CH663447A5

CH663447A5 - TURBO MACHINE WITH AT LEAST ONE RADIAL FLOWED WHEEL.

Info

Publication number: CH663447A5
Application number: CH2404/84A
Authority: CH
Inventors: Klaus Goldberg
Original assignee: Escher Wyss Ag
Priority date: 1984-05-16
Filing date: 1984-05-16
Publication date: 1987-12-15
Also published as: DE3424925C1; JPH0324561B2; JPS60256504A

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine mit wenigstens einem radial durchströmten Laufrad und wenigstens einem ringförmigen, wenigstens eine Begrenzungsscheibe und Leitschaufeln aufweisenden Diffusor. The invention relates to a turbomachine having at least one impeller with a radial flow and at least one annular diffuser having at least one limiting disk and guide vanes.

Solche Turbomaschinen werden beispielsweise als Kompressoren, Pumpen oder Turbinen verwendet und sind beispielsweise aus US 3 795 458, US 3 892 499 oder US 3 927 763 bekannt. Dabei dienen die die Laufräder umgebenden Diffu-soren und deren Leitschaufeln der Umwandlung der Strömungsenergie am Austritt des Laufrades in Druck mit möglichst geringem Verlust. Such turbomachines are used, for example, as compressors, pumps or turbines and are known, for example, from US Pat. No. 3,795,458, US Pat. No. 3,892,499 or US Pat. No. 3,927,763. The diffusers surrounding the impellers and their guide vanes serve to convert the flow energy at the outlet of the impeller into pressure with as little loss as possible.

Die Diffusoren bestehen dabei aus einer oder zwei Begrenzungsscheiben, die die Strömung umlenkenden Leitschaufeln tragen. Aus Gründen der leichteren Herstellbarkeit und Montage werden dabei vorzugsweise überhängende Leitschaufeln verwendet, die nur mit einem Ende an einer der Begrenzungsscheiben befestigt sind, während das freie Ende an der gegenüberliegenden Begrenzungsscheibe oder direkt am Gehäuse anliegt. Die Leitschaufeln wurden dabei bisher entweder an die Begrenzungsscheibe angeschweisst, genietet, angeschraubt oder aus dem Vollen gefräst. Da die Leitschaufeln im Betrieb jedoch einer beträchtlichen Schwingungsanregung durch vorhandene Strömungsinstabilitäten ausgesetzt sind, besteht die Gefahr einer Überbeanspruchung durch Resonanzschwingungen. Dadurch besteht die Gefahr von Materialrissen, welche in der Regel von den Stellen der grös-sten Biegebeanspruchung, den Schweissstellen, oder der Einspannstelle auftreten. Bei einer Schweissung der Leitschaufelenden besteht ausserdem eine gewisse Unsicherheit bezüglich des Materialgefüges und der Festigkeit an den Schweissstellen. The diffusers consist of one or two limiting disks that carry guide vanes that divert the flow. For reasons of easier manufacture and assembly, overhanging guide vanes are preferably used, which are only attached to one of the boundary disks with one end, while the free end rests on the opposite boundary disk or directly on the housing. Up to now, the guide vanes have either been welded to the limiting disk, riveted, screwed on or milled from solid. However, since the guide vanes are exposed to considerable vibration excitation from existing flow instabilities during operation, there is a risk of being overstressed by resonance vibrations. As a result, there is a risk of material cracks, which usually occur from the points of greatest bending stress, the welding points, or the clamping point. When the guide blade ends are welded, there is also a certain degree of uncertainty with regard to the material structure and the strength at the weld points.

Es wurde bereits versucht, diese Schwierigkeiten dadurch zu umgehen, dass die Begrenzungsscheibe mit den Leitschaufeln aus vollem Material gefräst wurde. Eine solche Art der Herstellung ist jedoch äusserst bearbeitungsintensiv. Zudem werden dadurch Eigenschwingungen der Leitschaufeln nicht vermieden. Attempts have been made to circumvent these difficulties by milling the limiting disk with solid guide vanes. However, such a type of production is extremely labor-intensive. In addition, natural vibrations of the guide vanes are not avoided as a result.

Die Erfindung setzt sich die Aufgabe, bei Turbomaschinen der eingangs angegebenen Art die vorstehend beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und insbesondere bei solchen Turbomaschinen einen mechanisch und geometrisch einwandfreie und kostengünstige Leitschaufel-Befestigung zu schaffen, bei der die Gefahr von Materialschäden vermindert ist und eine Schwingung durch hohe Dämpfung weitgehend vermieden wird, und die eine grössere Auswahl von Materialpaarungen zulässt. The invention sets itself the task of eliminating the disadvantages of the prior art described above in turbomachines of the type specified and, in particular in such turbomachines, to provide a mechanically and geometrically flawless and inexpensive guide vane fastening in which the risk of material damage is reduced and a vibration is largely avoided by high damping, and which allows a larger selection of material pairings.

