DE4306689A1

DE4306689A1 - Radialverdichter mit einem strömungsstabilisierenden Gehäuse

Info

Publication number: DE4306689A1
Application number: DE4306689A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Heinrich
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd
Priority date: 1993-03-04
Filing date: 1993-03-04
Publication date: 1994-09-08
Also published as: EP0614014B1; PL172603B1; CN1034606C; PL302341A1; US5466118A; CN1096347A; EP0614014A1; CZ48394A3; JPH06294397A; DE59400303D1; RU2117825C1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Ra dialverdichter. Sie betrifft einen Radialverdichter mit einem strömungsstabilisierenden Gehäuse, umfassend

(a) ein um eine Maschinenachse drehbar gelagertes Laufrad mit einer Nabe, auf deren Umfang eine Mehrzahl von Laufschau feln angeordnet sind;
(b) ein das Laufrad umschließendes Verdichtergehäuse, wel ches mit seiner inneren Gehäusekontur an die äußere Kon tur der Laufschaufeln angepaßt ist und zusammen mit der Nabe einen zwischen einem axialen Einlaß und einem ra dialen Auslaß verlaufenden Strömungskanal bildet; und
(c) im Eingangsbereich des Strömungskanals eine Mehrzahl von in Strömungsrichtung verlaufenden, länglichen Stabilisa torschlitzen, welche von der inneren Gehäusekontur her in das Gehäuse hineinreichen und über den inneren Umfang des Gehäuses verteilt angeordnet sind.

Ein solcher Radialverdichter ist z. B. aus der Druckschrift US-A-4,212,585 bekannt.

Stand der Technik

Bei Radialverdichtern wird der stabile Betriebsbereich bei starker Drosselung durch die sogenannte "Pumpgrenze" zu klei nen Volumenströmen hin begrenzt. Jenseits dieser Pumpgrenze ist kein sicherer Betrieb des Verdichters mehr möglich. Zu sätzlich treten durch die dann instationäre Strömung sehr starke mechanische Belastungen für alle Bauteile auf, die zu einer Beschädigung des Verdichters oder sogar zu seiner Zer störung führen können.

Es besteht nun für viele Anwendungen ein großes Interesse daran, die Pumpgrenze eines Radialverdichters zu kleineren Volumenströmen hin zu verschieben, um den stabilen Arbeitsbe reich des Verdichters zu vergrößern. Voraussetzung dafür ist die Kenntnis der Ursachen, die für das Auftreten einer Pumpgrenze maßgeblich sind, und deren Lage bestimmen.

Zum Phänomen des Zusammenbruchs der stabilen Durchströmung des Verdichters gibt es zahlreiche experimentelle und theore tische Untersuchungen. In der Fachwelt besteht weitestgehend Einigkeit darüber, daß ein sich bei Drosselung des Verdich ters im vorderen Laufradbereich bildender Rezirkulationswir bel in starkem Maße am Einsetzen des Pumpens beteiligt ist. Alle bekannten Konstruktionen zur Verschiebung der Pumpgrenze zielen deshalb auf die Unterdrückung oder Beeinflussung die ses Wirbels ab.

Eine als "Casing Treatment" bezeichnete Lösung wird in der eingangs genannten Druckschrift beschrieben. Sie ist gemäß der schematisierten Darstellung in Fig. 1 durch eine Vielzahl von im Verdichtergehäuse 4 angebrachter, schmaler Stabilisa torschlitze 5 gekennzeichnet. Die Stabilisatorschlitze 5 be ginnen an den Schaufeleintrittskanten 6 der Laufschaufeln 3 des Laufrades 2 oder sogar ein kurzes Stück stromauf von ih nen. Sie sind in Drehrichtung des Laufrades 2 geneigt und teilweise schräg zur Maschinenachse 7 angeordnet. Im meridio nalen Schnitt weisen die Schlitze eine rechteckige Form auf, wobei die Vorderwand 5a und die Hinterwand 5c in etwa senk recht gegenüber der Maschinenachse 7 orientiert sind.

