Mehrstufiger Radialverdichter Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Radial verdichter mit in Achsebene geteiltem Gehäuse und mit im Gehäuse angeordneten, den Strömungsweg des Arbeitsmittels zwischen dem Laufradaustritt einer Stufe und dem Laufradbintritt der nächstfolgenden Stufe mindestens teilweise begrenzenden Einsätzen.
Bisher bekannte Bauformen von Radialverdich- tern der geschilderten Art weisen in der Regel ent weder zusammen mit der entsprechenden Gehäuse hälfte gegossene Strömungskanäle für das über führen des Arbeitsmittels von einer Laufradstufe in die nachfolgende Stufe auf, oder diese Strömungs kanäle sind wenigstens teilweise durch im gegossenen Gehäuseteil angeordnete Einsätze gebildet,
die zu gleich auch Trennwände zwischen den einzelnen Stufen darstellen und als Ganzes auf einer Auflage fläche an der Innenseite des etwa zylindrischen Ge häusemantels in axialer Richtung abgestützt sind. Beide Ausführungsformen sind mit Nachteilen verbunden. ES sind dies einerseits giesstechnische Schwierigkei ten und anderseits solche strömungstechnischer und festigkeitsmässiger Natur. Bei vollständig mit strö mungsführenden Teilen und Trennwänden aus einem Stück gegossenen Gehäusehälften ist es häufig schwie rig, eine Verschiebung der benötigten komplizierten Kerne während des Giessvorganges zu verhindern.
Ferner lässt bei aus einem Stück mit den Strömungs kanälen gegossenen Gehäusehälften de Oberflächen beschaffenheit der die Kanäle begrenzenden Wände häufig zu wünschen übrig.
Für beide der eingangs erwähnten bekannten Ausführungsformen ergibt sich beim Übergang auf höhere Arbeitsdrücke - zum Beispiel 50 kg/cm2 als weitere Schwierigkeit, dass die Verwendung von Grauguss als Werkstoff für Gehäuse und Einsätze ausscheidet und aus Festigkeitsgründen anstelle von Grauruss Stahlguss tritt.
Die Giesseigenschaften von Stahlguss unterscheiden sich nun aber insofern un günstig von denjenigen von Grauguss, als der Stahl ein erheblich vermindertes Formfüllungsvermögen aufweist. Diese Eigenschaft verunmöglicht praktisch das Giessen dünner Rippen und feststehender Schau felpartien zusammen mit den dickeren Wandteilen des Gehäuses und der Trennwände aus einem Stück.
Die gleichen Verhältnisse liegen vor bei Verdichtern, bei welchen die zur Strömungsführung und zur druckhaltenden Trennung zweier aufeinanderfolgen der Stufen dienende Einsätze und Trennwände in das Gehäuse eingesetzt und als Ganzes auf der Gehäuse innenseite mit Hilfe einer Auflagefläche abgestützt sind.
Die erheblichen Druckkräfte, welche vom Ar beitsmittel bei höheren Arbeitsdrücken auf die ge nannten Einsatzteile ausgeübt werden, bedingen auch hier die Verwendung von Stahlguss. Dem steht jedoch wieder die Schwierigkeit entgegen, im Strömungsweg des Arbeitsmittels liegende Teile wie Diffusor- und Rückführschaufeln und Verstärkungsrippen aus Stahl guss möglichst dünn zu giessen.
Die Erfindung ermöglicht, die geschilderten Nach teile weitgehend auszuschalten. Die Erfindung ist ge kennzeichnet durch mit den Gehäusehälften ein Stück bildende, geteilte Zwischenböden zwischen je zwei aufeinanderfolgenden Stufen zur Abstützung von in axialer Richtung durch das Arbeitsmittel aus geübten Druckkräften.
Insbesondere ermöglicht die Erfindung, die zur Strömungsführung und zur druckhaltenden Trennung einzelner Druckstufen dienenden Einsatzteile weit gehend von Biegemomenten zu entlasten. Die vom Arbeitsmittel in axialer Richtung ausgeübten Druck kräfte wirken zu einem Teil direkt auf die mit den Gehäusehälften ein Stück bildenden Zwischenböden.
Zum anderen Teil wirken sie auf die Einsätze, wobei letztere dank ihrer Abstützung die auf die wirkenden Kräfte auf kürzestem Wege auf die Zwischenböden übertragen. Es ergibt sich somit eine weitgehende Trennung von tragender Struktur und strömungs führenden Teilen, womit letztere praktisch ohne Rück sichtnahme auf Festigkeit in strömungstechnisch günstiger Art ausgebildet werden können.
