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Die Erfindung betrifft einen Radialverdichter mit gegenläufigen Verdichterlaufrädern zum Erzeugen einer Gasströmung, zum Beispiel für den Einsatz in Klimageräten oder Raumlufttechnik-Anlagen.
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Radialverdichter, die in der Klimatechnik verwendet werden, besitzen häufig ein Spiralgehäuse am Strömungsaustritt. Dieses dient, neben der Geschwindigkeitsverzögerung, der Luftführung und -umlenkung. Um nachfolgende Komponenten möglichst frei von Störungen anzuströmen, werden zudem Nachleitgitter, Gleichrichter, Prallplatten oder Siebe eingesetzt. Nachteilig bei all diesen konstruktiven Ausführungen ist, dass die Umlenkung der Strömung Verluste bedingt und folglich der Systemwirkungsgrad des Verdichters sinkt.
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Die Steigerung der Effizienz von Radialverdichtern ist durch den Einsatz gegenläufiger Verdichterlaufräder möglich. Ein wesentlicher Vorteil dieser Bauart ist, dass die Drehzahlen und damit die Belastung der Laufräder bei gleicher Förderleistung deutlich gesenkt werden. Bekannt ist eine solche Einrichtung zur Förderungen von Gasen bereits aus
DE 1 039 694 B .
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Ein Gegenlauf-Verdichter, wie er in
DE 1 110 810 A offenbart ist, wird durch separate Motoren für jedes der einzelnen Verdichterlaufräder oder durch einen einzelnen Motor mit jeweils eigenen Kupplungen für jedes Verdichterlaufrad, wobei hier der Gegenlauf durch ein Umkehrgetriebe realisiert ist, angetrieben. Die individuelle Ansteuerung der einzelnen Verdichterlaufräder ermöglicht die Leistungssteuerung des strömenden Gases. Die in der
4 der
DE 1 110 810 A dargestellten Geschwindigkeitsdreiecke zeigen eine in Umfangsrichtung gerichtete Abströmung des Gases nach dem letzten Laufrad.
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WO 2015/084926 A1 zeigt gleichfalls einen Radialverdichter mit zwei gegenläufigen Verdichterlaufrädern, wobei das Gegenlaufrad innerhalb eines breiten Drehzahlbereiches betrieben werden kann, um den Verdichter an unterschiedliche Betriebsbedingungen anpassen zu können. Die Laufräder sind separat oder durch einen Doppelläufermotor, wobei die Drehsinnumkehr für das Gegenlaufrad durch ein Kegelradgetriebe verwirklicht ist, angetrieben. Der Radialverdichter weist ein Spiralgehäuse auf, welches der Umlenkung und der Verzögerung der Luft nach Strömungsaustritt aus dem äußeren Laufrad des Verdichters dient.
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US 3 044 685 A zeigt einen gegenläufigen Radialverdichter, bei welchem sich das Profil der Schaufeln dadurch auszeichnet, dass der eingeschlossene Winkel zwischen dem Radius und der Tangente an die Skelettlinie an der Austrittskante des Laufschaufelprofils eines Verdichterlaufrades dem eingeschlossenen Winkel zwischen dem Radius und der Tangente an die Skelettlinie an der Eintrittskante des Laufschaufelprofils des nachfolgenden Verdichterlaufrades entspricht. Beide Laufräder werden mit annähernd gleicher Drehzahl bei entgegengesetztem Drehsinn betrieben.
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Nachteilig bei den bekannten Bauweisen von Radialverdichtern mit gegenläufigen Laufrädern ist die drallbehaftete Abströmung nach dem äußeren Laufrad. Es entsteht eine Strömung mit technisch nicht nutzbaren Geschwindigkeitskomponenten in Umfangsrichtung. Vor der Anströmung nachfolgender Bauteile ist folglich eine Kompensation der auftretenden Verwirbelungen erforderlich, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Kombination aus Radialverdichter und Gleichrichter reduziert wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Radialverdichter mit gegenläufigen Verdichterlaufrädern mit hohem Wirkungsgrad bereitzustellen, der es ermöglicht, mit nur einem Antrieb eine gleichmäßige, drallfreie Abströmung direkt nach dem äußeren Verdichterlaufrad zu erzeugen.
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Die Aufgabe wird durch einen Radialverdichter mit den kennzeichnenden Merkmalen nach dem Patentanspruch 1 gelöst; zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 beschrieben.
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Nach Maßgabe der Erfindung besitzt der Radialverdichter gegenläufige Verdichterlaufräder, umfassend ein Radialverdichter-Innenlaufrad und ein Radialverdichter-Außenlaufrad. Beide Verdichterlaufräder sind rotierbar koaxial um eine Drehachse angeordnet.
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Bei der während des Betriebs des Verdichters erfolgenden Rotation des Radialverdichter-Innenlaufrades rotiert das Radialverdichter-Außenlaufrad im gegenläufigen Drehsinn. Dabei wird das vom Radialverdichter angesaugte Gas vom Radialverdichter-Innenlaufrad zum Radialverdichter-Außenlaufrad gefördert. Die Abströmung des Gases erfolgt am äußeren Umfang des Radialverdichter-Außenlaufrades aus dem Radialverdichter.