Bei der bekannten Konstruktion tritt die Verschiebung der Pumpgrenze vor allem im oberen Kennfeldbereich des Verdich ters ein. Im unteren Drehzahlbereich ergeben sich mit dieser Form des Casing Treatments hingegen keine Verbesserungen. Es kann im Gegenteil hier sogar zu Verschlechterungen kommen. Die Form ist deshalb für Verdichter geeignet, die bei nur we nig um den Nennwert schwankender Drehzahl betrieben werden. Für Verdichter, die mit stark veränderlicher Drehzahl arbei ten, wie z. B. Verdichter in Abgasturboladern, ist diese Form des Casing Treatments aufgrund der erwähnten Stabilitätspro bleme bei kleiner Drehzahl ungeeignet.

Darstellung der Erfindung

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, einen Radialverdichter mit strömungsstabilisierendem Gehäuse zu schaffen, bei welchem im gesamten: Kennfeldbereich die Pumpgrenze zu kleineren Volumen strömen hin verschoben ist.

Die Aufgabe wird bei einem Verdichter der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß

(d) die Stabilisatorschlitze im Bezug auf die Laufschaufeln so angeordnet sind, daß ihr dem axialen Einlaß zuge wandtes vorderes Ende eine vorbestimmte Strecke stromab von der Schaufeleintrittskante liegt.

Der Kern der Erfindung besteht darin, die Stabilisatorschlit ze so anzuordnen, daß sich die bei zunehmender Drosselung bildenden Rezirkulationswirbel bereits durch die Schlitze be einflussen lassen, bevor sie voll entwickelt sind.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichters zeichnet sich dadurch aus, daß das hintere Ende der Stabilisatorschlitze im Bereich der beginnenden Umlenkung von der axialen Zuströmung in die radiale Abströmung liegt.

Hierdurch ist gewährleistet, daß die Wirbel bereits bei ih rer Entstehung in den Einflußbereich der Schlitze gelangen.

Eine zweite bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichters zeichnet sich dadurch aus, daß die Laufschaufeln vom axialen Einlaß bis zum radialen Auslaßerstreckte Hauptschaufeln und dazwischenliegende, erst hinter dem axia len Einlaß beginnende, kürzere Zwischenschaufeln umfassen, und daß das hintere Ende der Stabilisatorschlitze im Bereich des Beginns der Zwischenschaufeln liegt. Hierdurch lassen sich die Vorteile der vorherigen Ausführungsform auch bei Laufrädern mit unterschiedlich langen Laufschaufeln erzielen.

Weitere Vorteile hinsichtlich der Stabilisierung ergeben sich, wenn die Form der Schlitze strömungstechnisch den Ver hältnissen im Rezirkulationswirbel angepaßt sind. Gemäß ei ner weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Stabilisatorschlitze jeweils einen sich in Strömungsrichtung gerade erstreckenden Boden aufweisen, welcher in etwa tangential zur angrenzenden äuße ren Kontur der Laufschaufeln orientiert ist, daß die Stabi lisatorschlitze jeweils am hinteren Ende durch eine Hinter wand begrenzt sind, welche flacher verläuft als die dortige Normale der inneren Gehäusekontur und mit dieser Normale ei nen spitzen Winkel (γ) einschließt, und daß die Hinterwand jeweils mit stetiger Tangente in den Boden übergeht.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen An sprüchen.

Kurze Erläuterung der Figuren

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie len im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 in schematischer Querschnittsdarstellung einen Ver dichter mit einem stabilisierenden "Casing Treatment" nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Ver dichters mit Stabilisierungsschlitzen nach der Erfin dung in einer zu Fig. 1 analogen Darstellung (b) und im Schnitt entlang der in Fig. 2(b) angedeuteten Ebene A-A (a); und

