DE102014217601A1

DE102014217601A1 - Radialverdichter

Info

Publication number: DE102014217601A1
Application number: DE102014217601.8A
Authority: DE
Inventors: Sven König
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-09-03
Filing date: 2014-09-03
Publication date: 2016-03-03
Also published as: EP3175118A1; WO2016034504A1

Abstract

Radialverdichter (1), mit einem in einem Gehäuse (2) aufgenommenen antreibbaren Laufrad (3), das eine Radscheibe (4), eine Deckscheibe (5) und dazwischen angeordnete Schaufeln aufweist, wobei das Laufrad (3) und ein Übergangsbereich (12, 13) zwischen Radseitenraum (8, 9) und Laufradaustritt (10) so ausgebildet sind, dass die folgende Ungleichung erfüllt ist: s/b ≤ Fd,wobei s ein mittlerer Abstand in Radialrichtung zwischen der Außenkante der Radscheibe (4) oder der Deckscheibe (5) und dem Gehäuse (2), b die axiale Breite der Radscheibe (4) und/oder der Deckscheibe (5), F ein empirischer Faktor und d der lichte axiale Abstand zwischen der Radscheibe (4) und der Deckscheibe (5) ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Radialverdichter, mit einem in einem Gehäuse aufgenommenen antreibbaren Laufrad, das eine Radscheibe, eine Deckscheibe und dazwischen angeordnete Schaufeln aufweist.
Derartige Radialverdichter werden z. B. in Kompressoren eingesetzt und bestehen aus dem eine Verdichterstufe bildenden um eine Drehachse rotierenden Laufrad, das einen axialen Eintritt und einen radialen Laufradaustritt aufweist.
Das Laufrad weist bezüglich seiner Drehachse umlaufend angeordnete Laufradschaufeln auf, die zwischen der Radscheibe und der Deckscheibe aufgenommen sind. Zwischen den Schaufeln sind Laufradkanäle gebildet, die von einem zu verdichtenden Gas durchströmbar sind. Das zu verdichtende Gas strömt axial in das Laufrad der Verdichterstufe und wird nach dem Durchströmen der Laufradkanäle radial nach außen abgelenkt, wobei es mit hoher Geschwindigkeit aus dem Laufrad austritt. Die kinetische Energie des mit hoher Geschwindigkeit austretenden Gases wird in einem Diffusor in potenzielle Energie in Form von Druck umgewandelt.
Zwischen der Innenseite des Gehäuses und der Außenseite der Deckscheibe und der Radscheibe sind Freiräume gebildet, die als Radseitenräume bezeichnet werden. Bei Radialverdichtern können in diesen Radseitenräumen akustische Moden auftreten, die durch charakteristische Eigenformen und zugehörige Eigenfrequenzen charakterisiert sind. In Abhängigkeit der Geometrie der Radseitenräume können sich derartige akustische Moden über einen Radseitenraum oder gekoppelt über beide Radseitenräume erstrecken. Derartige Kopplungen akustischer Moden sind kritisch, da sie einen Phasenwechsel von 180° zwischen den Radseitenräumen bewirken und die auf die Radscheibe einwirkende und diese zu Schwingungen anregende Kraft näherungsweise verdoppelt wird. Diese hohe, verdoppelte Anregungskraft kann unter ungünstigen Umständen zu einer Beschädigung oder Zerstörung des Laufrads führen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Radialverdichter anzugeben, der so ausgebildet ist, dass keine Kopplung akustischer Moden stattfindet.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Radialverdichter der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Laufrad und ein Übergangsbereich zwischen Radseitenraum und Laufradaustritt so ausgebildet sind, dass die folgende Ungleichung erfüllt ist: s/b ≤ Fd, wobei s ein mittlerer Abstand in Radialrichtung zwischen der Außenkante einer Radscheibe oder einer Deckscheibe und dem Gehäuse, b die axiale Breite der Radscheibe und/oder der Deckscheibe, F ein Faktor und d der lichte axiale Abstand zwischen der Radscheibe und der Deckscheibe ist. Dieser Faktor ist empirisch ermittelt und wird daher auch als empirischer Faktor F bezeichnet – kurz: Faktor.