Die mit den Gehäusehälften ein Stück bildenden Zwischenböden können als im Gehäusemantel starr eingespannte Platten betrachtet werden. Es ergeben sich somit sehr einfache und leicht übersehbare Spannungsverhältnisse. Das Giessen der Gehäuse hälften zusammen mit den Zwischenböden aus einem Stück in Stahlguss bietet giesstechnisch keine Schwie rigkeiten. Die Zwischenböden können an ihrem Über gang in den Gehäusemantel eine beträchtliche Wand stärke aufweisen, was eine sehr günstige Übertragung der Kräfte vom Zwischenboden auf das Gehäuse erlaubt.
Die aus einem Stück mit dem Gehäuse bestehen den Zwischenböden können - wie erwähnt - vor teilhaft aus Stahlguss bestehen. Es wäre aber auch möglich, die Zwischenböden durch mit den Gehäuse hälften verschweisste halbringförmige Scheiben zu bilden.
Dank der geschilderten günstigen Spannungsver hältnisse kann für die Einsätze ein Werkstoff ver minderter Festigkeit gewählt werden. Insbesondere ermöglicht die Erfindung, für die Einsätze einen Giess werkstoff mit gutem Formfüllungsvermögen zu ver wenden, zum Beispiel Grauguss, Sphäroguss oder Leichtmetallguss. Schliesslich empfiehlt es sich, den Innendurchmesser der Zwischenböden kleiner als den grössten Durchmesser des benachbarten Laufrades zu wählen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein mehr stufiges Radialgebläse und Fig. 2 im Detail die An ordnung eines durch Schweissen mit dem Gehäuse verbundenen Zwischenbodens.
Der Verdichter ist in der horizontalen Achs ebene geteilt und besitzt die beiden Gehäusehälften 1 und 2, die aus Stahlguss hergestellt sind. Das Arbeits mittel tritt in das Gehäuse durch den in der Gehäuse hälfte 2 ausgebildeten Einlass 3 ein und wird durch den Eintrittskanal 4 in die Schaufelkanäle 5 der ersten, mit einem geschlossenen Laufrad ausgeführ ten Stufe umgelenkt. Anschliessend tritt das Arbeits mittel in den feststehenden Diffusoreinsatz 6, wo ein Teil der Geschwindigkeitsenergie in Druck umge wandelt wird. Der Diffusoreinsatz weist zur Strö mungsführung dienende Schaufeln 7 auf.
Dann strömt das Arbeitsmittel durch den Rückführkanal 8 nach innen, wird erneut umgelenkt und tritt in die Schau felkanäle 9 der zweiten, wiederum ein geschlossenes Laufrad aufweisenden Stufe ein. Die weitere Strö mungsführung in den nachfolgenden Stufen entspricht dem vorstehend geschilderten Strömungsverlauf. Das Arbeitsmittel verlässt den Verdichter durch den in den beiden Gehäusehälften ausgebildeten Auslass 10, der ein Ringraum oder auch ein Spiralraum sein kann.
Die Laufräder 11a, <I>b, c</I> und<I>d</I> sitzen auf der Welle 12, wobei zwischen den einzelnen Laufrädern Abstandsstücke 13 angeordnet sind. Die Welle 12 ist einerseits in dem Radiallager 14 gehalten, das in dem Lagergehäuse 15 abgestützt wird, und anderseits in dem Radiallager 16, das in dem Lagergehäuse 17 abgestützt ist. Zur Aufnahme der auf die Rotorbau- gruppe 11, 12 ausgeübten Schubkräfte ist im Lager gehäuse 17 ein Axiallager 18 angeordnet. Die Welle 12 ist über eine Kupplung 19 mit einer nicht gezeich neten Antriebsmaschine verbunden.
Der Innenraum des Verdichters ist mit Hilfe der Labyrinthdichtun- gen 20 und 21 abgedichtet.
Vor und hinter jeder Stufe sind in der Achs ebene geteilte Zwischenböden 24 angeordnet. Diese sind mit der entsprechenden Gehäusehälfte aus einem Stück in Stahlguss hergestellt. Die mittlere Dicke der Zwischenböden 24 ist etwa gleich derjenigen der Gehäusewand. Die Seitenwände der Zwischenböden begrenzen im Bereich ihres Überganges in die Ge- häuseinnenwand einen Teil der Rückführkanäle B.
