DE102008044505A1

DE102008044505A1 - Radial compressor e.g. radial flow fan, has diffuser radially arranged around impeller, provided downstream to impeller and comprising movable guide vanes that are provided with recesses in side wall of compressor housing

Info

Publication number: DE102008044505A1
Application number: DE200810044505
Authority: DE
Inventors: Philipp Epple; Caslav Ilic; Franz Durst
Original assignee: Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg
Current assignee: Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg
Priority date: 2008-09-08
Filing date: 2008-09-08
Publication date: 2010-03-11
Anticipated expiration: 2028-09-09
Also published as: DE102008044505B4

Abstract

Ein Radialverdichter (10) mit einem beschaufelten Laufrad (12) und einem radial um das Laufrad (12) angeordneten, diesem nachgeschalteten Diffusor (14) mit einer Mehrzahl von unbeweglich in wenigstens einer Seitenwand (16) verankerten Leitschaufeln (20), ist offenbart. Zumindest einige der Leitschaufeln (20) des Diffusors (14) weisen mindestens einen Durchbruch (22), insbesondere mehrere Durchbrüche (22) in ihren Wandungen, auf.A radial compressor (10) with a bladed impeller (12) and a radially arranged around the impeller (12), this downstream diffuser (14) having a plurality of immovably anchored in at least one side wall (16) guide vanes (20) is disclosed. At least some of the guide vanes (20) of the diffuser (14) have at least one opening (22), in particular a plurality of openings (22) in their walls.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft radial arbeitende Strömungsmaschinen mit beschaufelten Laufrädern und radial um die Laufräder angeordneten, diesen nachgeschalteten Diffusoren mit einer Mehrzahl von unbeweglich in wenigstens einer Seitenwand verankerten Leitschaufeln. Eine Verbesserung der Performance dieser Radialverdichter ist Bestandteil der hier beschriebenen Erfindung.The The present invention relates to radial flow machines with bladed wheels and radially around the wheels arranged, these downstream diffusers with a plurality from immovably anchored in at least one side wall vanes. An improvement in the performance of these centrifugal compressors is an integral part the invention described here.

Strömungsmaschinen werden in vielen Bereichen der Industrie und Technik eingesetzt. Je nach ihrem Einsatzzweck werden Arbeitsmaschinen und Kraftmaschinen unterschieden. Die Energiewandlung findet zwischen einem kontinuierlich strömenden Fluid und einem oder mehreren rotierenden Schaufel- bzw. Laufrädern statt. Die Richtung des Energieaustausches zwischen der mechanischen Wellenenergie und der Strömungsenergie des Fluids definiert die Einteilung als Kraft- oder Arbeitsmaschine. Bei Kraftmaschinen erfolgt der Energiefluss vom strömenden Fluid an das rotierende Laufrad. Turbinen stellen solche Kraftmaschinen dar. Bei Arbeitsmaschinen erfolgt der Energiefluss vom Laufrad an das Fluid. Hierzu gehören Pumpen und Verdichter. Weiterhin können die Strömungsmaschinen nach ihrer Durchströmrichtung in axiale, diagonale und radiale Strömungsmaschinen unterschieden werden. Axialmaschinen zeichnen sich durch einen hohen Durchfluss bei geringem Druckgefälle aus, während Radialmaschinen ein hohes Druckgefälle bei geringem Durchfluss aufweisen.Turbomachinery are used in many areas of industry and technology. Depending on their purpose are working machines and power machines distinguished. The energy conversion takes place between one continuously flowing fluid and one or more rotating blades or wheels. The direction of energy exchange between the mechanical wave energy and the flow energy of the fluid defines the classification as a power or working machine. In power machines, the flow of energy from the flowing Fluid to the rotating impeller. Turbines make such engines In working machines, the energy flow from the impeller to the Fluid. These include pumps and compressors. Farther the turbomachines can according to their flow direction distinguished into axial, diagonal and radial flow machines become. Axial machines are characterized by a high flow rate at low pressure drop while radial engines have a high pressure drop at low flow.

