DE102014001998A1

DE102014001998A1 - Verdichterstufe

Info

Publication number: DE102014001998A1
Application number: DE102014001998.5A
Authority: DE
Inventors: Alf-Peter TIEDTKE; Matthias Wollnik
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2014-02-17
Publication date: 2015-06-18
Also published as: CN105814317A; WO2015090566A1; EP3084227B1; RU2634648C1; CN105814317B; US20160319838A1; US10519975B2; EP3084227A1

Abstract

Verdichterstufe (10), mit einem statorseitigen Ansaugstutzen, über welchen im Bereich der Verdichterstufe zu verdichtendes Medium in die Verdichterstufe einleitbar ist, mit einem statorseitigen Zuströmkanal (11), über welchen das zu verdichtende Medium ausgehend vom Ansaugstutzen in Richtung auf ein rotorseitiges Laufrad (14) förderbar ist, wobei das Laufrad (14) eine radial innere Nabe (16), ein radial äußere Deckscheibe (17) und sich zwischen der Nabe (16) und der Deckscheibe (17) erstreckende Laufradschaufeln (18) aufweist, wobei zur Wirkdruckmessung an der Verdichterstufe an derselben eine Plus-Messstelle und eine Minus-Messstelle vorgesehen ist, wobei die Minus-Messstelle stromaufwärts des Laufrads (14) außerhalb des statorseitigen Zuströmkanals (11) in einem vom Zuströmkanal (11) abzweigenden Ringspalt (24) positioniert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verdichterstufe nach dem Oberbergriff des Anspruchs 1.
Aus der Praxis bekannte Verdichterstufen verfügen über statorseitige Baugruppen und rotorseitige Baugruppen. Zu den statorseitigen Baugruppen einer Verdichterstufe zählt ein Ansaugstutzen, über welchen im Bereich der Verdichterstufe zu verdichtendes Medium in die Verdichterstufe einleitbar ist. Ferner zählt zu den statorseitigen Baugruppen ein statorseitiger Strömungskanal, über welchen das zu verdichtende Medium ausgehend vom Ansaugstutzen in Richtung auf ein rotorseitiges Laufrad förderbar ist. Das rotorseitige Laufrad verfügt über eine radial innere Nabe, eine radial äußere Deckscheibe und sich zwischen der Nabe und der Deckscheibe erstreckende, ebenfalls rotorseitige Laufradschaufeln. Ein zwischen der rotorseitigen Deckscheibe und dem Stator ausgebildeter Spalt ist über eine Dichtung abgedichtet, die von einem Dichtungsträger gehalten ist.
Zum optimalen Betrieb einer solchen Verdichterstufe ist es von Bedeutung, den durch eine sogenannte Wirkdruckmessung ermittelten Volumenstrom der Verdichterstufe zu kennen. Hierzu ist es aus der Praxis bekannt, zur Wirkdruckmessung an der Verdichterstufe an derselben eine sogenannte Plus-Messstelle und eine sogenannte Minus-Messstelle vorzusehen bzw. auszubilden, wobei die Plus-Messstelle typischerweise im Bereich einer relativ großen Strömungsquerschnittsfläche und demnach im Bereich eines relativ hohen statischen Strömungsdrucks und die Minus-Messstelle im Bereich einer relativ kleinen Strömungsquerschnittsfläche und damit eines relativ kleinen statischen Strömungsdrucks angeordnet ist. Aufgrund des Druckunterschieds zwischen der Plus-Messstelle und der Minus-Messstelle kann ein Signal erfasst werden, welches der Wirkdruckmessung dient.
Obwohl es bereits bekannt ist, an Verdichterstufen eine Plus-Messstelle und eine Minus-Messstelle zur Wirkdruckmessung vorzusehen, besteht Bedarf an einer Verdichterstufe, an welcher die Wirkdruckmessung besonders vorteilhaft, insbesondere mit hoher Genauigkeit, erfolgen kann.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Verdichterstufe zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch eine Verdichterstufe nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist die Minus-Messstelle stromaufwärts des Laufrads außerhalb des statorseitigen Zuströmkanals in einem vom Zuströmkanal abzweigenden Ringspalt positioniert.
Mit der hier vorliegenden Erfindung wird erstmals vorgeschlagen, die Minus-Messstelle für die Wirkdruckmessung in einem Ringspalt zu positionieren, also außerhalb des statorseitigen Zuströmkanals stromaufwärts des Laufrads, wobei der Ringspalt vom Zuströmkanal abzweigt. Im Ringspalt herrscht eine umfangsgemittelte Druckverteilung, sodass die Wirkdruckmessung unabhängig von der in Umfangsrichtung gesehen konkreten Positionierung der Minus-Messstelle ist. Die Wirkdruckmessung im Bereich der Minus-Messstelle beeinträchtigenden, inhomogenen Strömungseinflüsse werden durch die Anordnung der Minus-Messstelle im Ringspalt eliminiert. Für eine zum Ringspalt von radial außen führende Bohrung, über die der im Ringspalt herrschende Druck abgegriffen bzw. abgezweigt werden kann, kann ein Bohrungsdurchmesser frei gewählt werden, da der Druck an der Minus-Messstelle im Bereich des Ringspalts außerhalb des Zuströmkanals abgegriffen wird.