Im Rahmen der Erfindung wurde eine günstige konstruktive Gestaltung des Übergangsbereichs zwischen Radseitenraum und Laufradaustritt entwickelt, wodurch eine gezielte Entkopplung der akustischen Moden in den beiden Radseitenräumen erreicht wird. Mittels der erwähnten Ungleichung werden die Parameterbereiche für den mittleren Abstand in Radialrichtung zwischen der Außenkante einer Radscheibe bzw. einer Deckscheibe, die axiale Breite der Radscheibe und/oder der Deckscheibe sowie der lichte axiale Abstand zwischen der Radscheibe und der Deckscheibe eingeschränkt.
Es wurde herausgefunden, dass bei Einhaltung der durch die Ungleichung definierten Parameter keine Kopplung akustischer Moden eintritt. Dementsprechend wird das Potenzial für Anregungen des Laufrads näherungsweise halbiert, wodurch das Risiko des Auftretens von Laufradschäden beträchtlich verringert werden kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Radialverdichter ist F ein empirischer Faktor, der vorzugsweise einen Wert zwischen 0,019 und 0,021 aufweist, jeweils pro Längeneinheit. In den Gleichungen, die mit der vorliegenden Erfindung offenbart sind, weisen alle Längenparameter identische Längeneinheiten auf, z. B. die Längeneinheit Millimeter. Es wird besonders bevorzugt, dass der empirische Faktor F 0,02 [1/LE] beträgt.
Optional kann auch für einen Radius, das heißt eine Rundung der inneren Gehäusekontur, ein Wertebereich festgelegt werden, gegebenenfalls in Abhängigkeit eines oder mehrerer der in der Ungleichung enthaltenen Parameter.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass s das arithmetische Mittel eines ersten radialen Abstands s1 zwischen der Außenkante der Radscheibe oder der Deckscheibe und dem Gehäuse und eines zweiten radialen Abstands s2 zwischen der Innenkante derselben Radscheibe oder Deckscheibe und dem Gehäuse ist, gemäß der Gleichung s = (s1 + s2)/2.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
1 eine geschnittene Ansicht eines Details eines erfindungsgemäßen Radialverdichters; und
2 ein Detail von 1 im Bereich des Übergangs zwischen Radseitenraum und Laufradaustritt.
In der geschnittenen Ansicht von 1 ist ein Detail eines Radialverdichters 1 dargestellt, aufgrund der Symmetrie ist lediglich ein Teil der oberen Hälfte des Radialverdichters 1 gezeigt.
Der Radialverdichter 1 umfasst ein Gehäuse 2, in dem ein antreibbares, auf einer Welle (nicht gezeigt) angeordnetes Laufrad 3 aufgenommen ist. Das Laufrad 3 umfasst eine Radscheibe 4, eine von dieser axial beabstandete Deckscheibe 5 sowie dazwischen angeordnete Schaufeln, die in 1 nicht dargestellt sind.
Das Laufrad 3 weist eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung verteilt angeordneten, kurvenförmigen Schaufeln auf, die ein in der durch einen Pfeil 6 gekennzeichneten Axialrichtung einströmendes Gas in Radialrichtung 7 umlenken und beschleunigen.
Zwischen der Innenseite des Gehäuses 2 und der Außenseite der Radscheibe 4 und der Deckscheibe 5 sind Radseitenräume 8, 9 gebildet. In Radialrichtung schließt sich an einen Laufradaustritt 10 ein Strömungskanal 11 an, in den das beschleunigte Gas einströmt.
Zwischen den Radseitenräumen 8, 9 und dem Strömungskanal 11 sind Übergangsbereiche 12, 13 gebildet, in denen die Innenwandung des Gehäuses 2 abgerundet ist und sich die axiale Breite verringert.
