BE1017069A3 - Verbeterde turbocompressor met leischoepen. - Google Patents

Abstract

Verbeterde turbocompressor die in hoofdzaak bestaat uit een rotor (2) die verdraaibaar is aangebracht in een behuizing (3) met een inlaatvormend gedeelte (8) dat zich hoofdzakelijk in axiale richting (X-X') van de rotor (2) uitstrekt, daardoor gekenmerkt dat langs de omtrek van het inlaatvormend gedeelte (8) van de behuizing (3) één of meer afsluitbare bypassdoorgangen (10) zijn voorzien waarlangs de turbocompressor (1), in aanvulling van de hoofdstroom (Q), een zijdelingse gasstroom (P) kan aanzuigen en dat in deze bypassdoorgang (10) leischoepen (11) zijn voorzien die de zijdelingse gasstroom (P) doorheen deze bypassdoorgang (10) afbuigen in een stroming met een tangentiële component (PT).

Description

Verbeterde turbocompressor met leischoepen.

De huidige uitvinding heeft betrekking op een verbeterde turbocompressor met leischoepen.

Zoals bekend bestaat een turbocompressor uit een rotor met schoepen die roteerbaar is aangebracht in een behuizing met een axiale inlaat en, naargelang het type van turbocompressor, een axiale of radiale uitlaat.

Wanneer de rotor wordt aangedreven, wordt door de compressor lucht of een ander gas via de inlaat axiaal aangezogen en via de uitlaat weg geperst.

Het gas wordt hierbij samengedrukt door het evenwicht in centrifugaalkrachten en door omzetting van kinetische energie naar druk.

Een bekend probleem bij turbocompressoren is dat bij een laag debiet de compressie te leiden heeft onder het zogenaamde fenomeen van "pompen" of "surge", waarbij de luchtstroming van de schoepen loskomt en dus niet meer goed afdoende wordt geleid, hetgeen zeer nadelig is voor het rendement en voor de compressieverhouding van de turbocompressor en hetgeen een onstabiele abnormale stroming met zich meebrengt die de machine kan beschadigen.

Er bestaan reeds diverse oplossingen die er voornamelijk in bestaan in de inlaat van de turbocompressor een concentrische gordel van leischoepen te plaatsen die de luchtstroming in de inlaat ombuigen van de axiale richting weg en daarbij een tangentiële werveling veroorzaken van de gasstroming rond de meetkundige as van de rotor en aldus aan de stroming een tangentiële snelheidscomponent meegeven.

Deze inlaatleischoepen hebben voornamelijk een stabiliserende invloed van de gasstroming bij lage debieten, wat een gunstige invloed heeft op het rendement van de turbocompressor, aangezien deze anders in "surge" condities zou kunnen blijven draaien.

Bij grote debieten hebben deze leischoepen echter een ongunstige invloed op de stroming.

Vandaar dat zulke inlaatleischoepen doorgaans verstelbaar zijn, waarbij de stand van deze schoepen gewijzigd kan worden in functie van het debiet, om aldus de afbuiging van de stroming in de inlaat te kunnen aanpassen naargelang het debiet.

Zulke verstelbare inlaatleischoepen zijn bijvoorbeeld bekend uit het EP 0.761.981.

Uit het EP 0.083.199 is een toepassing bekend van een turbocompressor waarbij leischoepen in de inlaat zijn voorzien die uit de gasstroming kunnen worden teruggetrokken.

Een nadeel van zulke verstelbare of terugtrekbare inlaatleischoepen is dat het verstelmechanisme doorgaans relatief complex is en de compressor daardoor duurder wordt.

Bovendien brengt zulk verstelmechanisme onvermijdelijk bijkomende beweegbare onderdelen met zich mee, waardoor de kans op stilstanden ten gevolge van pannes toeneemt.

Nog een nadeel is dat zulke verstelmechanismen de omvang en het gewicht van de turbocompressor aanzienlijk doen toenemen hetgeen nadelig kan zijn, bijvoorbeeld voor het gebruik in vliegtuigen, maar ook op gebied van stockage en transport.

