Berechnung, Konstruktion und dreidimensionale Modellierung eines radialen Turbokompressors

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1 Einleitung Ziel dieser Arbeit ist das Konstruieren und Modellieren eines radialen Turbo-Kompressors. Hauptaufgabe war das Erstellen der einzelnen Komponenten eines Kompressors, sowie einige Berechnungen zu diesen Bauteilen. Des Weiteren sollte eine sinnvolle Vorgehensweise bei der Einteilung der Baugruppen („Assemblys“) vorgenommen werden. Die einzelnen Bauteile sollten in ihrer History nachvollziehbar sein, d.h. die Benennung dieser History in sinnvolle Arbeitsschritte.

1.1 Was ist eine Strömungsmaschine?

Strömungsmaschinen (Turbomaschinen) sind Maschinen zur Energieumwandlung, die sich in zwei Hauptgruppen einteilen lassen.

Arbeitsmaschinen: Sie beruhen auf dem Prinzip einem Fluid (Medium) Energie zuzuführen. Dies geschieht durch eine Antriebseinheit z.B. durch einen Elektro-Motor, der über die Welle (Rotor oder Läufer) zu dem Laufrad die eingeleitete Drehenergie zu der Schaufel weiterleitet. Die Schaufel gibt dann die Energie an das Fluid ab. Das Fluid selbst wandelt die Energie (bei Gasen) in Druckenergie, bei Flüssigkeiten in Lageenergie um. Arbeitsmaschinen formen also kinetische Energie in potentielle Energie um (z.B. Pumpen und Verdichter)

Kraftmaschinen: Bei den Kraftmaschinen ist der Vorgang genau umgekehrt. Hier gibt ein

Fluid (Medium) seine Energie an die Turbine ab, bzw. es wird dem Medium entzogen. Sie wandeln potentielle bzw. thermische Energie in kinetische Energie um (z.B. Turbinen).

1.2 Einteilung der Strömungsmaschinen

Die Einteilung der Strömungsmaschinen erfolgt nach der Art der Durchströmung in der Turbine, bzw. des Verdichters. Unter der Durchströmung versteht man die Richtung des Fluids (Mediums), das vom Laufrad abgelenkt wird. Hier unterscheidet man in radialer Durchströmrichtung (das Fluid wird um fast 90 Grad von der ursprünglichen Richtung abgelenkt), in diagonaler Durchströmrichtung (Ablenkung um ca. 45 Grad) oder in axialer Durchströmrichtung (keine Umlenkung des Fluids).

1.3 Verluste und Wirkungsgrade (allgemein)

Die Energieumwandlung ist meistens mit mehr oder weniger großen Verlusten behaftet. So das am Ende die Ausgangsenergie (Primärenergie) nur noch zu 50% technisch nutzbar ist. Der Hauptverlust entsteht beim thermodynamischen Kreisprozess, der durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik physikalisch festgelegt ist. Energieumwandlungsverfahren, die keinen thermodynamischen Kreisprozess unterliegen, bei dem die Primärenergie schon in mechanischer Form vorliegt, wie dies bei Wasserkraftwerken der Fall ist, erreichen deshalb Wirkungsgrade bis etwa 90%.

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2 Aufgabenstellung zu der Entwicklung und Konstruktion des Verdichters

2.1 Aufnehmen der vorhandenen Werte

Bild 2.1-1: Auslegungsdaten von Bladerunner

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2.2 Berechnen und Zeichnen der Geschwindigkeitsdreiecke