Mit zahlreichen Weiterentwicklungen der seit langem bekannten Strömungsmaschinen wurden zunehmend bessere Wirkungsgrade bei der Energiewandlung erreicht. Auch aktuelle Weiterentwicklungen richteten sich nach einem besseren Gesamtwirkungsgrad und/oder einer Verbreiterung eines günstigen Arbeitsbereichs, um auch außerhalb eines optimalen Betriebs- bzw. Arbeitspunktes ausreichend hohe Wirkungsgrade erzielen zu können. Eine sinnvolle Möglichkeit bei der Optimierung von Strömungsmaschinen stellt die verbesserte Gestaltung und Auslegung eines dem rotierenden Schaufelrad zugeordneten Diffusors dar. Die Diffusoren werden so ausgelegt, dass sie die in der Strömungsgeschwindigkeit enthaltene kinetische Energie in Druckenergie umwandeln, wobei sie die Druckrückgewinnung nach dem Laufrad unterstützen. Gut funktionierende Diffusoren unterstützen damit wesentliche Aufgaben radial arbeitender Strömungsmaschinen. Ihre Funktionstüchtigkeit wird durch den so genann ten Diffusorwirkungsgrad charakterisiert, der das Verhältnis des gemessenen statischen Druckrückgewinns der reibungsbehafteten Strömung zum Druckgewinn nach Bernoulli bei reibungsfreier Strömung liefert. Da im Diffusor keine Energiezufuhr erfolgt, sondern lediglich eine Umwandlung von dynamischen Druck in statischen Druck stattfindet, und dies möglichst verlustarm, werden zwei weitere Beiwerte zur Ermittlung der Qualität eines Diffusors verwendet: der Druckrückgewinnungsbeiwert C_p und der Verlustbeiwert K.With numerous developments of the long-known turbomachinery increasingly better efficiencies in energy conversion were achieved. Current developments were also aimed at a better overall efficiency and / or a broadening of a favorable work area in order to be able to achieve sufficiently high efficiencies even outside of an optimal operating or operating point. One useful way of optimizing turbomachinery is to improve the design and layout of a diffuser associated with the rotating impeller. The diffusers are designed to convert the kinetic energy contained in the flow velocity into pressure energy, assisting pressure recovery downstream of the impeller. Well-functioning diffusers thus support essential tasks of radial flow machines. Their functionality is characterized by the so-called ten diffuser efficiency, which provides the ratio of the measured static pressure recovery of the frictional flow to pressure gain Bernoulli in frictionless flow. Since no energy is supplied in the diffuser, but only a conversion of dynamic pressure into static pressure takes place, and this with as little loss as possible, two further coefficients are used to determine the quality of a diffuser: the pressure recovery coefficient C _p and the loss coefficient K.

Der Druckrückgewinnungsbeiwert C eines realen oder idealen Diffusors wird als der Quotient zwischen der Druckerhöhung im Diffusor und dem dynamischen Druck am Diffusoreinlass errechnet. Er kann als Maß dafür genommen werden, welcher Anteil des dynamischen Drucks am Einlass in statischen Druck zurückgewandelt wird. Je höher der Druckrückgewinnungsbeiwert, umso besser kann im Diffusor dynamischer Druck in statischen Druck umgewandelt werden. Der Druckrückgewinn soll aber möglichst verlustarm, d. h. mit möglichst geringer Abnahme des Totaldrucks, bezogen auf den dynamischen Druck am Diffusoreinlass, erfolgen. Deshalb benötigt man noch als zweiten Parameter den Druckverlustbeiwert, der als Quotient zwischen der Totaldruckabnahme im Diffusor und dem dynamischen Druck am Diffusoreinlass definiert wird. Je kleiner der Druckverlustbeiwert, umso geringer sind die Totaldruckverluste im Diffusor, bspw. durch große Bereiche mit Strömungsablösungserscheinungen oder durch Stoßverluste. Ein wirkungsvoller Diffusor muss also einen möglichst hohen Druckrückgewinnungsbeiwert bei geringem Druckverlustbeiwert aufweisen. Je geringer somit der Druckverlustbeiwert K ist, umso höher sind der Druckrückgewinnungsbeiwert und der Diffusorwirkungsgrad. Allerdings muss hierfür, als Nebenbedingung, auch der ideale Druckrückgewinn entsprechend groß sein, d. h. das Gesamtgebläse muss gut ausgelegt werden.Of the Pressure recovery coefficient C of a real or ideal Diffuser is called the quotient between the pressure increase calculated in the diffuser and the dynamic pressure at the diffuser inlet. It can be taken as a measure of which Proportion of the dynamic pressure at the inlet converted back to static pressure becomes. The higher the pressure recovery coefficient, the better in the diffuser dynamic pressure in static pressure being transformed. The pressure recovery should be as possible low loss, d. H. with the lowest possible decrease of the total pressure, based on the dynamic pressure at the diffuser inlet, done. Therefore, the pressure loss coefficient is needed as the second parameter. as a quotient between the total pressure decrease in the diffuser and is defined by the dynamic pressure at the diffuser inlet. The smaller the pressure loss coefficient, the lower the total pressure losses in the diffuser, for example. By large areas with flow separation phenomena or by shock losses. An effective diffuser must be so the highest possible pressure recovery coefficient have a low pressure loss coefficient. The lower thus the Pressure loss coefficient K, the higher the pressure recovery coefficient and the diffuser efficiency. However, this, as a constraint, also the ideal pressure recovery accordingly be great, d. H. The overall fan must be well laid out become.

Aus der DE 30 44 920 C2 ist ein Diffusor für einen Radialverdichter bekannt, der verstellbare Diffusorschaufeln aufweist, was eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades bei variierenden Betriebsbedingungen ermöglichen soll.From the DE 30 44 920 C2 For example, a diffuser for a centrifugal compressor is known, which has adjustable diffuser vanes, which should allow for an improvement in the overall efficiency under varying operating conditions.