Der übrige Teil der Rückführkanäle 8 wird von Ein sätzen 25 gebildet, die zusammen mit den Rückführ- schaufeln 26 und den Rippen 28 aus einem Stück in Grauguss hergestellt sind. Die Einsätze 25 sind einerseits in den am inneren Durchmesser der Zwi schenböden 24 vorhandenen Schultersitzen 29 in ra dialer und axialer Richtung gehalten.
Anderseits lie gen die Einsätze 25 im Bereich des Rückführkanals 8 auf einem Teil der der Eintrittsseite des Arbeitsmittels in den Verdichter zugekehrten Seitenfläche der Zwi schenböden 24 auf und können ferner gegebenenfalls über die Diffusoreinsätze 6 auf dem bezüglich Strö mungsrichtung des Arbeitsmittels vorangehenden Zwischenboden abgestützt sein. Die Diffusoreinsätze 6 sind in einer Ausnehmung des Einsatzes 25 zentriert.
Die Einsätze 25 bilden ferner zusammen mit der Deckscheibe des betreffenden Laufrades die Laby- rinthdichtung 31 und zusammen mit den Distanz stücken 13 eine weitere Labyrinthdichtung 32. Die Labyrinthdichtungen 31 und 32 dienen zur druck haltenden Trennung zweier Verdichterstufen.
Die Einsätze 25 besitzen Bohrungen 33 und 34. Diese dienen dazu, einen Ausgleich zwischen den an den betreffenden Stellen der Rückführkanäle 8 herr schenden Drücken und dem Druck in den durch die Bohrungen mit dem Rückführkanal verbundenen, dahinterliegenden Räumen herbeizuführen.
Für die zweite Stufe ergeben sich beispielsweise folgende Druckverhältnisse. Das Arbeitsmittel tritt mit einem Druck p1 in das Laufrad 11b ein, wird hier beschleunigt und gleichzeitig vom Druck p1 auf den Druck p2 am Laufradaustritt verdichtet. Im nach folgenden Diffusoreinsatz 6 erhöht sich der Druck des Arbeitsmittels unter Verminderung der Strö mungsgeschwindigkeit auf den Wert p3. Das Arbeits mittel strömt hierauf mit ungefähr gleichbleibendem Druck p3 durch den Rückführkanal 8 in das nach- folgende Laufrad 11c.
In den Räumen 37 und 38 herrscht etwa der Druck p2, da diese Räume durch die zwischen Laufscheibe beziehungsweise Deck scheibe und dem Diffusoreinsatz 6 vorhandenen Spalte mit dem Laufradaustritt in Verbindung stehen. Im Raum 39 herrscht etwa der Stufenenddruck p3, desgleichen im Raum 40 und im Rückführkanal B.
An derseits herrscht im Raum 41 der Druck p1. Die Ver hältnisse sind beispielsweise so eingerichtet, dass die Druckerhöhung vom Druck p1 auf den Druck p;, zu zwei Dritteln in den Schaufelkanälen des Laufrades 11 b und zum verbleibenden Drittel im Diffusorein- satz 6 erfolgt.
Unter dem Einfluss der geschilderten Arbeitsmitteldrücke ergeben sich auf die Seitenflächen des Zwischenbodens wirkende Druckkräfte, wobei diejenigen Druckkräfte, welche auf die dem Auslass 10 zugekehrte Seitenfläche wirken, grösser sind als die auf die andere Seitenfläche wirkenden Druckkräfte.
Weil im Raum 3 8 ein tieferer Druck herrscht als in dem zur dritten Verdichterstufe führenden Rückführ- kanal 8, ergibt sich ferner eine etwa in axialer Richtung auf den Einsatz 25 wirkende resultierende Druckkraft, die auf den zur dritten Stufe gehörenden Zwischen boden 24 übertragen wird. Die Zwischenböden 24 werden deshalb auf Biegung beansprucht.
Der Diffu- soreinsatz 6 und der Einsatz 25 sind dank der geschil derten Anordnung weitgehend von Biegemomenten entlastet und können - wie bereits erwähnt - ver hältnismässig dünnwandig aus Grauguss hergestellt sein. Ähnliche Verhältnisse finden sich auch in den übrigen Verdichterstufen. Anstelle von Grauguss könnte beispielsweise für die Einsätze 6 und 25 auch eine Leichtmetallegierung, zum Beispiel eine Alumi- nium-Silizium-Legierung, oder Sphäroguss benützt werden.