Erf indungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die bzw. eine der ringförmigen Begrenzungsscheiben Nuten aufweist, die etwas grössere Abmessungen besitzen als die einen Enden der Leitschaufeln und dass diese Enden der Leitschaufeln in die Nuten mit einem vorgegebenen Spiel begrenzt beweglich eingesetzt sind. According to the invention, this object is achieved in that the or one of the annular limiting disks has grooves that have somewhat larger dimensions than the one ends of the guide vanes and that these ends of the guide vanes are inserted into the grooves with a predetermined play with limited movement.

Dabei kann vorteilhafterweise die Leitschaufel mit einem Montagestift derart gesichert sein, dass noch ein hinreichendes Spiel und eine ausreichende Beweglichkeit gewährleistet ist. Auch kann die Befestigung durch Kleben der Leitschaufel in die Nut mit einem elastischen Klebstoff erfolgen, wobei ebenfalls eine genügende Beweglichkeit erreicht wird. In this case, the guide vane can advantageously be secured with a mounting pin in such a way that sufficient play and sufficient mobility are still ensured. The attachment can also be done by gluing the guide vane into the groove with an elastic adhesive, whereby sufficient mobility is also achieved.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass die lose in die Nuten hineingesteckten und in eine'm gewissen Masse beweglichen Leitschaufeln wegen der Undefinierten Beweglichkeit und damit besseren Dämpfung nicht zu Eigenschwingungen angeregt werden und daher eine deutlich bessere Festigkeit im praktischen Betrieb der Turbomaschine aufweisen als fest und unbeweglich mit einer Begrenzungsscheibe verbundene Leitschaufeln, beispielsweise ange-schweisste oder angeschraubte Leitschaufeln. The invention is based on the finding that the guide vanes which are loosely inserted into the grooves and movable to a certain extent are not excited to vibrate due to the undefined mobility and thus better damping and therefore have a significantly better strength in practical operation of the turbomachine as fixed and immovable guide vanes, for example welded or screwed guide vanes.

Die Erfindung wird anhand der in den Figuren wiedergegebenen Ausführungsbeispiele näher beschrieben. The invention is described in more detail using the exemplary embodiments shown in the figures.

Figur 1 zeigt einen Radial-Kompressor im Schnitt. Figure 1 shows a radial compressor in section.

Figur 2 zeigt eine Begrenzungsscheibe eines Diffusors in der Aufsicht. FIG. 2 shows a boundary disk of a diffuser in a top view.

Figur 3 zeigt die Randpartie eines Diffusors im Schnitt. Figure 3 shows the edge part of a diffuser in section.

Bei dem in Figur 1 wiedergegebenen Radial-Kompressor ist in einem Gehäuse 1 ein Rotor angeordnet, welcher eine Welle 2 aufweist, die an zwei Seiten mit Lagern 3 gelagert ist. Die Welle 2 trägt axial hintereinander drei Laufräder 5,6 und 7, die mit Laufschaufeln 8,9,10 versehen sind, die die geförderte Luft oder das zu komprimierende Gas von der Laufradachse radial nach aussen transportieren. Die Breite der Laufräder nimmt dabei entsprechend dem Kompressionsgrad sukzessive ab. In Radialrichtung an den Umfang der Laufräder 5,6 und 7 anschliessend sind im Gehäuse ortsfeste, ringförmig ausgebildete Diffusoren 11,12 und 13 vorgesehen. Diese Diffusoren bestehen aus ringscheibenförmigen Seitenwänden 14 und 15, zwischen denen Leitschaufeln 16 vorgesehen sind. In the radial compressor shown in FIG. 1, a rotor is arranged in a housing 1, which has a shaft 2, which is mounted on two sides with bearings 3. The shaft 2 carries three impellers 5, 6 and 7 axially one behind the other, which are provided with blades 8, 9, 10, which transport the conveyed air or the gas to be compressed radially outward from the impeller axis. The width of the impellers gradually decreases according to the degree of compression. In the radial direction on the circumference of the impellers 5, 6 and 7, fixed, ring-shaped diffusers 11, 12 and 13 are provided in the housing. These diffusers consist of annular disk-shaped side walls 14 and 15, between which guide vanes 16 are provided.