Fig. 3 ein zu Fig. 2(b) vergleichbares zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit geänderter Schlitzform.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Um die Unterschiede zum bisherigen Stand der Technik deutlich zu machen, sei zunächst anhand der Fig. 1 dieser Stand der Technik, wie er sich insbesondere aus der eingangs genannten Druckschrift ergibt, kurz erläutert. Der bekannte Radialver dichter mit stabilisierendem Gehäuse umfaßt ein auf einer Maschinenachse 7 drehbar gelagertes Laufrad 2, welches auf einer Nabe 9 eine Vielzahl von Laufschaufeln 3 trägt, die in gleichmäßigem Winkelabstand auf dem Umfang der Nabe 9 ange ordnet sind. Das Laufrad ist in einem Verdichtergehäuse 4 un tergebracht (in Fig. 1 nur ausschnittweise angedeutet). Das Verdichtergehäuse 4 weist auf der Innenseite eine innere Ge häusekontur 4a auf, die der äußeren Kontur der Laufschaufeln 3 angepaßt ist. Innere Gehäusekontur 4a und Nabe 9 bilden einen Strömungskanal für das zu verdichtende Medium, der von einem axialen Einlaß 10 zu einem radialen Auslaß 11 führt, wobei das Medium in einem mittlerem Bereich des Strömungska nals von einer axialen Zuströmung sukzessive in eine radiale Abströmung umgelenkt wird.

Das bekannte Casing Treatment umfaßt nun eine Mehrzahl von Stabilisatorschlitzen 5, die im Bereich der Schaufelein trittskante 6 am inneren Umfang des Gehäuses mit regelmäßi gem Winkelabstand angeordnet sind. Die in Richtung der Ma schinenachse 7 länglichen Stabilisatorschlitze 5 haben in der meridionalen Ebene einen im wesentlichen rechteckigen Quer schnitt und werden am vorderen und hinteren Ende durch eine Vorderwand 5a bzw. Hinterwand 5c begrenzt, die jeweils senk recht zur Maschinenachse 7 orientiert ist. Die Vorderwand 5a liegt dabei stromauf vor der Schaufeleintrittskante 6. Die in radialer Richtung äußere Begrenzung erfolgt durch einen par allel zur Maschinenachse 7 verlaufenden Boden Sb.

Wie bereits erwähnt, beruht die stabilisierende Wirkung der Schlitze in der inneren Gehäusewand auf der Beeinflussung des Rezirkulationswirbels im vorderen Laufradbereich: Der Wirbel wird aus dem Laufrad heraus in die Schlitze verlagert und verliert damit an Einfluß auf die Hauptströmung. Wie neuere experimentelle Untersuchungen zeigen, tritt der Wirbel nicht unmittelbar an den Schaufeleintrittskanten 6 des Laufrades 2 auf. Er entsteht vielmehr stromab der Schaufeleintrittskante 6 im Bereich des Beginns der Umlenkung von der axialen Zu strömung in die radiale Abströmung bzw. im Bereich der Vor derkanten der Zwischenschaufeln (wenn die Laufschaufeln in Haupt- und Zwischenschaufeln unterteilt sind). Erst bei star ker Drosselung wächst der Rezirkulationswirbel bis zu den Schaufeleintrittskanten 6 (die bei in längere Haupt- und kür zere Zwischenschaufeln aufgeteilten Schaufeln zugleich die Eintrittskanten der Hauptschaufeln sind). Durch die in Fig. 1 dargestellte Form des Casing Treatments kann aus diesen Grün den erst der voll entwickelte Wirbel beeinflußt werden.

Es ist jedoch beim bekannten Casing Treatment nicht nur der Beginn der Schlitze an der Schaufeleintrittskante 6 bzw. stromauf davon nicht optimal an die Lage des Wirbels ange paßt. Das gleiche gilt nämlich auch für die Form der Schlit ze in der meridionalen Ebene: Die rechtwinklige Form mit senkrecht zur Maschinenachse 7 orientierten Vorder- und Hin terwand 5a bzw. 5c bietet keine guten Voraussetzungen für das Einströmen des Rezirkulationswirbels in die Schlitze und seine Bewegung darin.