Die Erfindung ist nicht auf das geschilderte Aus führungsbeispiel beschränkt. Vielmehr könnten die Zwischenböden auch gemäss Fig.2 als halbringför mige Scheiben 45 ausgebildet sein, welche durch Schweissnähte 46 mit dem Gehäuse 47 verbunden sind und so mit letzterem ein Stück bilden. Hinsichtlich Entlastung der Einsätze günstige Verhältnisse ergeben sich in jedem Falle, wenn der Innendurchmesser der Zwischenböden kleiner als der grösste Durchmesser des benachbarten Laufrades ist.
Multistage radial compressor The invention relates to a multistage radial compressor with a housing divided in the axial plane and with inserts which at least partially limit the flow path of the working medium between the impeller outlet of one stage and the impeller inlet of the next stage.
Previously known designs of centrifugal compressors of the type described usually have ent neither flow channels cast together with the corresponding housing half for the transfer of the working medium from one impeller stage to the next stage, or these flow channels are at least partially through in the cast housing part arranged inserts formed,
which also represent partitions between the individual stages and are supported as a whole on a support surface on the inside of the approximately cylindrical Ge housing jacket in the axial direction. Both embodiments are associated with disadvantages. These are, on the one hand, technical casting difficulties and, on the other hand, those of a fluidic and strength-related nature. In the case of housing halves cast in one piece with flow-guiding parts and partitions, it is often difficult to prevent the complicated cores required from moving during the casting process.
Furthermore, when the housing halves are cast in one piece with the flow channels, the surface quality of the walls delimiting the channels often leaves something to be desired.
For both of the above-mentioned known embodiments, when switching to higher working pressures - for example 50 kg / cm2, another difficulty arises that the use of gray cast iron as a material for the housing and inserts is ruled out and instead of gray cast iron cast steel is used for reasons of strength.
The casting properties of cast steel differ unfavorably from those of gray cast iron insofar as the steel has a considerably reduced mold filling capacity. This property makes it practically impossible to cast thin ribs and fixed blade parts together with the thicker wall parts of the housing and the partitions in one piece.
The same conditions apply to compressors in which the inserts and partitions serving for flow guidance and pressure-maintaining separation of two successive stages are inserted into the housing and supported as a whole on the inside of the housing with the aid of a support surface.
The considerable compressive forces which are exerted by the work equipment at higher working pressures on the insert parts mentioned require the use of cast steel here too. Against this, however, there is the difficulty of casting parts such as diffuser and return blades and reinforcing ribs made of cast steel as thin as possible in the flow path of the working medium.
The invention makes it possible to largely eliminate the described after parts. The invention is characterized by one piece with the housing halves, divided intermediate floors between two successive stages to support pressure forces exerted in the axial direction by the working medium.
In particular, the invention makes it possible to largely relieve the insert parts serving for flow guidance and for the pressure-maintaining separation of individual pressure stages from bending moments. The pressure forces exerted by the working medium in the axial direction act in part directly on the intermediate floors that form one piece with the housing halves.
On the other hand, they act on the inserts, whereby the latter, thanks to their support, transmit the forces acting on the intermediate floors by the shortest possible route. This results in a substantial separation of the load-bearing structure and flow-guiding parts, so that the latter can be designed in a flow-technically favorable manner with practically no consideration of strength.
The intermediate floors that form one piece with the housing halves can be viewed as plates rigidly clamped in the housing jacket. This results in very simple and easily overlooked tension relationships. Casting the housing halves together with the intermediate shelves from one piece in cast steel does not present any difficulties in terms of casting technology. The intermediate floors can have a considerable wall thickness at their transition into the housing shell, which allows a very favorable transfer of forces from the intermediate floor to the housing.
The made of one piece with the housing the intermediate floors can - as mentioned - consist of cast steel before geous. But it would also be possible to form the intermediate floors by half-ring-shaped disks welded to the housing halves.
Thanks to the favorable stress conditions described, a material of reduced strength can be selected for the inserts. In particular, the invention enables a casting material with good mold filling capacity to be used for the inserts, for example gray cast iron, nodular cast iron or light metal cast. Finally, it is advisable to choose the inner diameter of the intermediate floors smaller than the largest diameter of the adjacent impeller.
An exemplary embodiment of the invention is shown in the drawing.
Fig. 1 shows a longitudinal section through a multi-stage radial fan and Fig. 2 shows in detail the arrangement of an intermediate floor connected by welding to the housing.
The compressor is divided in the horizontal axis plane and has the two housing halves 1 and 2, which are made of cast steel. The working medium enters the housing through the inlet 3 formed in the housing half 2 and is deflected through the inlet channel 4 into the blade channels 5 of the first stage, executed with a closed impeller. The working medium then enters the fixed diffuser insert 6, where part of the velocity energy is converted into pressure. The diffuser insert has blades 7 serving to guide the flow.