Um ein Laufrad und seine Schaufeln auslegen zu können, werden einzelne Geschwindigkeits-Komponenten benötigt. Diese bekommt man, indem die einzelnen Geschwindigkeiten zu einem Geschwindigkeitsdreieck (bzw. Geschwindigkeitsplan) zusammenfasst. Das Geschwindigkeitsdreieck (bzw. Geschwindigkeitsplan) ist die geometrische Darstellung der vektoriellen Zusammenfassung der Geschwindigkeiten in einem Laufrad. Besonders die Schaufelkanten (Saugkante, als auch Druckkante) sind bei der ersten Auslegung von Interesse. Auf Bild 2.2-1: Geschwindigkeitsdreieck wird nur eine Schaufelkante (Eintritts- oder Austrittskante) geometrisch abgebildet. Dabei steht c für die Absolutgeschwindigkeit, u für die Umfangsgeschwindigkeit und w für die Relativgeschwindigkeit. Die kleinen Indices bedeuten jeweils einen Geschwindigkeitsanteil bezogen auf die Umfangs- und Meridiangeschwindigkeit (m = Meridiangeschwindigkeit; u = Umfangsgeschwindigkeit).

Bild 2.2-1: Geschwindigkeitsdreieck

2.3 Baugruppen des Verdichters

Übersicht der Hauptgruppen und deren Untergruppen: Die Welle - Die Lagerung - Die Dichtungen Das Laufrad - Die Schaufel - Die Tragscheibe - Der Spinner Das Leitrad Das Gehäuse Die Spirale Der Ansaugstutzen Das Gestell Nachfolgend werden die einzelnen Komponenten in Form von Bildern kurz dargestellt.

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2.3.1 Die Welle

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2.3.2 Die Lagerung

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2.3.3 Die Dichtung

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2.3.4 Die Laufradschaufel

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2.3.5 Die Tragscheibe

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2.3.6 Der Spinner

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2.3.7 Das Leitrad

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2.3.8 Das Gehäuse

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2.3.9 Die Spirale

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2.3.10 Der Ansaugstutzen

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2.3.11 Das Gestell

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3 Der Zusammenbau des Verdichters Im nun nachfolgenden Kapitel soll der Verdichter in seinem Aufbau gezeigt werden. Dies wird in mehreren Bildern dargestellt.

3.1 Die Lagerung des Verdichters

Im den nun nachfolgenden Bilder folgt der Aufbau des Verdichters, in montagegerechter Darstellung.

Bild 3.1-1

Zuerst werden die Doppel-T-Träger aufgestellt (Bild 3.1-1). Diese können auf einem Fundament oder zusammen in einer weiteren Konstruktion mit eingebunden werden.

Bild 3.1-2

Im nächsten Schritt werden die Wabengestelle auf die Träger gesetzt und justiert (Bild 3.1-2).

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Bild 3.1-3

Nun folgt direkt im Anschluss das Gestell für die Spirale (Bild 3.1-3). In diesem Bild sind im Gestell die Nuten integriert, diese dienen später zur Ausrichtung der Spirale.

Bild 3.1-4

Der nächste Schritt ist das Aufsetzen des unteren Gehäuses. Hier kann das Gehäuse sofort mit den Wabenträgern verschraubt werden (Bild 3.1-4).

Bild 3.1-5

Im Folgenden werden die Lagertragschalen und Distanzringe der Lager eingesetzt. Die Segmente sind hier schon integriert. Allerdings bestehen diese als eine komplette Einheit, daher folgen sie zum Schluss (Bild 3.1-5).

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Bild 3.1-6

Nun wird die Welle mit den Labyrinth-Dichtungen eingesetzt (Bild 3.1-6). Die Labyrinth-Dichtungen sind nur zur Veranschaulichung mit auf die Welle gesetzt, denn normaler Weise finden sie ihren Platz in den Gehäusedeckeln.

Bild 3.1-7

Im nächsten Schritt werden die Gehäusedeckel auf beiden Seiten angebracht und verschraubt. Vorher sollten allerdings die Labyrinth-Dichtungen in die Gehäusedeckel geschoben werden.

Bild 3.1-8

In diesem Bild (Bild 3.1-8) werden die Segmente der Axial- und Radiallager gezeigt, hierbei handelt es sich um kippbar gelagerte Bauteile, die an den Lagerschalen hängen.