Weiterhin ist aus der DE 37 05 307 A1 ein Radialverdichter mit einem Laufrad und einem diesem nachgeordneten beschaufelten Diffusor bekannt, bei dem die vor den Schaufeln des Radialleitschaufelkranzes auftretenden Verdichtungsstöße stabilisiert werden sollen. Zu diesem Zweck sind die Schaufeln des Radialleitschaufelkranzes abwechselnd in zwei unterschiedlichen Längen ausgebildet. Zudem sind Schlitze vorgesehen, die mit einem Speicherraum verbunden sind. Die Schlitze sind annähernd rechtwinkelig vor den kurzen Schaufeln angeordnet und erstrecken sich bis seitlich neben die Schaufelvorderkanten der nächstliegenden langen Schaufeln.Furthermore, from the DE 37 05 307 A1 a radial compressor with an impeller and this subordinate bladed diffuser known in which the occurring before the blades of the Radialleitschaufelkranzes compression shocks are to be stabilized. For this purpose, the blades of the Radialleitschaufelkranzes are alternately formed in two different lengths. In addition, slots are provided which are connected to a storage space. The slots are located approximately perpendicularly in front of the short blades and extend laterally adjacent to the blade leading edges of the nearest long blades.

Schließlich ist aus der US 4 131 389 A ein Radialverdichter mit einem dem Verdichter nachgeschalteten, beschaufelten Diffusor bekannt, der strömungseintrittseitig des Radialleitschaufelkranzes Schlitze in den Diffusorkanalwänden aufweist. Diese Schlitze münden in hinter den Diffusorkanalwänden angeordneten Speicherräumen. Die Anordnung soll eine Ablösung der Grenzschichten an den Diffusorschaufeln vermindern und soll dadurch eine Reduktion der Pumpzone bewirken.Finally, out of the US 4,131,389 A a radial compressor with a compressor downstream, bladed diffuser known that strö Has mung inlet side of the Radialleitschaufelkranzes slots in the diffuser channel walls. These slots open into arranged behind the diffuser channel walls storage spaces. The arrangement is intended to reduce a separation of the boundary layers on the diffuser blades and is thereby intended to bring about a reduction of the pump zone.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird darin gesehen, eine radial arbeitende Strömungsmaschine mit möglichst gutem Wirkungsgrad zur Verfügung zu stellen, insbesondere durch Kombination und Zusammenwirkung mit einem verbesserten Diffusor, dessen Diffusorwirkungsgrad optimiert ist. Der verbesserte Wirkungsgrad soll zudem unter verschiedenen Betriebsbedingungen und nicht nur im optimalen Betriebspunkt erreicht werden.The Object of the present invention is seen in a radial working turbomachine with the best possible To provide efficiency, in particular by Combination and interaction with an improved diffuser, its diffuser efficiency is optimized. The improved efficiency should also operate under different operating conditions and not only be achieved at the optimum operating point.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs erreicht. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.These The object is with the subject of the independent claim reached. Features of advantageous developments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Die vorliegende Erfindung beschreibt einen Radialverdichter mit einem beschaufelten Laufrad und einem radial um das Laufrad angeordneten, diesem nachgeschalteten Diffusor. Der Diffusor umfasst eine Mehrzahl gleichartiger, jeweils unbeweglich in wenigstens einer axialen Seitenwand eines Verdichtergehäuses verankerten Leitschaufeln. Gemäß der vorliegenden Erfindung weisen zumindest einige der Leitschaufeln des Diffusors mindestens einen Durchbruch in ihrer Wandung auf. Bevorzugt ist es jedoch, wenn die Leitschaufeln jeweils mehrere Durchbrüche in ihren Wandungen aufweisen.The The present invention describes a radial compressor with a bladed impeller and a radially arranged around the impeller, this downstream diffuser. The diffuser comprises a plurality similar, each immovable in at least one axial side wall a compressor housing anchored vanes. According to the present Invention have at least some of the vanes of the diffuser at least one breakthrough in its wall. Is preferred However, if the vanes each have multiple openings in have their walls.

Wahlweise können die mit Durchbrüchen versehenen Leitschaufeln des Diffusors eine oder mehrere Unterbrechungen aufweisen. Alternativ hierzu können die mit Durchbrüchen versehenen Leitschaufeln des Diffusors auch schlitzartige und/oder runde oder anders geformte Durchbrüche aufweisen. So können die Leitschaufeln des Diffusors bspw. jeweils mit Perforierungen versehen sein.Optional may be the apertured vanes of the diffuser have one or more interruptions. alternative this can be provided with openings Guide vanes of the diffuser also slot-like and / or round or have differently shaped breakthroughs. So can the guide vanes of the diffuser, for example, each with perforations be provided.