Bei herkömmlichen Radialverdichtern besteht die Gefahr, dass in den Radseitenräumen akustische Moden auftreten. Besonders kritisch ist ein Zustand, in dem die akustischen Moden beider Radseitenräume gekoppelt sind. Dabei besteht ein Phasenunterschied von 180° zwischen den akustischen Moden der beiden Radseitenräume, wodurch eine auf das Laufrad einwirkende Anregungskraft näherungsweise verdoppelt wird.
Der in 1 gezeigte Radialverdichter 1 ist konstruktiv so gestaltet, dass in den Übergangsbereichen 12, 13 zwischen den Radseitenräumen 8, 9 und dem sich daran radial anschließenden Strömungskanal 11 eine Entkopplung akustischer Moden erreicht wird. Diese Entkopplung wird dadurch erzielt, dass der Wertebereich geometrischer Parameter beschränkt ist. Diese Parameter umfassen einen mittleren Abstand s in Radialrichtung zwischen der Außenkante der Radscheibe 4 und dem Gehäuse 2, die axiale Breite b der Radscheibe 4 sowie den lichten axialen Abstand d zwischen der Radscheibe 4 und der Deckscheibe 5. Es wurde herausgefunden, dass diese Parameter die folgende Ungleichung erfüllen müssen: s/b ≤ Fd, wobei F ein empirischer Faktor ist, der in diesem Ausführungsbeispiel den Wert 0,02 (pro Längeneinheit) besitzt.
2 zeigt den Übergangsbereich 12 in einem vergrößerten Maßstab.
Der mittlere Abstand s ist das arithmetische Mittel eines ersten radialen Abstands s1 zwischen der Außenkante der Radscheibe 4 und dem Gehäuse 2 und eines zweiten radialen Abstands s2 zwischen der Innenkante der Radscheibe 4 und dem Gehäuse 2, gemäß der Gleichung s = (S1 + S2)/2. Da in diesem Ausführungsbeispiel die Radscheibe und die Deckscheibe dieselbe Dicke aufweisen, könnte auch die Deckscheibe zur Berechnung des Abstands s herangezogen werden.
Bei Erfüllung der erwähnten Ungleichung werden akustische Moden in den beiden Radseitenräumen 8, 9 bzw. in den Übergangsbereichen 12, 13 gezielt entkoppelt, so dass die potenziell auf das Laufrad 3 einwirkenden Kräfte halbiert werden, wodurch die Gefahr von Laufradschäden beträchtlich verringert wird.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Radialverdichter (1), mit einem in einem Gehäuse (2) aufgenommenen antreibbaren Laufrad (3), das eine Radscheibe (4), eine Deckscheibe (5) und dazwischen angeordnete Schaufeln aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (3) und ein Übergangsbereich (12, 13) zwischen Radseitenraum (8, 9) und Laufradaustritt (10) so ausgebildet sind, dass die folgende Ungleichung erfüllt ist: s/b ≤ F·d, wobei s ein mittlerer Abstand in Radialrichtung zwischen der Außenkante der Radscheibe (4) oder der Deckscheibe (5) und dem Gehäuse (2), b die axiale Breite der Radscheibe (4) und/oder der Deckscheibe (5), F ein Faktor und d der lichte axiale Abstand zwischen der Radscheibe (4) und der Deckscheibe (5) ist.
Radialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor F größer oder gleich 0,019 [1/LE] und kleiner oder gleich 0,021 [1/LE] ist, wobei LE eine Längeneinheit ist.
Radialverdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor F 0,02 [1/LE] beträgt.
Radialverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass s das arithmetische Mittel eines ersten radialen Abstands s1 zwischen der Außenkante der Radscheibe (4) oder der Deckscheibe (5) und dem Gehäuse (2) und eines zweiten radialen Abstands s2 zwischen der Innenkante der Radscheibe (4) oder Deckscheibe (5) und dem Gehäuse (2) ist, gemäß der Gleichung s = (s1 + s2)/2.