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Bild 3.1-9

Im folgenden Bild (Bild 3.1-9) werden die Radial- und Axiallager komplettiert. Dazu werden die oberen Lagertragkörper und die Distanzringe zusammen geschraubt.

Bild 3.1-10

Um die Lagerungseinheit zu komplettieren, erhält das Gehäuse die obere Schale (Bild 3.1-10).

3.2 Das Gehäuse des Verdichters

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Bild 3.2-1

Im nächsten Schritt erhält der Verdichter sein komplettes Spiralgehäuse. Zuerst muss die Labyrinth-Dichtung eingesetzt werden, diese wird allerdings in die Rückwand der Spirale eingesetzt. Sie verdeutlicht, wo diese ihren Platz auf der Welle findet (Bild 3.2-1).

Bild 3.2-2

Nun folgt die Verschraubung der Rückwand mit der Spirale. An dieser Stelle wird die Spirale an die Welle justiert (Bild 3.2-2).

Bild 3.2-3

Zur besseren Justierung dienen die zwei Nuten in den Füßen der Spirale, sie können mit dem Gestell in einem Schritt verschraubt werden (Bild 3.2-3).

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Bild 3.2-4

Im nächsten Schritt folgt das Anbringen des Laufrades und des Spinners (Bild 3.2-4).

Bild 3.2-5

Nachdem Anschrauben des Ansaugstutzens, ist der Verdichter einsatzbereit (Bild 3.2-5).

Bild 3.2-6

Im Bild (Bild 3.2-6) ist die seitliche Ansicht gegeben, diese zeigt den kompletten Verdichter.

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Bild 3.2-7

In diesem Bild (Bild 3.2-7) ist die seitliche Rückansicht dargestellt.

Bild 3.2-8

Interessant ist ebenfalls die Darstellung der Spirale mit ihrem Durchbruch durch den Diffusor. Im Bild 3.2-8 wird eine Ansicht in die Spirale gezeigt.

3.3 Die Schnittdarstellung des Verdichters

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Bild 3.3-1

Im nächsten Schritt (Bild 3.3-1) wird der Befehl „Plane Cut“ angewandt. Drei Punkte an beliebigen Stellen spannen eine Ebene auf, diese wird als Schneidebene genutzt.

Bild 3.3-2

Die Seitenansicht zeigt den Schnitt durch alle Gehäusebauteile. Die „Innereien“, etwa die Welle, Dichtungen, Lager und das Laufrad werden nachträglich eingeblendet (Bild 3.3-2).

Bild 3.3-3

Hier eine vergrößerte Ansicht aus dem Bereich des Laufrades (Bild 3.3-3).

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Bild 3.3-4

Bild 3.3-4 zeigt einen vergrößerten Bereich des Lagergehäuses.

Bild 3.3-5

Mit dem gleichen Befehl „Plane cp“ wird nur die Spirale und die Füße der Spirale geschnitten (Bild 3.3-5).

Bild 3.3-6

Aus dieser Ansicht ist der Übergang der Spirale in den Diffusor und der Durchbruch zu erkennen (Bild 3.3-6).

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Bild 3.3-7

Die nächste Schnittdarstellung wird mit einem Schneidteil durchgeführt. Daher auch die rote Färbung der Schnittflächen (Bild 3.3-7).

Bild 3.3-8

Ebenfall ein Schnitt durch den gesamten Verdichter (hier in der Seitenansicht). Siehe Bild 3.3-8.

Bild 3.3-9

Im nächsten Bild ist die Rückansicht des Verdichter zu sehen, um die Rückwand besser darstellen zu können (Bild 3.3-9).

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Bild 3.3-10

Eine detaillierte Darstellung des Sitzes vom Laufrad im Spiralkörpergehäuse (Bild 3.3-10).

Bild 3.3-11

Zum Abschluß die Ansicht in der vorderen Ansicht (Bild 3.3-11).

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