Zur Vermeidung von Strömungsbehinderungen sind die Leitschaufeln großer Turbinen, bspw. im Kraftwerksbau beweglich und lassen sich so den Strömungswinkeln anpassen. Damit kann auch das Zusetzen des Diffusors weitgehend verhindert werden. Die beweglichen Leitschaufeln erfordern jedoch einen erheblichen Konstruktions- und Kostenaufwand. Bei kleineren Radialverdichtern (beispielsweise Radialgebläsen und Ventilatoren, insbesondere für den Massenmarkt) kann auf einen solchen Aufwand verzichtet werden. Die kostengünstig herstellbaren starren Leitschaufeln lassen sich jedoch in der beschriebenen Weise mit Durchbrüchen versehen, wodurch eine einfache und robuste Lösung mit befriedigendem Wirkungsgrad zur Verfügung gestellt wird. Der erfindungsgemäße Radialverdichter eignet sich somit zur kostengünstigen Herstellung insbesondere kleinerer Aggregate, die je nach benötigten Betriebsbedingungen (Drehzahl, Volumenstrom etc.) in optimierter Weise ausgelegt werden können. Trotz der Auslegung auf einen bestimmten Arbeitspunkt hin ermöglicht der erfindungsgemäße Radialverdichter einen Betrieb mit hohem Wirkungsgrad über einen relativ weiten Arbeitsbereich.to Avoidance of flow obstructions are the vanes large turbines, eg. In power plant construction movable and let to adapt to the flow angles. So can too the clogging of the diffuser can be largely prevented. The moving ones Guide vanes, however, require considerable design and cost. For smaller centrifugal compressors (for example Radial fans and fans, especially for the mass market) can be dispensed with such an effort. Allow the economically producible rigid vanes However, in the manner described with breakthroughs provided, creating a simple and robust solution with satisfactory efficiency is provided. The radial compressor according to the invention is suitable thus for cost-effective production especially smaller Units which, depending on the required operating conditions (speed, Volume flow, etc.) can be designed in an optimized manner. Despite the design allows for a specific operating point the radial compressor according to the invention an operation with high efficiency over a relatively wide working range.

Die Durchbrüche befinden sich vorzugsweise jeweils in einem mittleren Abschnitt der Leitschaufeln, in vorgegebenem Abstand zum Laufrad. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Radialverdichters sieht vor, dass mehrere in radialer Richtung nach außen aufeinander folgende Durchbrüche in den Leitschaufeln eine zunehmende Größe aufweisen. Wahlweise können nur einige oder alle Leitschaufeln des Diffusors Durchbrüche bzw. Unterbrechungen in ihren mittleren Abschnitten aufweisen.The Breakthroughs are preferably each in one middle section of the vanes, at a predetermined distance from Wheel. A particularly advantageous embodiment sees the radial compressor according to the invention before that several in the radial outward direction following breakthroughs in the vanes an increasing Have size. Optionally, only some or all vanes of the diffuser breakthroughs or interruptions in their middle sections.

Eine bevorzugte Variante sieht einen Außendurchmesser des Diffusors vor, der ungefähr den anderthalbfachen Wert des Laufraddurchmessers aufweist. Insbesondere kann ein Durchmesserverhältnis des Diffusors zum Laufrad ungefähr den Wert 1,44 aufweisen.A preferred variant sees an outer diameter of the diffuser that is about one and a half times the diameter of the impeller having. In particular, a diameter ratio of Diffusers to the impeller approximately 1.44.

Bei Radialarbeitsmaschinen werden Diffusoren verstärkt für die Druckrückgewinnung genutzt. Eine kombinierte Auslegung des Impellers, des Diffusors und der Umlenkschaufeln als eine Einheit ist sinnvoll, um einen optimierten Wirkungsgrad zu erreichen. Der Diffusor erweist sich hierbei oftmals als limitierendes Bauteil, da es an der engsten Stelle des Diffusors zu Versperrungen infolge zu geringer Querschnittsflächen kommen kann. Der Diffusor kann in einen Zustand übergehen, bei dem seine Durchströmung nur unter erheblichen Energieverlusten möglich ist. Insbesondere können sich nach den Bereichen der kleinsten Querschnitte der Diffusorkanäle Ablösegebiete ausbilden. Um die negativen Einflüsse dieser Engstellen zu vermeiden, wird mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, die Diffusorschaufeln unterbrochen, geschlitzt oder perforiert auszuführen. Damit erfolgt zwischen dem sich nach der engsten Stelle des Diffusors einstellenden Ablösegebiet und durch die darunter liegende Schaufel eine Ausgleichsströmung, die sich positiv auf die Diffusorwirkung auswirkt. Der Effekt der unterbrochenen Diffusorschaufeln konnte anhand von numerischen Berechnungen wie auch durch experimentelle Untersuchungen nachgewiesen werden. Damit wurde gezeigt, dass es gelingen kann, Versperrungen der Diffusoren in den engsten Querschnitten dadurch zu verringern bzw. zu eliminieren, indem die Diffusorschaufeln mit Ausgleichsschlitzen für die Strömung versehen werden. Ähnliche Effekte lassen sich auch durch eine Perforierung erreichen, d. h. durch Löcher in den Diffusorschaufeln.Radial working machines increasingly use diffusers for pressure recovery. A combined design of the impeller, the diffuser and the vanes as a unit is useful to achieve an optimized efficiency. The diffuser often proves to be a limiting component, as it can come to obstruction due to too small cross-sectional areas at the narrowest point of the diffuser. The diffuser can go into a state in which its flow is possible only with considerable energy losses. In particular, after the areas of the smallest cross sections of the diffuser channels detachment areas can form. In order to avoid the negative effects of these bottlenecks, it is proposed with the present invention that the diffuser blades be interrupted, slotted or perforated. This results in a compensating flow between the separating region which adjoins the narrowest point of the diffuser and the blade underneath, which has a positive effect on the diffuser effect. The effect of the interrupted diffuser vanes could be demonstrated by numerical calculations as well as by experimental investigations. Thus, it has been shown that it is possible to reduce or eliminate obstruction of the diffusers in the narrowest cross sections by providing the diffuser blades with flow equalizing slots. Similar effects can also be achieved by perforation, ie through holes in the diffuser blades.