Zwischen dem ersten Diffusor 11 und dem Eingang des zweiten Laufrades 6 ist im dargestellten Beispiel eine Kühleinrichtung 17 vorgesehen und zwischen dem Ausgang des zweiten Diffusors 12 und dem Eingang des dritten Laufrades 7 eine weitere Kühleinrichtung 18. Solche Kühleinrichtungen sind zweckmässig bei isothermem Betrieb, bei welchem die Temperatur des geförderten Fluids möglichst konstant gehalten und die durch die Kompression erzeugte Wärme abgeführt werden soll. Falls kein isothermer Betrieb In the example shown, a cooling device 17 is provided between the first diffuser 11 and the input of the second impeller 6 and a further cooling device 18 is provided between the output of the second diffuser 12 and the input of the third impeller 7. Such cooling devices are useful in isothermal operation, in which the temperature of the delivered fluid should be kept as constant as possible and the heat generated by the compression should be dissipated. If not isothermal operation

2 2nd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

663 447 663 447

vorgesehen ist, kann auf diese Kühleinrichtungen 17 und 18 verzichtet werden und das geförderte Fluid von den einzelnen Diffusoren direkt in den Eingang des nächsten Laufrades geleitet werden. is provided, these cooling devices 17 and 18 can be dispensed with and the conveyed fluid can be conducted from the individual diffusers directly into the entrance of the next impeller.

Beim Betrieb des Kompressors wird also das zu fördernde Fluid oder das zu komprimierende Gas durch die Ansaugöffnung 19 angesaugt, über mittels einer VerStelleinrichtung 20 verstellbare Eingangsschaufeln 21 in den an der Achse liegenden Eingang des ersten Laufrades 5 geleitet, von dessen Laufschaufeln 8 in radialer Richtung nach aussen in den Diffusor 11 transportiert, und von hier über die Kühleinrichtung 17 zur Achse zurück in den Eingang des nächstfolgenden Laufrades 6 geleitet. Vom zweiten Laufrad gelangt das Fluid dann über den Diffusor 12 radial nach aussen in die zweite Kühleinrichtung 18, und von hier wieder in axialer Richtung in den Eingang des dritten Laufrades 7, welches es durch den dritten Diffusor 13 verlässt und von hier in die spiralförmige Austrittsöffnung 22 gelangt. During operation of the compressor, the fluid to be pumped or the gas to be compressed is therefore sucked in through the suction opening 19, via input blades 21 which can be adjusted by means of an adjusting device 20, into the input of the first impeller 5, which is located on the axis, and from whose blades 8 in the radial direction transported to the outside in the diffuser 11, and from there via the cooling device 17 to the axis back into the input of the next impeller 6. From the second impeller, the fluid then passes radially outward through the diffuser 12 into the second cooling device 18, and from here again axially into the entrance of the third impeller 7, which it leaves through the third diffuser 13 and from here into the spiral outlet opening 22 arrives.

Figur 2 zeigt die eine Begrenzungsscheibe 14 eines Diffusors, welche die Leitschaufeln 16 trägt in der Aufsicht. Die Begrenzungsscheibe 14 weist für jede Leitschaufel 16 eine Nut 23 auf, deren Abmessungen etwas grösser sind als die Aussenabmessungen des entsprechenden Endes der Leitschaufel 16, das in diese Nut hineingesteckt werden soll. Da also ein gewisses Spiel vorgesehen ist, wird erreicht, dass die Leitschaufeln in den zugehörigen Nuten nicht festsitzen, sondern sich geringfügig und mehr oder weniger unkontrolliert bewegen können. Mit diesem einfachen Mittel wird erreicht, dass sich beim Betrieb wegen der hohen Dämpfung praktisch keine Resonanzschwingungen der Leitschaufeln anregen lassen, d.h. dass keine Überbeanspruchung durch auftretende Eigenschwingungen stattfinden kann. Ausserdem sind keine Schwächungsstellen, wie zum Beispiel Schweissnähte, Verschraubungen oder Nieten vorhanden, was zur Folge hat, dass trotz des losen Sitzes und der unkontrollierten Bewegung der Leitschaufeln im praktischen Betrieb eine deutlich verbesserte Haltbarkeit und Bruchsicherheit zu beobachten ist. FIG. 2 shows the one limiting disk 14 of a diffuser, which carries the guide vanes 16 in a top view. The limiting disk 14 has a groove 23 for each guide vane 16, the dimensions of which are somewhat larger than the outer dimensions of the corresponding end of the guide vane 16 which is to be inserted into this groove. Since a certain amount of play is provided, it is achieved that the guide blades do not become stuck in the associated grooves, but can move slightly and more or less in an uncontrolled manner. With this simple means it is achieved that during operation, due to the high damping, practically no resonance vibrations of the guide vanes can be excited, i.e. that there can be no overstressing due to natural vibrations. In addition, there are no weakening points, such as weld seams, screw connections or rivets, which means that despite the loose fit and the uncontrolled movement of the guide vanes, a significantly improved durability and break resistance can be observed in practical operation.