Then the working fluid flows inward through the return duct 8, is deflected again and enters the fel ducts 9 of the second stage, which in turn has a closed impeller. The further flow control in the following stages corresponds to the flow profile described above. The working medium leaves the compressor through the outlet 10 formed in the two housing halves, which can be an annular space or a spiral space.
The running wheels 11a, <I> b, c </I> and <I> d </I> sit on the shaft 12, spacers 13 being arranged between the individual running wheels. The shaft 12 is held on the one hand in the radial bearing 14, which is supported in the bearing housing 15, and on the other hand in the radial bearing 16, which is supported in the bearing housing 17. An axial bearing 18 is arranged in the bearing housing 17 to absorb the thrust forces exerted on the rotor assembly 11, 12. The shaft 12 is connected via a coupling 19 to a drive machine not signed.
The interior of the compressor is sealed with the help of the labyrinth seals 20 and 21.
In front of and behind each level, divided intermediate floors 24 are arranged in the axial plane. These are made from one piece in cast steel with the corresponding housing half. The mean thickness of the intermediate floors 24 is approximately equal to that of the housing wall. The side walls of the intermediate floors delimit part of the return channels B in the area of their transition into the inner wall of the housing.
The remaining part of the return channels 8 is formed by inserts 25 which, together with the return blades 26 and the ribs 28, are made from one piece in gray cast iron. The inserts 25 are held on the one hand in the existing on the inner diameter of the intermediate floors 24 shoulder seats 29 in ra dialer and axial direction.
On the other hand, the inserts 25 lie in the area of the return channel 8 on part of the side surface of the intermediate floors 24 facing the inlet side of the working medium in the compressor and can also be supported via the diffuser inserts 6 on the intermediate floor preceding the flow direction of the working medium. The diffuser inserts 6 are centered in a recess of the insert 25.
The inserts 25, together with the cover disk of the relevant impeller, also form the labyrinth seal 31 and, together with the spacers 13, form a further labyrinth seal 32. The labyrinth seals 31 and 32 serve to separate two compressor stages with pressure.
The inserts 25 have bores 33 and 34. These serve to compensate for the pressures prevailing at the relevant points of the return ducts 8 and the pressure in the spaces behind them connected to the return duct through the bores.
For example, the following pressure ratios result for the second stage. The working medium enters the impeller 11b at a pressure p1, is accelerated here and at the same time compressed from pressure p1 to pressure p2 at the impeller outlet. In the following diffuser insert 6, the pressure of the working fluid increases while reducing the flow velocity to the value p3. The working medium then flows at an approximately constant pressure p3 through the return duct 8 into the following impeller 11c.
In the spaces 37 and 38 there is approximately the pressure p2, since these spaces are connected to the impeller outlet through the gap between the rotor disk or cover disk and the diffuser insert 6. The final stage pressure p3 prevails in room 39, as does room 40 and return duct B.
On the other hand, the pressure p1 prevails in space 41. The conditions are set up, for example, so that two thirds of the pressure increase from pressure p1 to pressure p 1 takes place in the blade channels of the impeller 11 b and the remaining third in the diffuser insert 6.
Under the influence of the working medium pressures described, pressure forces acting on the side surfaces of the intermediate floor result, those pressure forces acting on the side surface facing the outlet 10 being greater than the pressure forces acting on the other side surface.
Because the pressure in space 38 is lower than in the return duct 8 leading to the third compressor stage, there is also a resulting compressive force acting approximately in the axial direction on the insert 25, which is transmitted to the intermediate floor 24 belonging to the third stage. The intermediate floors 24 are therefore subjected to bending.
The diffuser insert 6 and the insert 25 are largely relieved of bending moments thanks to the shielded arrangement and can - as already mentioned - be made relatively thin-walled from gray cast iron. Similar conditions can also be found in the other compressor stages. Instead of gray cast iron, for example, a light metal alloy, for example an aluminum-silicon alloy, or nodular cast iron could also be used for the inserts 6 and 25.
The invention is not limited to the exemplary embodiment described. Rather, the intermediate floors could also be designed as half-ring-shaped disks 45 according to FIG. 2, which are connected to the housing 47 by weld seams 46 and thus form one piece with the latter. With regard to the relief of the inserts, favorable conditions arise in each case when the inner diameter of the intermediate floors is smaller than the largest diameter of the adjacent impeller.