Vorzugsweise zweigt der Ringspalt unmittelbar stromaufwärts des Laufrads vom statorseitigen Zuströmkanal nach radial außen ab. Dies erlaubt eine besonders vorteilhafte Wirkdruckmessung, da unmittelbar stromaufwärts des Laufrads der Druck am geringsten ist und somit relativ zur Plus-Messstelle das größte Druckgefälle für die Wirkdruckmessung genutzt werden kann.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Ringspalt benachbart zum Laufrad von einem statorseitigen Dichtungsträger, der eine mit der Deckscheibe des rotorseitigen Laufrads zusammenwirkende Dichtung trägt, begrenzt. Gegenüberliegend zum Laufrad ist der Ringspalt von einem statorseitigen Gehäuse oder von einem statorseitigen Einlaufstern, der an dem statorseitigen Gehäuse befestigt ist, begrenzt. Diese Ausführung ist konstruktiv einfach und erlaubt eine optimale Positionierung der Minus-Messstelle für die Wirkdruckmessung.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der Ringspalt kammerartig ausgebildet, wobei die Minus-Messstelle in einem kammerartigen Abschnitt des Ringspalts positioniert ist. In dem kammerartigen Abschnitt kann sich der Druck im Bereich der Minus-Messstelle der Wirkdruckmessung weiter vergleichmäßigen, wodurch die Wirkdruckmessung weiter verbessert werden kann.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1: ein Detail einer ersten erfindungsgemäßen Verdichterstufe im Meridionalschnitt;
2: ein Detail einer zweiten erfindungsgemäßen Verdichterstufe im Meridionalschnitt; und
3: ein Detail einer dritten erfindungsgemäßen Verdichterstufe im Meridionalschnitt.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft eine Verdichterstufe, insbesondere eine Verdichterstufe eines Radialverdichters. Die erfindungsgemäßen Details können jedoch auch an einer Verdichterstufe für einen Axialverdichter genutzt werden.
1 zeigt ein Detail einer ersten erfindungsgemäßen Verdichterstufe 10, wobei es sich bei der in 1 gezeigten Verdichterstufe 10 um die Verdichterstufe eines Radialverdichters handelt.
Die Verdichterstufe 10 verfügt über einen in 1 nicht gezeigten statorseitigen Ansaugstutzen, über welchen im Bereich der Verdichterstufe 10 zu verdichtendes Medium in die Verdichterstufe 10 einleitbar bzw. in die Verdichterstufe 10 ansaugbar ist.
Über einen statorseitigen Zuströmkanal 11, der im gezeigten Ausführungsbeispiel radial innen von einem statorseitigen Dichtungsträger 12 und radial außen von einem statorseitigen Gehäuse 13 begrenzt ist, ist das zu verdichtende Medium einem rotorseitigen Laufrad 14 der Verdichterstufe 10 zuführbar.
Das rotorseitige Laufrad 14 verfügt über eine Welle 15 mit einer radial inneren Nabe 16, eine radial äußere Deckscheibe 17 sowie sich zwischen der Nabe 16 und der Deckscheibe 17 erstreckende Laufradschaufeln 18. Von den Laufradschaufeln 18 ist in 1 eine Strömungseintrittskante 19 und eine Strömungsaustrittskante 20 gezeigt.
Ein Spalt 29, der zwischen der rotorseitigen Welle 15 des Laufrads 14 und dem statorseitigen Dichtungsträger 12 ausgebildet ist, ist über eine von diesem statorseitigen Dichtungsträger 12 getragene Dichtung 20 abgedichtet.
Ein Spalt 21, der zwischen dem statorseitigen Gehäuse 13 und der Deckscheibe 17 des rotorseitigen Laufrads 14 ausgebildet ist, ist von einer Dichtung 22 abgedichtet, die von einem weiteren statorseitigen Dichtungsträger 23 gehalten ist.
Im Bereich des in 1 nicht gezeigten Ansaugstutzens, über welchen der Verdichterstufe zu verdichtendes Medium zuführbar ist, ist eine Plus-Messstelle zur Wirkdruckmessung der Verdichterstufe 10 zugeordnet. Die Plus-Messstelle der Wirkdruckmessung ist demnach im Bereich des Ansaugstutzens im Bereich einer relativ großen Strömungsquerschnittsfläche und demnach im Bereich eines relativ hohen statischen Strömungsdrucks positioniert.
Eine Minus-Messstelle für die Wirkdruckmessung ist stromaufwärts des Laufrads 14 außerhalb des statorseitigen Zuströmkanals 11 in einem vom Zuströmkanal abzweigenden Ringspalt 24 positioniert. Der Ringspalt 24 zweigt im gezeigten Ausführungsbeispiel unmittelbar stromaufwärts des Laufrads 14 vom statorseitigen Zuströmkanal 11 nach radial außen ab. Die Minus-Messstelle ist im Bereich einer relativ kleinen Strömungsquerschnittsfläche und demnach im Bereich eines relativ kleinen Strömungsdrucks positioniert.
Zu diesem Ringspalt 24 führt von radial außen eine Bohrung 25, die in den Ringspalt 24 mündet, wobei über diese Bohrung 25 der im Ringspalt 24 und damit der an der Minus-Messstelle herrschende Druck für die Wirkdruckmessung abgezweigt bzw. abgegriffen werden kann.
