeigt, bei etwa 5,9 at Leitungsdruck sich
zwei Liefermengen von 1250 cbm und 5800 einstellen und bei einem Druck von 5,7 at die Förderung
ganz aufhört oder 6500 cbm beträgt. Es ist in Uebereinstimmung mit der Theorie durch
Versuch festgestellt, daß das Verhalten der Turbomaschine bei Betriebszuständen, die
auf verschiedenen Seiten des Druckmaximums der Charakteristik liegen, ein wesentlich
verschiedenes ist. Während der Kompressor bei geringen Fördermengen, die dem linken
ansteigenden Ast der Kurve entsprechen, sich labil verhält, d.h. eine dauernde
Luftförderung in das Leitungsnetz nicht gewährt, wird er bei größeren Fördermengen,
die dem rechten abfallenden Ast der Kurve entsprechen, stabil und auch bei
veränderlichem Leitungsdruck effektiv Luft fördern. Durch die Regulierung in
Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit und nicht vom Strömungsdruck in der
Leitung wird verhindert, daß der Kompressor beim Parallelbetrieb in den labilen
Betriebszustand verfällt. Zur Erhöhung der Betriebssicherheit und zur Verhinderung
des nachteiligen Pendelns und stoßweisen Arbeitens des Kompressors bei sich stark
verringerndem Luftverbrauch ist außerdem ein Notauslaß angebracht, der selbsttätig
einen Teil der angesaugten Luftmenge ins Freie entweichen läßt (s. Fig. 13). Die Wirkung dieses Abblaseventils oder
Leistungsventils ist kurz die, daß ein Ventilteller a,
der senkrecht zur Luftströmung im Druckrohr beweglich angeordnet ist, einen
verschieden starken Druck durch die strömende Luft erfährt, wenn ihre Menge sich
ändert. Durch Hebel und Welle werden die Bewegungen des Tellers, denen eine
außen am Ventil angebrachte Feder das Gleichgewicht hält, auf einen Kolbenschieber
b übertragen, der je nach seiner Stellung eine
Verbindung des Druckraums mit der Atmosphäre herstellt oder diese abschließt. Ist
die an der Verbrauchsstelle benötigte Druckluftmenge größer als jener kritische
Betrag, bei dem die Förderung unsicher wird, bezw. aufhört, so genügt der auf den
Teller ausgeübte Strömungsdruck, um die Federkraft zu überwinden und den
Kolbenschieber in eine Stellung zu bringen, bei der die ganze Luftmenge, die der
Kompressor erzeugt, in das Netz gefördert wird. Sinkt aber der Bedarf unter die
kritische Grenze, so nimmt der Druck auf den Teller ab; jetzt überwiegt die
Federspannung, sie verschiebt den Kolbenschieber so, daß eine mehr oder weniger
große Oeffnung freigegeben wird, durch die ein Teil der Luft ins Freie entweicht.
Der Kompressor hat demnach eine größere Luftmenge anzusaugen, als ihm in der
Verbrauchsstelle abgenommen wird; hierdurch wird das gefährliche Pendeln vermieden,
bei dem sich infolge der hin- und hergeschleuderten Luftsäule heftige Stöße und
sirenenartige Geräusche einstellen. Die Grenze der kritischen Liefermenge schwankt
je nach der Bauart des Kompressors zwischen 30 bis 50 v. H. der Normalleistung. Bei
dem von Dr. Havlick in der Z. d. V. d. I. 1910
beschriebenen Kompressor der Skoda werke von 4000 cbm Stundenleistung tritt die
Labilität bei 2000 cbm, d.h. bei 50 v. H. der Normallieferung, ein.
Textabbildung Bd. 327, S. 357
Fig. 13.
(Fortsetzung folgt.)