Um die Pumpgrenze im gesamten Drehzahlbereich des Verdichters zu kleineren Volumenströmen zu verschieben, muß daher er stens die Lage der Stabilisatorschlitze optimal an die Lage und Gestalt des Rezirkulationswirbels angepaßt werden. Es soll zweitens möglich sein, daß bereits der schwache, gerade erst im Entstehen begriffene Wirbel in die Schlitze einströ men kann. Dazu soll die Kontur der Schlitze so geformt sein, daß die Schlitze einen möglichst geringen hydraulischen Wi derstand besitzen.

Ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines solchen op timierten Casing Treatments ist in der Fig. 2 wiedergegeben. In der zu Fig. 1 vergleichbaren Fig. 2(b) sind dabei gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen. Obgleich nicht zwingend, sind in diesem Beispiel die Laufschaufeln 3 jeweils unterteilt in längere Hauptschaufeln 3a, die sich vom axialen Einlaß 10 bis zum radialen Auslaß 11 erstrecken, und in da zwischenliegende, kürzere Zwischenschaufeln 3b mit zurückge setzter eigener Vorderkante 8. Die Stabilisatorschlitze 5 sind nicht nur in ihrer Lage, sondern auch in ihrer Form ge genüber dem Stand der Technik verändert. Sie liegen mit ihrem dem axialen Einlaß 10 zugewandten vorderen Ende, d. h. mit ihrer Vorderwand 5a, eine vorbestimmte Strecke stromab von der Schaufeleintrittskante 6.

Das hintere Ende der Schlitze wird in den Bereich der Umlen kung der axialen Zuströmung in die radiale Abströmung gelegt, was bei der in Fig. 2(b) gezeigten Aufteilung der Laufschau feln 3 gleichbedeutend ist mit dem Bereich unmittelbar hinter der Vorderkante 8 der Zwischenschaufeln 3b. Die optimale Po sition und Länge der Stabilisatorschlitze 5 kann der Fachmann leicht nach einer rechnerischen oder experimentellen Bestim mung von Lage und Größe des Rezirkulationswirbels finden. Wie aus dem in Fig. 2(a) gezeigten Querschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 2(b) zu entnehmen ist, können die Schlitze zusätzlich in Drehrichtung des Laufrades 2 geneigt angeordnet sein.

Zusätzlich zur veränderten Lage und Länge der Stabilisator schlitze 5 ergibt sich gegenüber dem Stand der Technik auch eine Veränderung in der Form. Im Beispiel der Fig. 2(b) bleibt zwar die Vorderwand 5a weitgehend senkrecht zur Ma schinenachse 7. Jedoch ist der sich gerade erstreckende Boden 5b nicht länger parallel zur Maschinenachse, sondern in etwa tangential zur angrenzenden äußeren Kontur der Laufschaufeln (3) und damit zum Rezirkulationswirbel orientiert. Des weite ren sind die Stabilisatorschlitze 5 jeweils am hinteren Ende durch eine Hinterwand 5c begrenzt, welche flacher verläuft als die dortige Normale der inneren Gehäusekontur 4a und mit dieser Normale einen spitzen Winkel γ einschließt, dessen Größe sich gleichfalls nach den zu bestimmenden Verhältnis sen im Wirbel richtet. Schließlich werden die hydrodynamisch nicht optimalen rechten Ecken in der Schlitzkontur dadurch vermieden, daß Vorderwand 5a und Hinterwand 5c der Schlitze mit stetiger Tangente in den Boden 5b übergehen. Durch alle geschilderten Maßnahmen wird der Rezirkulationswirbel sowohl in einem früheren Stadium der Entstehung als auch insgesamt besser beeinflußt und außerhalb des Laufrades 2 stabili siert.

In einem weiteren, in Fig. 3 wiedergegebenen Ausführungsbei spiel ist bei annähernd unveränderter Lage gegenüber dem Bei spiel der Fig. 2 die Form der Stabilisatorschlitze 5 verein facht. Eine Hinterwand ist hier nicht mehr vorhanden. Viel mehr läuft der Boden 5b der Schlitze am hinteren Ende keil förmig in die innere Gehäusekontur 4a aus, wodurch sich bei gleichfalls guter Beeinflussung des Wirbels eine vereinfachte Herstellung der Schlitze ergibt.