Im Ringspalt 24, der sich radial außen über die gesamte Umfangserstreckung des Zuströmkanals 11 erstreckt und von diesem abzweigt, stellt sich ein umfangsgemitteltes Druckniveau ein, sodass demnach der für die Wirkdruckmessung im Bereich der Minus-Messstelle abgreifbare Druck unabhängig davon ist, an welcher Umfangsposition genau die Bohrung 25 in den Ringspalt 24 mündet.
Ferner können hierdurch inhomogene Strömungseinflüsse auf den im Bereich der Minus-Messstelle herrschenden Druck weitestgehend minimiert werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass für die Bohrung 25 ein nahezu beliebiger Bohrungsdurchmesser gewählt werden kann. Da der im Ringspalt 24 herrschende Druck weitestgehend unabhängig von den Strömungseinflüssen der Strömung im Zuströmkanal 11 ist, muss für den Bohrungsdurchmesser der Bohrung 25 kein Kompromiss zwischen einer möglichst hohen Betriebssicherheit gegen Zusetzen durch Verschmutzung und Signalqualität mit einem möglichst geringen Einfluss auf die Strömung im Zuströmkanal 11 gewählt werden.
Im Ausführungsbeispiel der 1 ist der Ringspalt 24 auf der dem Laufrad 14 zugewandten Seite einerseits vom Dichtungsträger 23 und andererseits von einem vorderen Abschnitt der Deckscheibe 17 begrenzt. Auf der dem Laufrad 14 gegenüberliegenden Seite ist in 1 der Ringspalt 24 unmittelbar vom statorseitigen Gehäuse 13 begrenzt.
Ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verdichterstufe 10 zeigt 2, wobei nachfolgend nur auf solche Details eingegangen wird, durch die sich das Ausführungsbeispiel der 1 vom Ausführungsbeispiel der 2 unterscheidet. Hinsichtlich aller übrigen Details wird für das Ausführungsbeispiel der 2 auf die Ausführungen zum Ausführungsbeispiel der 1 Bezug genommen, wobei in den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 für gleiche Baugruppen gleiche Bezugsziffern verwendet werden.
Das Ausführungsbeispiel der 2 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel der 1 lediglich dadurch, dass im Ausführungsbeispiel der 2 zusätzlich ein statorseitiger Einlaufstern 27 mit Eintrittsleitschaufeln 30 vorhanden ist, welcher den statorseitigen Zuströmkanal 11 radial außen abschnittsweise begrenzt, wobei der Ringspalt 24, im Bereich dessen die Minus-Messstelle für die Wirkdruckmessung positioniert ist, auf der vom Laufrad 14 abgewandten Seite von diesem statorseitigen Einlaufstern 27 begrenzt ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Radialverdichterstufe 10 zeigt 3, wobei sich das Ausführungsbeispiel der 3 vom Ausführungsbeispiel der 2 lediglich dadurch unterscheidet, dass der Ringspalt 24, welcher an der vom Laufrad 14 abgewandten Seite durch den Einlaufstern 27 begrenzt ist, kammerartig ausgebildet bzw. kammerartig aufgeweitet ist, wobei die Minus-Messstelle im Bereich eines kammerartigen Abschnitts 28 des Ringspalts 24 positioniert ist. In diesem kammerartigen Abschnitt 28 kann eine weitere Vergleichmäßigung des Druckniveaus erfolgen, wodurch die Signalqualität an der Minus-Messstelle für die Wirkdruckmessung weiter verbessert werden kann.
Bei der Verdichterstufe 10 ist demnach die Plus-Messstelle an einem Abschnitt mit einem möglichst großen Strömungsquerschnitt und damit mit einem möglichst großen Druck positioniert, vorzugsweise im Bereich des nicht gezeigten Ansaugstutzens. Die Minus-Messstelle der Wirkdruckmessung ist im Bereich eines möglichst kleinen Strömungsquerschnitts und damit im Bereich eines möglichst kleinen Drucks positioniert, nämlich erfindungsgemäß in einem Ringspalt 24, der stromaufwärts des Laufrads 14 vom statorseitigen Zuströmkanal 11 abzweigt, vorzugsweise unmittelbar stromaufwärts des Zuströmkanals 11 nach radial außen. Das Druckniveau im Ringspalt ist umfangsgemittelt und demnach nicht von der Umfangsposition abhängig. Über eine kammerförmige Aufweitung des Ringspalts 24 kann die Signalqualität an der Minus-Messstelle weiter verbessert werden. Der Druck für die Minus-Messstelle kann über eine in den Ringspalt 24 mündende Bohrung 25 an einer beliebigen Umfangsposition abgegriffen werden. Die Bohrung 25 erstreckt sich dabei ausschließlich durch das Gehäuse 13 und muss demnach keine Bauteilgrenzen überbrücken bzw. überqueren. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass infolge der Positionierung der Minus-Messstelle keine Gefahr besteht, dass dieselbe durch eine Verschmutzung verstopft.
Bei der erfindungsgemäßen Verdichterstufe 10 handelt es sich vorzugsweise um eine Radialverdichterstufe. Die Erfindung kann jedoch auch bei einer Verdichterstufe für einen Axialverdichter Verwendung finden.
Bezugszeichenliste