Figur 3 zeigt die Randpartie eines Diffusors im Schnitt, s Wiederum sind zwei Begrenzungsscheiben 14 und 15 vorgesehen. Die eine Begrenzungsscheibe 14 weist eine Nut 23 auf, in welche die Leitschaufel 16 mit einem gewissen Spiel lose eingesetzt ist. Die entgegengesetzte Begrenzungsscheibe 15 weist eine glatte Oberfläche auf, so dass die Leitschaufel 16 io auf dieser Oberfläche 24 mit einem vorgegebenen Spiel aufsitzt. Diese Begrenzungsscheibe 15 kann auch weggelassen werden, so dass die Leitschaufeln direkt gegen das Gehäuse anliegen. Zur Erleichterung der Montage, und um ein Herausfallen der Leitschaufel 16 aus der Nut 23 zu verhindern, 15 kann es zweckmässig sein, Montagestifte 25 vorzusehen, mit denen die Leitschaufeln 16 während des Zusammenbaus der Turbomaschine in der Nut 23 festgehalten werden. Um hohe Dämpfung zu erreichen, muss jedoch eine gewisse Beweglichkeit der Leitschaufeln gewährleistet bleiben, damit diese sich in gewissem Umfang unkontrolliert in der Nut bewegen kann. Es kann auch zweckmässig sein, die Leitschaufeln 16 in der Nut 23 mittels eines elastischen Klebers festzuhalten, welcher ebenfalls so ausgebildet sein kann, dass eine mehr oder weniger unkontrollierte Bewegung der Leitschaufeln 16 weiterhin gewährleistet ist. Figure 3 shows the edge part of a diffuser in section, s Again, two limit plates 14 and 15 are provided. The one limiting disk 14 has a groove 23 into which the guide vane 16 is loosely inserted with a certain amount of play. The opposite limiting disk 15 has a smooth surface, so that the guide vane 16 sits on this surface 24 with a predetermined play. This limiting disk 15 can also be omitted so that the guide vanes bear directly against the housing. In order to facilitate assembly and to prevent the guide vane 16 from falling out of the groove 23, it can be expedient to provide assembly pins 25 with which the guide vanes 16 are held in the groove 23 during the assembly of the turbomachine. In order to achieve high damping, however, a certain mobility of the guide vanes must be guaranteed so that it can move to a certain extent in an uncontrolled manner in the groove. It can also be expedient to hold the guide vanes 16 in the groove 23 by means of an elastic adhesive, which can also be designed such that a more or less uncontrolled movement of the guide vanes 16 is still ensured.

Vorstehend wurde die erfindungsgemässe Befestigung der Leitschaufeln anhand eines Beispieles einer als Radial-Kompressor ausgeführten Turbomaschine erläutert. Es wird bemerkt, dass sich die Erfindung in gleicher Weise bei anderen Typen von Turbomaschinen radialer Bauart anwenden lässt, beispielsweise bei Radial-Pumpen zur Förderung eines beliebigen Fluids, bei Radial-Turbinen oder bei kombinierten Turbomaschinen, wie zum Beispiel Pump-Turbinen, wobei gegebenenfalls bestimmte Anpassungen vorgenommen werden müssen. The fastening of the guide vanes according to the invention was explained above using an example of a turbomachine designed as a radial compressor. It is noted that the invention can equally be applied to other types of radial-type turbomachinery, for example radial pumps for conveying any fluid, radial turbines or combined turbomachines, such as pump turbines, where appropriate certain adjustments need to be made.

25 25th

30 30th

B B

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

663447

PATENT CLAIMS

1. Turbo machine with at least one radially flowed impeller (5, 6, 7) and at least one ring-shaped diffuser (11, 12, 13) having at least one limiting disk (14, 15) and guide vanes (16), characterized in that the or one of the annular limiting disks (14) has grooves (23) which have somewhat larger dimensions than the one ends of the guide vanes (16), and that these ends of the guide vanes (16) can be moved in the grooves (23) to a limited extent with a predetermined play are used.

2. Turbo machine according to claim 1, characterized in that the guide vanes (16) are secured in the grooves (23) of the limiting disk (14) with assembly pins (25) ensuring the mobility of the guide vanes.

3. Turbo machine according to claim 1, characterized in that the guide vanes (16) are fastened in the grooves (23) with an elastic adhesive which ensures the mobility of the guide vanes.

4. Turbo machine according to one of claims 1 -3, characterized in that the other ends of the guide vanes (16) either on the surface (24) of an opposing limiting disk (15) or against the housing with a game.

5. Turbo machine according to one of claims 1-4, characterized in that a plurality of impellers (5,6,7), each with an associated diffuser (8,9,10), are connected in series.

6. Turbo machine according to claim 5, characterized in that a cooling device (17, 18) is provided between a diffuser and the subsequent impeller.