Nog een nadeel van de bekende compressoren met verstelbare of terugtrekbare leischoepen is dat, in het geval de compressor wordt gebruikt voor het comprimeren van een gezuiverd gas, een waardevol gas of van een giftig procesgas en/of bij een inlaatdruk die niet dezelfde is als de omgevingsdruk, een afdichting voorzien moet worden ter plaatse van de beweegbare leischoepen om een lek tussen het gas en de omgeving te vermijden.

De huidige uitvinding heeft tot doel aan de voornoemde en andere nadelen een oplossing te bieden.

Hiertoe betreft de uitvinding een verbeterde turbocompressor die in hoofdzaak bestaat uit een rotor die verdraaibaar is aangebracht in een behuizing met een inlaatvormend gedeelte dat zich in axiale richting van de rotor uitstrekt, waarbij langs de omtrek van het inlaatvormend gedeelte van de behuizing één of meer afsluitbare bypassdoorgangen zijn voorzien waarlangs de turbocompressor, in aanvulling van de hoofdstroom, een zijdelingse gasstroom kan aanzuigen en dat in deze doorgang leischoepen zijn voorzien die de zijdelingse gasstroom doorheen deze bypassdoorgang afbuigen in een stroming met een tangentiële component.

Wanneer de compressor in werking is, zal door het aandrijven van de rotor een axiale hoofdstroom worden aangezogen via de axiale inlaat en een zijdelingse gasstroom met een tangentiële component via de voornoemde bypass doorgang of doorgangen.

De vermenging van beide gasstromen in de inlaat resulteert in een wervelbeweging van de mengstroom bij het bereiken van de rotor.

Dit resulteert op zich in het verbeteren van de prestaties van de turbocompressor bij een laag debiet zonder dat de prestaties bij een hoog debiet noemenswaardig worden beïnvloed.

Een bijkomend voordeel is het feit dat de leischoepen slechts de zijdelingse gasstroom ombuigen, waardoor minder wrijvingsverliezen optreden dan bij de bekende toepassingen waar hoofdzakelijk de volledige hoofdstroom moet worden omgebogen.

Nog een voordeel van de uitvinding is dat de wervelbeweging, veroorzaakt door de menging van de hoofdstroom en van de zijdelingse gasstroom, zich voornamelijk voordoet aan de buitenomtrek van de inlaat 4, dus aan de buitenomtrek van de schoepen van de rotor, waar het gevaar voor het optreden van het pompen het grootst is, dit in tegenstelling tot de bekende toepassingen waar de invloed van de leischoepen zich voordoet over de volledige hoogte van de schoepen van de rotor.

Nog een ander voordeel is dat de leischoepen zich volledig in de inlaat bevinden zonder verbinding met de omgeving, waardoor er ook geen gevaar bestaat van gaslekken van of naar de omgeving, hetgeen belangrijk is bij toepassing van gezuiverde gassen, giftige gassen of dergelijke.

Bij voorkeur is de bypassdoorgang afsluitbaar zodat de invloed van de leischoepen kan uitgeschakeld worden, bijvoorbeeld wanneer een groot debiet samengeperst gas is vereist, zodat er op dat ogenblik ook geen wrijvingsverliezen door de leischoepen worden veroorzaakt, dit in tegenstelling tot klassieke systemen, waar de gasstroom steeds over de leischoepen wordt geleid.

Volgens een voorkeurdragende uitvoeringsvorm wordt voor het afsluiten van de bypassdoorgang een buis of ring toegepast die in axiale richting verschuifbaar is aangebracht op het inlaatvormend gedeelte van de behuizing en die over de bypassdoorgang geschoven kan worden.

Zulke buis of ring kan zeer licht worden uitgevoerd en heeft het voordeel weinig ruimte in beslag te nemen en kan op eenvoudige manier worden bediend.

Bovendien kan zulke afsluitring instelbaar worden gemaakt om de bypassdoorgang meer of minder af te sluiten, waardoor de invloed van de leischoepen op zeer eenvoudige wijze kan worden gewijzigd.

Om dezelfde reden kunnen de leischoepen bijvoorbeeld roteerbaar zijn rond hun lengteas om aldus de instelhoek van de leischoepen te kunnen instellen.

Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, is hierna, als voorbeeld zonder enig beperkend karakter, een voorkeurdragende uitvoeringsvorm beschreven van een verbeterde turbocompressor met leischoepen volgens de uitvinding, met verwijzing naar de bijgaande tekeningen, waarin: figuur 1 schematisch en in doorsnede een verbeterde turbocompressor volgens de uitvinding weergeeft; figuur 2 op grotere schaal het gedeelte weergeeft dat in figuur 1 met F2 is aangeduid; figuur 3 een doorsnede weergeeft volgens lijn III-III in figuur 1, doch op grotere schaal; figuur 4 op nog grotere schaal het gedeelte weergeeft dat in figuur 3 door F4 is aangeduid; figuur 5 de doorsnede van figuur 3 weergeeft, doch voor een andere stand.

De in de figuren weergegeven turbocompressor 1 volgens de uitvinding bestaat in hoofdzaak uit een rotor 2 die verdraaibaar is aangebracht in een behuizing 3 met een inlaat 4 en een uitlaat 5.

De rotor 2 is voorzien van een aandrijfas 6 die de rotor 2 aandrijft rond een meetkundige as X-X' en is voorzien van schoepen 7.

De inlaat wordt in dit geval gevormd door een hoofdzakelijk buisvormig gedeelte 8 van de behuizing 3 dat zich hoofdzakelijk volgens de axiale richting X-X' en concentrisch ermee uitstrekt vóór de rotor 2.

Het inlaatvormend gedeelte 8 is aan zijn vrije uiteinde voorzien van een naar binnen toelopende afronding 9 voor de goede geleiding van de gasstroom die, wanneer de turbocompressor in werking is, via de inlaat 4 wordt aangezogen, zoals weergegeven met de pijlen Q.

In een cilindrisch gedeelte van het inlaatvormend gedeelte 8 van de behuizing is over de omtrek van dit gedeelte 8 een radiale bypassdoorgang 10 voorzien die zich, zoals weergegeven in figuur 2, hoofdzakelijk over een breedte A in axiale richting X-X' uitstrekt.

De voornoemde bypassdoorgang 10 bevindt zich in axiale richting X-X' op een afstand B van de rotor 2 van de turbocompressor 1.

Bij het aandrijven van de rotor 2 wordt, naast de hoofdstroom Q, ook een zijdelingse bypass gasstroom via de bypassdoorgang 10 aangezogen zoals weergegeven met de pijlen P.

In de bypassdoorgang 10 is een krans van leischoepen 11 aangebracht die op regelmatige, onderlinge afstanden langs de omtrek van de schoepenkrans zijn verdeeld en die de zijdelingse gasstroom P afbuigen, zoals weergegeven in figuur 3.

De leischoepen 11 kunnen in een meest algemene vorm een geprofileerde dikte hebben die bijvoorbeeld afneemt vanaf de aanvalsboord naar de vluchtboord of die, in het bijzonder geval van de figuren, ook kunnen zijn uitgevoerd als profielen in de vorm van relatief dunne lamellen met een constante, of nagenoeg constante, dikte die zich in axiale richting X-X' uitstrekken over de volledige breedte Δ van de voornoemde bypassdoorgang 10 en die bevestigd zijn tussen de randen 12 van de doorgang 10.

In dwarsdoorsnede gezien zijn de leischoepen 11 gebogen uitgevoerd, waarbij de richting van de raaklijn aan het gebogen profiel van de leischoepen 11 overgaat van een hoofdzakelijk radiale richting 13 ter hoogte van de buitenomtrek 14 van de schoepenkrans naar een richting 15 die ter hoogte van de binnenomtrek 16 van de schoepenkrans een hoek D van bijvoorbeeld 70 graden insluit met de radiale richting 13, zoals weergegeven in figuur 4.

De dwarsdoorsnede van de leischoepen 11 kan daarbij bijvoorbeeld geprofileerd zijn als een cirkelsegment.

De bypassdoorgang 10 met leischoepen 11 is afsluitbaar door middel van een buisvormige ring 17 die in axiale richting X-X' verschuifbaar is aangebracht op een cilindrisch gedeelte van de buitenomtrek of alternatief van de binnenomtrek van het inlaatvormend gedeelte 8 van de behuizing 3.