10: Verdichterstufe
11: Zuströmkanal
12: Dichtungsträger
13: Gehäuse
14: Laufrad
15: Welle
16: Nabe
17: Deckscheibe
18: Laufradschaufel
19: Strömungseintrittskante
20: Strömungsaustrittskante
21: Spalt
22: Dichtung
23: Dichtungsträger
24: Ringspalt
25: Bohrung
26: Dichtung
27: Einlaufstern
28: Kammer
29: Spalt
30: Eintrittsleitschaufel

Claims

Verdichterstufe, mit einem statorseitigen Ansaugstutzen, über welchen im Bereich der Verdichterstufe zu verdichtendes Medium in die Verdichterstufe einleitbar ist, mit einem statorseitigen Zuströmkanal (11), über welchen das zu verdichtende Medium ausgehend vom Ansaugstutzen in Richtung auf ein rotorseitiges Laufrad (14) förderbar ist, wobei das Laufrad (14) eine radial innere Nabe (16), ein radial äußere Deckscheibe (17) und sich zwischen der Nabe (16) und der Deckscheibe (17) erstreckende Laufradschaufeln (18) aufweist, wobei zur Wirkdruckmessung an der Verdichterstufe an derselben eine Plus-Messstelle und eine Minus-Messstelle vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Minus-Messstelle stromaufwärts des Laufrads (14) außerhalb des statorseitigen Zuströmkanals (11) in einem vom Zuströmkanal (11) abzweigenden Ringspalt (24) positioniert ist.
Verdichterstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspalt (24) unmittelbar stromaufwärts des Laufrads (14) vom statorseitigen Zuströmkanals (11) nach radial außen abzweigt.
Verdichterstufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspalt (24) benachbart zum Laufrad (14) von einem statorseitigen Dichtungsträger (23), der eine mit der Deckscheibe (17) des rotorseitigen Laufrads (17) zusammenwirkende Dichtung (22) trägt, begrenzt ist.
Verdichterstufe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspalt (24) gegenüberliegend zum Laufrad (14) von einem statorseitigen Gehäuse (13) begrenzt ist.
Verdichterstufe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspalt (24) gegenüberliegend zum Laufrad (14) von einem statorseitigen Einlaufstern (27), der an einem statorseitigen Gehäuse (13) befestigt ist, begrenzt ist.
Verdichterstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspalt (24) kammerartig ausgebildet ist, wobei die Minus-Messstelle in einem kammerartigen Abschnitt (28) des Ringspalts (24) positioniert ist.
Verdichterstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zu der Minus-Messstelle von radial außen eine Bohrung (25) führt, über die das an der Minus-Messstelle herrschende Druckniveau abgreifbar ist.
Verdichterstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Plus-Messstelle im Bereich des Ansaugstutzens positioniert ist.
Verdichterstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe eine Radialverdichterstufe ist.