Weitere Merkmale, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nun folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hervor, die als nicht einschränkendes Beispiel dient und auf die beigefügte Zeichnung Bezug nimmt. Gleiche Teile in den Figuren sind dabei grundsätzlich mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.Further Features, objects and advantages of the present invention will be apparent The following detailed description of a preferred embodiment of the invention, as a non-limiting example and refers to the attached drawing. Same Parts in the figures are basically the same Reference numerals designates.

1 zeigt einen Diffusoraufbau bei einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radialverdichters. 1 shows a diffuser structure in one embodiment of a radial compressor according to the invention.

2 zeigt verschiedene Betriebszustände herkömmlicher Verdichter. 2 shows various operating conditions of conventional compressors.

3 zeigt eine erste Variante eines herkömmlichen Radialverdichters. 3 shows a first variant of a conventional radial compressor.

4 zeigt eine zweite Variante eines herkömmlichen Radialverdichters. 4 shows a second variant of a conventional centrifugal compressor.

5 zeigt eine dritte Variante eines herkömmlichen Radialverdichters. 5 shows a third variant of a conventional centrifugal compressor.

6 zeigt eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Radialverdichter. 6 shows a plan view of a radial compressor according to the invention.

7 zeigt eine perspektivische Ansicht des Verdichters gemäß 6. 7 shows a perspective view of the compressor according to 6 ,

8 zeigt in einem Diagramm verschiedene Wirkungsgradverläufe der Radialverdichterbauformen über dem Volumenstrom. 8th shows in a diagram different efficiency curves of the radial compressor designs over the volume flow.

9 zeigt in einem Diagramm den Zusammenhang zwischen dem Verlauf des statischen Drucks und des Volumenstroms für verschiedene Radialverdichterbauformen. 9 shows in a diagram the relationship between the course of the static pressure and the flow rate for different centrifugal compressor designs.

Das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel zeigt einen erfindungsgemäßen Radialverdichter 10 mit einem beschaufelten Laufrad 12 und einem radial um das Laufrad 12 angeordneten, diesem nachgeschalteten Diffusor 14. Der Diffusor 14 umfasst eine Mehrzahl gleichartiger, jeweils unbeweglich in wenigstens einer axialen Seitenwand 16 eines Verdichtergehäuses 18 verankerten Leitschaufeln 20. Wie anhand der 1 verdeutlicht, weisen die Leitschaufeln 20 des Diffusors 14 mindestens einen Durchbruch 22 in ihrer Wandung auf. Bevorzugt ist es jedoch, wenn die Leitschaufeln 20 jeweils mehrere Durchbrüche 22 in ihren Wandungen aufweisen, wie dies in den 6 und 7 gezeigt ist. Wahlweise können die mit Durchbrüchen 22 versehenen Leitschaufeln 20 des Diffusors 14 eine oder mehrere Unterbrechungen aufweisen, wie dies in den Figuren dargestellt ist. Alternativ hierzu können die mit Durchbrüchen 22 versehenen Leitschaufeln 20 des Diffusors 14 auch schlitzartige und/oder runde oder anders geformte Durchbrüche aufweisen. So können die Leitschaufeln 20 des Diffusors 14 wahlweise jeweils mit Perforierungen versehen sein (nicht dargestellt). Die Durchbrüche 22 befinden sich jeweils in einem mittleren Abschnitt der Leitschaufeln 20, in vorgegebenem Abstand zum Laufrad 12.The embodiment described below shows a radial compressor according to the invention 10 with a bladed impeller 12 and one radially around the impeller 12 arranged, this downstream diffuser 14 , The diffuser 14 comprises a plurality of similar, each immovable in at least one axial side wall 16 a compressor housing 18 anchored vanes 20 , As based on the 1 clarified, assign the vanes 20 of the diffuser 14 at least one breakthrough 22 in their wall. However, it is preferred if the guide vanes 20 in each case several breakthroughs 22 have in their walls, as in the 6 and 7 is shown. Optionally, those with breakthroughs 22 provided vanes 20 of the diffuser 14 have one or more interruptions, as shown in the figures. Alternatively, those with breakthroughs 22 provided vanes 20 of the diffuser 14 also have slit-like and / or round or otherwise shaped openings. So can the vanes 20 of the diffuser 14 optionally be provided with perforations (not shown). The breakthroughs 22 are each located in a middle section of the vanes 20 , at a predetermined distance to the impeller 12 ,

