CH687157A5

CH687157A5 - Means for dynamically stabilizing a centrifugal compressor impeller.

Info

Publication number: CH687157A5
Application number: CH175592A
Authority: CH
Inventors: Guenter Dr Schwab
Original assignee: Man B & W Diesel Ag
Priority date: 1991-08-03
Filing date: 1992-06-01
Publication date: 1996-09-30
Also published as: DE4125763C2; DE4125763A1; JPH05195999A

Description

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CH 687 157 A5 CH 687 157 A5

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Beschreibung description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum dynamischen Stabilisieren eines Radialverdichterlaufrades, das durch einen radial geführten Dichtspalt vom feststehenden Gehäuse beabstandet ist, wobei der Dichtspalt in radialer Richtung aussenliegend eine zur Verwirbelung der Leckströmung dienende Erweiterung und in radialer Richtung innenliegend einen aktiven Dichtungsbereich in Form eines Labyrinths aufweist. The invention relates to a device for the dynamic stabilization of a radial compressor impeller, which is spaced from the fixed housing by a radially guided sealing gap, the sealing gap on the outside in the radial direction serving to swirl the leakage flow and on the inside in the radial direction an active sealing area in the form of a labyrinth .

Die angesaugte Luft wird vom Radialverdichterlaufrad verdichtet und beschleunigt, wobei eine Leckströmung eine beachtliche Umfangsgeschwindigkeit erhält. Damit nicht durch eine Strömung um das Verdichterlaufrad herum der Arbeitsvorgang gestört wird, muss der Abstand zwischen bewegten und festen Teilen so klein wie möglich sein. Wegen der hohen Umfangsgeschwindigkeiten und Temperaturen sind berührende Abdichtungen, wie z.B. im Pumpenbau üblich, hier nicht möglich, so dass der Abstand nicht Null sein kann, da ein Anstreifen vermieden werden muss. Deshalb wird üblicherweise mit einer Vielzahl von Drosselkanten im Dichtungsspalt, einer sogenannten Labyrinthdichtung, gearbeitet, die zusätzlich zu der im Dichtspalt radial aussenliegenden Erweiterung, die durch Verwirbelung des Leckstroms zu einem grossen Teil seine Geschwindigkeitskomponente in eine Druckkomponente umwandelt, die Leckströmung verwirbelt und somit zum Druckabbau beitragen soll. Die Grösse des Leckstroms ist im wesentlichen von der Qualität der Labyrinthdichtung abhängig und beträgt im allgemeinen ca. 3 bis 5 Promille des Hauptstroms. Die unvermeidlich auftretenden kleinen Exzentrizitäten, im besonderen durch die eigene Schwerkraft des Radialverdichterlaufrades führt zu drehzahlfremden Biegeschwingungen und zu unterschiedlichen radialen Spaltweiten. Damit verändern sich der örtliche Spaltverlust und die Verteilung der Um-fangskräfte am Verdichterlaufrad. In den engen Spaltweiten wird der Leckstrom zusätzlich beschleunigt, es entsteht ein Unterdruck und somit eine zusätzliche Querkraft zur Achse des Verdichterlaufrades, die die Biegeschwingungen verstärkt. Damit werden die Lager des Verdichterlaufrads stark belastet, es kann sogar zur Zerstörung derselben kommen. Man spricht deshalb von einer Grenzleistung, bedingt durch diese sogenannte Spalterregung, über die eine Strömungsmaschine, in der das Verdichterlaufrad umläuft, nicht betrieben werden kann. The intake air is compressed and accelerated by the radial compressor impeller, whereby a leakage flow receives a considerable peripheral speed. The distance between moving and fixed parts must be as small as possible so that the work process is not disturbed by a flow around the compressor impeller. Due to the high peripheral speeds and temperatures, contact seals, e.g. common in pump construction, not possible here, so that the distance cannot be zero, since rubbing must be avoided. For this reason, a large number of throttling edges in the sealing gap, a so-called labyrinth seal, are usually used, which, in addition to the extension radially on the outside in the sealing gap, which to a large extent converts its velocity component into a pressure component by swirling the leakage flow, swirls the leakage flow and thus reduces pressure should contribute. The size of the leakage current is essentially dependent on the quality of the labyrinth seal and is generally about 3 to 5 parts per thousand of the main flow. The inevitable small eccentricities, in particular due to the gravity of the radial compressor impeller, leads to non-rotational bending vibrations and to different radial gap widths. This changes the local gap loss and the distribution of circumferential forces on the compressor impeller. The leakage current is additionally accelerated in the narrow gap widths, creating a negative pressure and thus an additional transverse force to the axis of the compressor impeller, which increases the bending vibrations. This places a heavy load on the bearings of the compressor impeller, which can even destroy them. One speaks therefore of a limit power, due to this so-called gap excitation, over which a turbomachine in which the compressor impeller rotates cannot be operated.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, in den Dichtspalt zwischen dem Radialverdichterlaufrad und dem Gehäuse einer Strömungsmaschine die Umfangsgeschwindigkeitskomponente der Leckströmung vor dem Eintritt in das sich radial erstreckende Labyrinth zu behindern, so dass eine Spalterregung weitgehend vermieden wird. Proceeding from this, the object of the invention is to obstruct the peripheral velocity component of the leakage flow in the sealing gap between the radial compressor impeller and the housing of a turbomachine before entering the radially extending labyrinth, so that gap excitation is largely avoided.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass im Spaltbereich der radial aussenliegenden Erweiterung mehrere umfangsmässig voneinander beabstandete, strömungsleitende Elemente vorgesehen sind, die die Erweiterung im Querschnitt bis auf einen minimalen Spalt ausfüllen. Die strömungsleitenden Elemente sind mit dem Gehäusedeckel verbunden, so dass sie stillstehen und die Umfangskomponente des Leckstroms behindern und diesen gleichzeitig radial in Richtung des Labyrinths leiten. According to the invention, this object is achieved in that in the gap area of the radially outer extension there are a plurality of circumferentially spaced, flow-guiding elements which fill the extension in cross-section to a minimal gap. The flow-guiding elements are connected to the housing cover, so that they stand still and hinder the peripheral component of the leakage current and at the same time conduct it radially in the direction of the labyrinth.