Insgesamt wird mit der Erfindung ein Radialverdichter zur Verfügung gestellt, der sich durch eine deutliche Erweiterung des stabilen Arbeitsbereiches zu geringen Volumenströmen hin im gesamten Kennfeldbereich auszeichnet.

Bezugszeichenliste

1 Radialverdichter
2 Laufrad
3 Laufschaufel
3a Hauptschaufel
3b Zwischenschaufel
4 Verdichtergehäuse
4a innere Gehäusekontur
5 Stabilisatorschlitz
5a Vorderwand (Schlitz)
5b Boden (Schlitz)
5c Hinterwand (Schlitz)
6 Schaufeleintrittskante
7 Maschinenachse
8 Vorderkante (Zwischenschaufel)
9 Nabe (Laufrad)
10 axialer Einlaß
11 radialer Auslaß
γ Winkel.

Claims

1. Radialverdichter mit einem strömungsstabilisierenden Ge häuse, umfassend

(a) ein um eine Maschinenachse (7) drehbar gelagertes Laufrad (2) mit einer Nabe (9), auf deren Umfang eine Mehrzahl von Laufschaufeln (3) angeordnet sind;
(b) ein das Laufrad umschließendes Verdichtergehäuse (4), welches mit seiner inneren Gehäusekontur (4a) an die äußere Kontur der Laufschaufeln (3) angepaßt ist und zu sammen mit der Nabe (9) einen zwischen einem axialen Ein laß (10) und einem radialen Auslaß (11) verlaufenden Strömungskanal bildet; und
(c) im Eingangsbereich des Strömungskanals eine Mehrzahl von in Strömungsrichtung verlaufenden, länglichen Stabilisa torschlitzen (5), welche von der inneren Gehäusekontur (4a) her in das Gehäuse (4) hineinreichen und über den inneren Umfang des Gehäuses (4) verteilt angeordnet sind;

dadurch gekennzeichnet, daß

(d) die Stabilisatorschlitze (7) im Bezug auf die Laufschau feln (3) so angeordnet sind, daß ihr dem axialen Einlaß (10) zugewandtes vorderes Ende eine vorbestimmte Strecke stromab von der Schaufeleintrittskante (6) liegt.

2. Radialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hintere Ende der Stabilisatorschlitze (5) im Bereich der beginnenden Umlenkung von der axialen Zuströmung in die radiale Abströmung liegt.

3. Radialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufeln (3) vom axialen Einlaß (10) bis zum radialen Auslaß (11) erstreckte Hauptschaufeln (3a) und da zwischenliegende, erst hinter dem axialen Einlaß (10) begin nende, kürzere Zwischenschaufeln (3b) umfassen, und daß das hintere Ende der Stabilisatorschlitze (5) im Bereich des Be ginns der Zwischenschaufeln (3b) liegt.

4. Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisatorschlitze (5) jeweils ei nen sich in Strömungsrichtung gerade erstreckenden Boden (5b) aufweisen, welcher in etwa tangential zur angrenzenden äuße ren Kontur der Laufschaufeln (3) orientiert ist.

5. Radialverdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisatorschlitze (5) jeweils am hinteren Ende durch eine Hinterwand (5c) begrenzt sind, welche flacher ver läuft als die dortige Normale der inneren Gehäusekontur (4a) und mit dieser Normale einen spitzen Winkel (γ) einschließt.

6. Radialverdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hinterwand (5c) jeweils mit stetiger Tangente in den Boden (5b) übergeht.

7. Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisatorschlitze (5) jeweils ei nen sich in Strömungsrichtung gerade erstreckenden Boden (5b) aufweisen, welcher am hinteren Ende des Schlitzes keilförmig in die innere Gehäusekontur (4a) ausläuft.

8. Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisatorschlitze (5) an ihrem vorderen Ende jeweils von einer Vorderwand (5a) begrenzt sind, welche mit stetiger Tangente in einen sich in Strö mungsrichtung gerade erstreckenden Boden (5b) übergehen.

9. Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisatorschlitze (5) in Dreh richtung des Laufrades (2) geneigt angeordnet sind.