De behuizing 3 is verder uitgevoerd met een inlaatbuis 18 waarmee de turbocompressor 1 kan worden aangesloten op een niet weergegeven aanvoerleiding voor het samen te persen gas.

De inlaatbuis 18 is concentrisch aangebracht rond het inlaatvormend gedeelte 8 van de behuizing 3 op een radiale afstand E van dit gedeelte 8.

De werking van de inrichting 1 is zeer eenvoudig en als volgt.

Wanneer de turbocompressor 1 in werking is, wordt door het aandrijven van de rotor 2 een axiale hoofdstroom Q van een gas aangezogen via de axiale inlaat 4 en een zijdelingse gasstroom P via de doorgang 10.

Door de afbuiging van de zijdelingse gasstroom P bezit deze gasstroom, bij het binnenstromen in de inlaat 4, een radiale component PR en een tangentiële component PT, zoals weergegeven in figuur 4.

Door het vermengen van beide stromen P en Q wordt, dankzij de tangentiële component PT van de gasstroom P een globale mengtroming bekomen die bij het bereiken van de rotor 2 als het ware een wervelende beweging vertoont rond de as X-X' , zoals weergegeven met de pijlen P+Q, waardoor het loskomen van de gasstroming van de schoepen 7 van de rotor 2 wordt vermeden bij lage waarden van het globaal debiet van beide gasstromen P en Q.

Aldus wordt door toepassing van de leischoepen 11 volgens de uitvinding het werkingsdomein van de turbocompressor 1 uitgebreid naar lagere debieten.

De invloed van de zijdelingse gasstroom P op de wervelbeweging van de globale mengstroom P+Q is vooral voelbaar aan de buitenomtrek van de inlaat 4.

Dit is een bijkomend gunstig effect van de uitvinding aangezien het fenomeen van het loskomen van de stroming op de schoepen 7 zich vooral voordoet aan de buitenomtrek van deze schoepen 7.

Bij hogere debieten is het gevaar voor pompen door het loskomen van de gasstroming van de schoepen 7 van de rotor 2 minder uitgesproken, waardoor, bij deze hogere debieten, de invloed van de leischoepen 11 uitgeschakeld mag worden door de bypassdoorgang 10 af te sluiten door, zoals weergegeven in figuur 5, de ring 17 voor deze doorgang 10 te schuiven, zodat op dat ogenblik er geen zijdelingse gasstroom door de doorgang 10 meer wordt aangezogen.

Het is duidelijk dat men op het effect van de zijdelingse gasstroom kan inspelen door de doorgang 10 slechts gedeeltelijk af te sluiten.

Een continue regeling van de doorgang 10 kan bijvoorbeeld worden verkregen door rond deze doorgang twee concentrisch ten opzichte van elkaar verdraaibare ringen aan te brengen, waarbij in deze ringen openingen zijn voorzien die door de onderlinge verdraaiing van deze ringen meer of minder worden afgesloten.

Andere mechanismen voor het afsluiten van de doorgang 10 zijn niet uitgesloten.

Het spreekt voor zich dat het voornoemde kanaal 19 en de voornoemde doorgang 10 een meer aërodynamisch geleidende vorm kunnen vertonen dan weergegeven in de figuren.

Overigens kan het voorkomen dat niet één enkele cirkelvormige doorgang 10 wordt toegepast maar meerdere doorgangen die langs de omtrek verspreid liggen.

Ook de vorm van het inlaatvormend gedeelte 8 van de behuizing hoeft niet noodzakelijk cilindrisch te zijn, maar kan bijvoorbeeld trechtervormig zijn uitgevoerd.

Ook de leischoepen 11 kunnen allerhande vormen aannemen en zijn niet noodzakelijk uitgevoerd als rechte profielen, maar kunnen ook de vorm aannemen van getorste profielen of complexere profielen waarvan de vorm van de dwarsdoorsnede varieert in de lengterichting.

De leischoepen 11 hoeven ook niet noodzakelijk een constante dikte te vertonen maar kunnen bijvoorbeeld dikker zijn uitgevoerd aan de aanvalsboord dan aan de vluchtboord.

Bovendien kunnen de leischoepen 11 roteerbaar zijn rond een as volgens hun lengterichting om de invalshoek van de leischoepen 11 te kunnen instellen.