Eine Einrichtung zum dynamischen Stabilisieren eines Radialverdichterlaufrades gemäss der Erfindung ist in der Zeichnung in einer Ausführungsform beispielhaft veranschaulicht. Die Zeichnung zeigt schematisch in A device for the dynamic stabilization of a radial compressor impeller according to the invention is illustrated in an exemplary embodiment in the drawing. The drawing shows schematically in

Fig. 1 einen Teilquerschnitt durch ein Radialverdichterlaufrad mit einem Dichtungsspalt und der er-findungsgemässen Einrichtung zwischen demselben und dem Gehäusedeckel einer Strömungsmaschine; 1 shows a partial cross section through a radial compressor impeller with a sealing gap and the device according to the invention between the same and the housing cover of a turbomachine;

Fig. 2 eine Teilansicht gemäss II-II nach Fig. 1 des Gehäusedeckels mit der erfingungsgemässen Einrichtung. Fig. 2 is a partial view according to II-II of Fig. 1 of the housing cover with the device according to the invention.

In Fig. 1 sind bei einem Radialverdichterlaufrad 1 die Radschaufeln mit 2 und die Radscheibe mit 3 gekennzeichnet. Die Radscheibe 3 ist von einem Gehäusedeckel 4 mittels eines Dichtspalts 5 beabstandet. Der Dichtspalt 5 ist zwischen dem feststehenden Gehäusedeckel 4 und der umlaufenden Radscheibe 3 radial geführt und weist in radialer Richtung aussenliegend eine zur Verwirbelung der Leckströmung, die durch einen Ringspalt 12 zwischen der Radscheibe 3 und dem Gehäuse 13 mit grosser Umfangsgeschwindigkeit in den Dichtspalt 5 eintritt, dienende Erweiterung 6 und in radialer Richtung innenliegend einen aktiven Dichtungsbereich in Form eines Labyrinths 7 auf. In Fig. 1, in the case of a radial compressor impeller 1, the wheel blades are identified by 2 and the wheel disc by 3. The wheel disc 3 is spaced from a housing cover 4 by means of a sealing gap 5. The sealing gap 5 is guided radially between the fixed housing cover 4 and the circumferential wheel disc 3 and has a radial swirl on the outside for swirling the leakage flow, which enters the sealing gap 5 through a ring gap 12 between the wheel disc 3 and the housing 13 at high circumferential speed, serving extension 6 and in the radial direction on the inside an active sealing area in the form of a labyrinth 7.