Die schematische Darstellung der 1 verdeutlicht einen Diffusoraufbau bei einem erfindungsgemäßen Radialverdichter 10. Bei höherer Last besteht die Gefahr des sog. Zusetzens des Diffusors 14, was dadurch zustande kommt, weil das Laufrad 12 bei Überlastbedingungen den Diffusor 14 mit einem höheren Volumenstrom an durchströmendem Fluid beaufschlagt als dieser zu fassen vermag. Der Diffusor 14 setzt sich dadurch an seiner engsten Stelle zu, am sog. Diffusorhals 24. Wird nun genau an dieser Stelle der Diffusorhals 24 geöffnet bzw. mit einer Unterbrechung 22, einem Schlitz oder einer Perforierung versehen, so hat dies zur Folge, dass bei Überlast eine Ausgleichsströmung vom zugesetzten Bereich A in den freien Auslaufbereich B überlaufen kann, wodurch gleichzeitig der Diffusor 14 entsprechend freigesetzt wird. Damit sind mit unterbrochenen Leitschaufeln 20 höhere Volumenströme als bei Nennlast möglich, ohne dass sich der Diffusor 14 zusetzt. Die Konsequenz sind höhere Druckrückgewinnwerte sowie ein deutlich höherer Wirkungsgrad der Laufrad-Diffusor- Einheit. Zudem wird das maximale Fassungsvermögen des Diffusors 14 deutlich erweitert.The schematic representation of 1 illustrates a diffuser structure in a radial compressor according to the invention 10 , At higher load there is a risk of so-called. Adding the diffuser 14 , which comes about because of the impeller 12 under overload conditions the diffuser 14 acted upon by a higher volume flow of fluid flowing through than this can handle. The diffuser 14 This places itself at its narrowest point, at the so-called diffuser neck 24 , Now it is exactly at this point the diffuser neck 24 opened or with a break 22 , Provide a slot or a perforation, this has the consequence that in case of overload, a compensating flow from the added area A in the free outlet area B can overflow, thereby simultaneously the diffuser 14 is released accordingly. This is with interrupted vanes 20 Higher flow rates than at rated load possible without the diffuser 14 added. The consequence is higher pressure recovery values and a much higher efficiency of the impeller-diffuser unit. In addition, the maximum capacity of the diffuser 14 significantly expanded.

Die weiteren Bezugsziffern 26, 28 und 30 bezeichnen die aufeinander folgenden Abschnitte zwischen den Leitschaufeln 20 im Diffusor 14. So bezeichnet die Bezugsziffer 26 einen Leitschaufeleintritt. Die Bezugsziffer 28 bezeichnet einen Leitschaufelkanal, während die Bezugsziffer 30 einen Leitschaufelaustritt bezeichnet.The other reference numbers 26 . 28 and 30 denote the successive sections between the vanes 20 in the diffuser 14 , This is the reference number 26 a vane inlet. The reference number 28 denotes a vane channel, while the reference numeral 30 denotes a vane exit.

Die schematische Darstellung der 2 verdeutlicht die verschiedenen Betriebszustände eines typischen Radialverdichters. Bei einer Teillast (rechte Abbildung) herrscht ein Volumenstrom Q < Q₀ (Q₀: Volumenstrom bei Nennlast). Eine effektive Öffnungsbreite beträgt A''' < A_t (A_t: Breite des Leitschaufelkanals 28), während eine Strömungsgeschwindigkeit im Leitschaufelkanal 28 der Anströmgeschwindigkeit w aus dem Laufrad 12 entspricht. Wird der Diffusor 14 mit Teillast betrieben, so ist der Strömungswinkel am Austritt des Laufrads 12 geringer als der Eintrittswinkel des Diffusors 14, so dass der Diffusor mit einem geringeren Volumenstrom beaufschlagt wird, als dem, den er im Auslegungspunkt fassen kann. Es kommt hierbei zu keiner Strömungsbehinderung.The schematic representation of 2 illustrates the different operating states of a typical centrifugal compressor. At a partial load (right figure) there is a volume flow Q <Q ₀ (Q ₀ : volume flow at nominal load). An effective opening width is A '''<A _t (A _t : width of the vane channel 28 ), while a flow velocity in the vane channel 28 the flow velocity w from the impeller 12 equivalent. Will the diffuser 14 operated at partial load, so the flow angle at the outlet of the impeller 12 less than the entrance angle of the diffuser 14 , so that the diffuser is supplied with a lower volume flow than that which it can hold at the design point. There is no flow obstruction here.

Bei Nennlast (mittlere Abbildung) herrscht ein Volumenstrom Q = Q₀. Die effektive Öffnungsbreite beträgt A'' = A_t, während die Strömungsgeschwindigkeit im Leitschaufelkanal 28 noch immer der Anströmgeschwindigkeit w aus dem Laufrad 12 entspricht. Bei diesem Nennvolumenstrom entspricht das Fassungsvermögen des Diffusors bzw. der Diffusorschaufelkanäle genau dem vom Laufrad beaufschlagten Volumenstrom. Unter diesen Bedingungen ist ein sanfter und stoßfreier Übergang vom Volumenstrom des Laufrads 12 in den Diffusor 14 gewährleistet. Die Schaufeln 20 des Diffusors werden zweckmäßigerweise so ausgelegt, dass die vom Laufrad austretende Strömung stoßfrei in den Diffusor gelangen kann. Stoßfrei bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass der Eintrittswinkel der Diffusorschaufeln genau dem Strömungswinkel entspricht, die das Fluid am Austritt des Laufrads hat.At nominal load (middle illustration) prevails a volume flow Q = Q ₀ . The effective opening width is A "= A _t , while the flow velocity in the vane channel 28 still the flow velocity w from the impeller 12 equivalent. At this nominal volume flow, the capacity of the diffuser or the diffuser vane ducts corresponds exactly to the volumetric flow impinged by the impeller. Under these conditions, there is a smooth and bumpless transition from the volumetric flow of the impeller 12 in the diffuser 14 guaranteed. The shovels 20 the diffuser are expediently designed so that the flow emerging from the impeller can pass smoothly into the diffuser. Bumpless means in the present context that the inlet angle of the diffuser blades corresponds exactly to the flow angle that has the fluid at the outlet of the impeller.