Voor toepassingen in het domein van samengeperste lucht, waarbij de turbocompressorlucht rechtstreeks vanuit de omgeving aanzuigt, kan de inlaatbuis 18 eventueel achterwege gelaten worden zodat dan, zowel de axiale stroming Q, als de bypass stroming P rechtstreeks worden aangezogen vanuit de omgeving.

De uitvinding is van toepassing op alle types van turbocompressoren dus, zowel op de axiale, als op de radiale turbocompressoren.

De huidige uitvinding is geenszins beperkt tot de als voorbeeld beschreven en in de figuren weergegeven uitvoeringsvorm, doch een verbeterde turbocompressor met leischoepen volgens de uitvinding kan in allerlei vormen en afmetingen worden verwezenlijkt zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.

Claims (13)

1. Verbeterde turbocompressor die in hoofdzaak bestaat uit een rotor (2) die verdraaibaar is aangebracht in een behuizing (3) met een inlaatvormend gedeelte (8) dat zich hoofdzakelijk in axiale richting (X-X') van de rotor (2) uitstrekt, daardoor gekenmerkt dat langs de omtrek van het inlaatvormend gedeelte (8) van de behuizing (3) één of meer afsluitbare bypassdoorgangen (10) zijn voorzien waarlangs de turbocompressor (1), in aanvulling van de hoofdstroom (Q), een zijdelingse gasstroom (P) kan aanzuigen en dat in deze doorgang (10) leischoepen (11) zijn voorzien die de zijdelingse gasstroom (P) doorheen deze bypassdoorgang (10) afbuigen in een stroming met een tangentiële component (PT).

2. Verbeterde turbocompressor volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de voornoemde bypassdoorgang (10) zich hoofdzakelijk over de volledige omtrek van het inlaatvormend gedeelte (8) van de behuizing (3) uitstrekt.

3. Verbeterde turbocompressor volgens conclusie 1 of 2, daardoor gekenmerkt dat de voornoemde bypassdoorgang (10) zich hoofdzakelijk over een breedte (A) in axiale richting (X-X') uitstrekt.

4. Verbeterde turbocompressor volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de voornoemde bypassdoorgang (10) zich in axiale richting (X- X') op een afstand (B) bevindt van de rotor (2) van de turbocompressor (1) .

5. Verbeterde turbocompressor volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de leischoepen (11) profielen zijn die zich hoofdzakelijk in axiale richting (X-X') uitstrekken over de volledige breedte (Δ) van de voornoemde doorgang (10).

6. Verbeterde turbocompressor volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de leischoepen (11) een krans vormen met schoepen die op regelmatige onderlinge afstanden langs de omtrek (13-14) van de schoepenkrans zijn verdeeld.

7. Verbeterde turbocompressor volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de leischoepen (11) in dwarsdoorsnede gezien gebogen zijn.

8. Verbeterde turbocompressor volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat in dwarsdoorsnede gezien de raaklijn (13) aan het gebogen profiel van de leischoepen (11) ter hoogte van de buitenomtrek (14) van de schoepenkrans hoofdzakelijk radiaal is gericht.

9. Verbeterde turbocompressor volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat in dwarsdoorsnede gezien de raaklijn (15) aan het gebogen profiel van de leischoepen (11) ter hoogte van de binnenomtrek (16) van de schoepenkrans hoofdzakelijk is gericht volgens een richting die een hoek (D) insluit met de radiale richting.

10. Verbeterde turbocompressor volgens conclusie 9, daardoor gekenmerkt dat de voornoemde hoek (D) van de orde van grootte van 70 graden is.

11. Verbeterde turbocompressor volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de leischoepen (11) een constante of nagenoeg constante dikte (C) hebben.

12. Verbeterde turbocompressor volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de bypassdoorgang (10) afsluitbaar is door middel van een ring (17) die in axiale richting verschuifbaar is aangebracht op het inlaatvormend gedeelte (8) van de behuizing (3).

13. Verbeterde turbocompressor volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de behuizing (3) een inlaatbuis (18) bevat die rond het inlaatvormend gedeelte (8) van de behuizing (3) is aangebracht op een radiale (E) afstand ervan.