Im Spaltbereich der Erweiterung 6 sind strömungsleitende Elemente 8 bis auf einen minimalen Spalt 9 zwischen Radscheibe 3 und dem Element 8 die Erweiterung 6 im Querschnitt ausfüllend, umfangsmässig voneinander beabstandet an den Dek-kel 4 angeschraubt, so dass sie radial gerichtete Rippen bilden. In the gap area of the extension 6, flow-guiding elements 8, apart from a minimal gap 9 between the wheel disc 3 and the element 8, fill the extension 6 in cross-section and are screwed to the cover 4 at a distance from one another, so that they form radially directed ribs.

In Fig. 2 ist eine besondere Ausführung der strömungsleitenden Elemente 8 dargestellt. Die Elemente 8 sind als U-förmige Bleche ausgebildet, wobei die flächige Unterseite 10 an den Gehäusedek-kel 4 geschraubt und die rippenförmigen Seitenteile 11 in der dargestellten Weise in radialer Richtung geführt sind. Die Rippen 11 bildenden Elemente 8 sind gleichmässig voneinander beabstandet, wobei der umfangsmäissge Abstand vorzugsweise gleich einer radialen Länge einer Rippe 11 ist. 2 shows a special embodiment of the flow-guiding elements 8. The elements 8 are designed as U-shaped sheets, the flat underside 10 being screwed to the housing cover 4 and the rib-shaped side parts 11 being guided in the radial direction in the manner shown. The elements 8 forming the ribs 11 are evenly spaced from one another, the circumferential distance preferably being equal to a radial length of a rib 11.

Die Rippen 11 können auch durch angeschweis-ste Bleche oder durch angefräste Kammern im Gehäusedeckel 4 realisiert sein. Es sind auch an den Gehäusedeckel angegossene Rippen denkbar. The ribs 11 can also be realized by welded-on sheets or by milled chambers in the housing cover 4. Ribs molded onto the housing cover are also conceivable.

Durch die strömungsleitenden Elemente 8 und ihrer erfindungsgemässen Anordnung in der Erweiterung 6 des Dichtspalts 5 wird die Umfangsgeschwindigkeitskomponente der Leckströmung stark behindert, so dass die Geschwindigkeitskomponente in der Erweiterung 8 grösstenteils in eine Druckkomponente umgesetzt wird, die im Labyrinth 7 grösstenteils abgebaut werden kann. Dadurch wird eine Spalterregung in befriedigender Weise vermieden, die Biegeschwingungen reduziert und somit das Radialverdichterlaufrad 1 dynamisch stabilisiert. Due to the flow-guiding elements 8 and their arrangement according to the invention in the extension 6 of the sealing gap 5, the circumferential speed component of the leakage flow is severely hindered, so that the speed component in the extension 8 is largely converted into a pressure component that can largely be reduced in the labyrinth 7. This satisfactorily avoids gap excitation, reduces the bending vibrations and thus dynamically stabilizes the radial compressor impeller 1.

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Claims

1. Device for the dynamic stabilization of a radial compressor impeller, which is spaced from the fixed housing cover by a radially guided sealing gap, the sealing gap on the outside in the radial direction serving to swirl the leakage flow and on the inside in the radial direction an active sealing area in the form of a labyrinth characterized in that in order to obstruct the peripheral component of the leakage flow in the gap area of the extension (6) there are several circumferentially spaced, flow-conducting elements (8) which are connected to the housing cover (4) and the extension (6) in cross-section to a minimum Fill in the gap (9).

2. Device according to claim 1, characterized in that the elements (8) are designed as ribs (11) which have a circumferential pitch which corresponds approximately to the radial length of a rib (11).

3. Device according to claim 2, characterized in that the ribs (11) are realized by screwed-on U-shaped sheets (10, 11).

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