Bei Überlast dagegen (linke Abbildung) herrscht ein Volumenstrom Q > Q₀. Die effektive Öffnungsbreite beträgt A' > A_t, während die Strömungsgeschwindigkeit im Leitschaufelkanal 28 kleiner wird als die Anströmgeschwindigkeit w aus dem Laufrad 12. Bei diesen Überlastbedingungen stellt sich aufgrund des erhöhten Volumenstroms ein größerer Strömungswinkel am Laufradaustritt ein. Somit liegt das Durchsatzvermö gen des Diffusors unterhalb des beaufschlagten Volumenstroms, so dass es innerhalb des Diffusors zu einer Strömungsbehinderung bzw. zum Zusetzen (sog. ”Choking”) kommt.In case of overload on the other hand (left illustration) there is a volume flow Q> Q ₀ . The effective opening width is A '> A _t , while the flow velocity in the vane channel 28 becomes smaller than the flow velocity w from the impeller 12 , Under these overload conditions, a larger flow angle occurs at the impeller outlet due to the increased volume flow. Thus, the Durchsatzvermö conditions of the diffuser below the applied volume flow, so that it comes within the diffuser to a flow obstruction or clogging (so-called. "Choking").

Die weiteren 3 bis 7 stellen die verschiedenen Konzepte bekannter Radialverdichter (3 bis 5) dem neu entwickelten Radialverdichter mit durchbrochenen Leitschaufeln gemäß der vorliegenden Erfindung (6 und 7) gegenüber. So zeigt die 3 eine herkömmliche Impeller-Diffusor-Konfiguration mit einem herkömmlichen, beschaufelten Diffusor, bei der ein Durchmesserverhältnis zwischen den Außendurchmessern des Diffusors und des Laufrads bei ca. 1,17 liegt. Die 4 zeigt eine verbesserte Impeller-Diffusor-Konfiguration mit einem unbeschaufelten Diffusor. Das Durchmesserverhältnis zwischen den Außendurchmessern des Diffusors und des Laufrads liegt hier bei ca. 1,44. Weiterhin zeigt die 5 eine optimierte Impeller-Diffusor-Konfiguration mit herkömmlich beschaufeltem Diffusor. Auch hier liegt das Durchmesserverhältnis zwischen den Außendurchmessern des Diffusors und des Laufrads bei ca. 1,44.The others 3 to 7 represent the different concepts of known centrifugal compressors ( 3 to 5 ) the newly developed radial compressor with openwork vanes according to the present invention ( 6 and 7 ) across from. That's how it shows 3 a conventional impeller-diffuser configuration with a conventional bladed diffuser wherein a diameter ratio between the outer diameters of the diffuser and the impeller is about 1.17. The 4 shows an improved impeller-diffuser configuration with a bladed diffuser. The diameter ratio between the outer diameters of the diffuser and the impeller is approximately 1.44. Furthermore, the shows 5 an optimized impeller-diffuser configuration with conventional bladed diffuser. Again, the diameter ratio between the outer diameters of the diffuser and the impeller is about 1.44.

Schließlich zeigen die 6 und 7 in verschiedenen Ansichten eine erfindungsgemäße, nochmals verbesserte Impeller-Diffusor-Konfiguration mit geschlitzten Diffusor-Schaufeln 20 des Diffusors 14. Auch bei dieser Konfiguration liegt das Durchmesserverhältnis zwischen den Außendurchmessern des Diffusors 14 und des Laufrads 12 bei ca. 1,44.Finally, the show 6 and 7 in various views, an inventive, further improved impeller-diffuser configuration with slotted diffuser blades 20 of the diffuser 14 , Also in this configuration, the diameter ratio is between the outer diameters of the diffuser 14 and the impeller 12 at about 1.44.

Anhand des Diagramms der 8 sind verschiedene Wirkungsgradkennlinien der vier alternativen Konfigurationen (gemäß 3 bis 7) der Radialverdichter dargestellt. Es wird dabei deutlich, dass die Anordnung gemäß 3 zwar bis zu einem Volumenstrom von ca. 25 l/s (Durchfluss in Liter pro Sekunde) einen steil ansteigenden Wirkungsgrad von bis zu 66% liefert. Bei noch größeren Volumenströmen ist jedoch keine weitere Wirkungsgradsteigerung möglich, da sich der Diffusor zusetzt. Die Anordnung gemäß 4 mit dem schaufellosen Diffusor ermöglicht einen mit steigendem Volumenstrom (bis ca. 40 l/s) stetig ansteigenden Wirkungsgrad, der jedoch immer unter Werten von 60% bleibt. Zusetzerscheinungen sind bei dieser Konfiguration zwar nicht zu erkennen, doch bleibt der Wirkungsgrad insgesamt geringer. Bei der Anordnung gemäß 5 fällt auf, dass zwar der Gesamtwirkungsgrad mit über 70% bei geringen Volumenströmen von weniger als 15 l/s sehr hoch ausfällt. Doch fällt der Wir kungsgrad aufgrund des frühen Zusetzens des Diffusors bei Volumenströmen von mehr als 20 l/s steil ab bis auf Werte von weniger als 40%.Based on the diagram of 8th are different efficiency characteristics of the four alternative configurations (according to 3 to 7 ) of the radial compressor shown. It becomes clear that the arrangement according to 3 Although it delivers a steeply increasing efficiency of up to 66% up to a volume flow of approx. 25 l / s (flow in liters per second). For even larger volume flows, however, no further increase in efficiency is possible because the diffuser is added. The arrangement according to 4 With the blade-less diffuser, the efficiency increases steadily as the volume flow increases (up to approx. 40 l / s), but always remains below 60%. Although clogging phenomena can not be detected in this configuration, the overall efficiency remains lower. In the arrangement according to 5 It is noticeable that the overall efficiency of more than 70% at low volume flows of less than 15 l / s is very high. However, due to the early addition of the diffuser at volumetric flows of more than 20 l / s, the efficiency drops steeply to values of less than 40%.

Schließlich zeigt die Kurve für die erfindungsgemäße Konfiguration mit den geschlitzten Diffusorschaufeln gemäß 6 und 7 einen bis zu einem Volumenstrom von ca. 20 l/s sehr hohen Wirkungsgrad von ca. 75%, der bei höheren Volumenströmen weniger steil abfällt als bei den anderen Konfigurationen.Finally, the curve for the configuration according to the invention with the slotted diffuser blades according to FIG 6 and 7 a very high efficiency of approx. 75% up to a volume flow of approx. 20 l / s, which drops less steeply at higher volume flows than in the other configurations.

Das Diagramm der 9 zeigt schließlich den Abfall des statischen Drucks (in mbar) bei steigendem Volumenstrom anhand aller vier verschiedenen Konfigurationen. Auch hier zeigt sich, dass der statische Druck bei der erfindungsgemäßen Anordnung mit steigenden Volumenstrom zwar stetig abfällt, doch nicht so steil wie bei einer entsprechenden Auslegung mit durchgängigen Diffusorschaufeln gemäß 5.The diagram of 9 Finally, it shows the drop in static pressure (in mbar) with increasing flow on all four different configurations. Again, it is found that the static pressure in the inventive arrangement with increasing volume flow, although steadily drops, but not as steep as in a corresponding design with continuous diffuser blades according to 5 ,

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Gedanken Gebrauch machen und deshalb ebenfalls in den Schutzbereich fallen.The The invention is not limited to the above embodiments limited. Rather, a variety of variants and Modifications conceivable that of the invention Use your thoughts and therefore also in the protection area fall.

1010: Radialverdichtercentrifugal compressors
1212: LaufradWheel
1414: Diffusordiffuser
1616: SeitenwandSide wall
1818: Verdichtergehäusecompressor housing
2020: Leitschaufelvane
2222: Durchbruchbreakthrough
2424: Diffusorhalsdiffuser neck
2626: LeitschaufeleintrittLeitschaufeleintritt
2828: LeitschaufelkanalLeitschaufelkanal
3030: LeitschaufelaustrittLeitschaufelaustritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 3044920 C2 [0005]
- DE 3705307 A1 [0006]
- US 4131389 A [0007]

Claims

Centrifugal compressor ( 10 ) with a bladed impeller ( 12 ) and one radially around the impeller ( 12 ), this downstream diffuser ( 14 ) having a plurality of immovable in at least one side wall ( 16 ) anchored vanes ( 20 ), characterized in that at least some of the guide vanes ( 20 ) of the diffuser ( 14 ) at least one breakthrough ( 22 ), in particular several breakthroughs ( 22 ) in their walls.

Radial compressor according to claim 1, characterized in that the with breakthroughs ( 22 ) provided guide vanes ( 20 ) of the diffuser ( 14 ) have one or more interruptions.

Radial compressor according to claim 1, characterized in that the with breakthroughs ( 22 ) provided guide vanes ( 20 ) of the diffuser ( 14 ) have slit-like or round openings.

Radial compressor according to claim 3, characterized in that the guide vanes ( 20 ) of the diffuser ( 14 ) Have perforations.

Radial compressor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the openings ( 22 ) in a middle section of the guide vanes ( 20 ), at a predetermined distance from the impeller ( 12 ) are arranged.

Radial compressor according to one of claims 1 to 5, characterized in that a plurality of radially outwardly successive openings ( 22 ) in the guide vanes ( 20 ) have an increasing size.

Radial compressor according to one of claims 1 to 6, characterized in that all guide vanes ( 20 ) of the diffuser ( 14 ) Breakthroughs ( 22 ) or interruptions in their middle sections.

Radial compressor according to one of claims 1 to 7, characterized in that an outer diameter of the diffuser ( 14 ) corresponds approximately to one and a half times the impeller diameter.

Radial compressor according to claim 8, characterized in that a diameter ratio of the diffuser ( 14 ) to the impeller ( 12 ) is approximately 1.44.