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Obwohl sich die Darstellungen im Folgenden jeweils auf ein Radialverdichter-Innenlaufrad und ein Radialverdichter-Außenlaufrad beschränken, kann der Verdichter grundsätzlich eine Mehrzahl von Stufen umfassen, wobei jede Stufe aus einem Verdichterlaufrad und einem gegenläufigen Verdichterlaufrad besteht, deren Beschaufelungen in Strömungsrichtung unmittelbar hintereinander folgend angeordnet sind. Bei Vorhandensein mehrerer Verdichterstufen beziehen sich die Beschreibungen auf die letzte Stufe, d. h. auf die Stufe am Strömungsaustritt des Verdichters.
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Der Radialverdichter umfasst weiterhin einen Elektromotor mit einem Innenläufer und einem Außenläufer. Entsprechend der Drehmoment-Wechselwirkung rotieren Innen- und Außenläufer bei Betrieb gegenläufig.
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Der Innenläufer ist mit dem Radialverdichter-Innenlaufrad und der Außenläufer mit dem Radialverdichter-Außenlaufrad mittels kraftübertragenden Kopplungen verbunden.
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Durch die elektromagnetische Wechselwirkung der mit den Verdichterlaufrädern gekoppelten Läufer des Elektromotors befinden sich die Drehmomente der gegenläufigen Wellensysteme stets im Gleichgewicht. Entsprechend der Leistungsabnahme an den Laufrädern stellen sich die Drehzahlen entsprechend des Momentengleichgewichtes ein.
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Erfindungsgemäß besitzen das Radialverdichter-Innenlaufrad und das Radialverdichter-Außenlaufrad jeweils eine Beschaufelung aus mehreren Laufschaufeln, die derart gestaltet sind, dass das Gas aus dem Radialverdichter-Außenlaufrad bei Betrieb im Auslegungspunkt im Wesentlichen radial abströmt.
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Die Laufschaufelgeometrien beider Verdichterlaufräder sind so aufeinander abgestimmt, dass die Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit im Bereich zwischen dem –0,02fachen und dem 0,02fachen der radialen Komponente der Strömungsgeschwindigkeit bei Austritt aus dem Radialverdichter-Außenlaufrad beträgt.
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Die geometrische Gestaltung der Laufschaufeln der Verdichterlaufräder erfolgt erfindungsgemäß in der Weise, dass im Radialschnitt am Radialverdichter-Innenlaufrad der eingeschlossene Winkel zwischen der die Eintrittskante berührenden Radiuslinie und der Tangente an die Skelettlinie des Schaufelprofils an der Eintrittskante 50° bis 80° und am Radialverdichter-Außenlaufrad der eingeschlossene Winkel zwischen der die Eintrittskante berührenden Radiuslinie und der Tangente an die Skelettlinie des Schaufelprofils an der Eintrittskante 60° bis 85° betragen. Die Skelettlinie oder Profilmittellinie ist in allgemein bekannter Weise als die Verbindungslinie der in das Schaufelprofil einbeschriebenen Kreismittelpunkte definiert.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass stromabwärts nach dem Radialverdichter angeordnete Komponenten, zum Beispiel in klimatechnischen Geräten oder Anlagen, gleichmäßig und drallfrei angeströmt werden können. Besonders bedeutend ist dies bei der Anströmung von Wärmeübertragern, um deren effizienten Betrieb zu garantieren. Die vielfach angewandte Überdimensionierung der Wärmeübertragerfläche zum Ausgleich ungleichmäßiger Anströmbedingungen kann entfallen.
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Die Kompensation bzw. Reduzierung des Austrittsdralls wirkt sich zudem unmittelbar effizienzsteigernd für den Gesamtwirkungsgrad der Strömungsmaschine aus, da die Drallkompensation mittels des gegenläufigen Laufrades im Gegensatz zu einem Nachleitgitter mit einer zusätzlichen Leistungsübertragung an das strömende Gas verbunden ist.
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Der Antrieb mit dem gegenläufigen Elektromotor gewährleistet eine verlustfreie Einkopplung der Antriebsleistung und gleichzeitig die Erzeugung des gegenläufigen Drehsinns der unterschiedlichen Verdichterlaufräder ohne das Erfordernis eines Umkehrgetriebes. Die erfindungsgemäße Bauweise des Radialverdichterantriebs trägt folglich zum hohen Systemwirkungsgrad des Verdichters bei.
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Im Weiteren wird auf spezifische Ausgestaltungen der Erfindung eingegangen.
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Die Laufschaufelgeometrien können des Weiteren so gestaltet sein, dass im jeweiligen Verdichterlaufrad die Austrittsrelativgeschwindigkeit das 0,4fache bis 0,95fache der Eintrittsrelativgeschwindigkeit beträgt.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Verhältnis des Radius der Laufschaufeln an der Austrittskante des Radialverdichter-Außenlaufrades zum Radius der Laufschaufeln an der Austrittskante des Radialverdichter-Innenlaufrades zwischen 1,2 und 1,7 liegt.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Verdichterlaufräder und der Elektromotor derart ausgeführt, dass bei Betrieb des Radialverdichters die Drehzahl des Radialverdichter-Außenlaufrades das 0,4fache bis 1,5fache der Drehzahl des Radialverdichter-Innenlaufrades beträgt. Derart geringe Drehzahlen des Radialverdichter-Außenlaufrades verursachen nur niedrige Bauteilbelastungen und ermöglichen folglich reduzierte Bauteilquerschnitte – insbesondere bei den Laufschaufeln und an der Scheibennabe. Die Senkung der Bauteilmasse trägt zur Effizienzsteigerung bei Drehzahlwechseln bei.
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Ferner können die Laufschaufeln der Verdichterlaufräder rückwärtsgekrümmt sein. Rückwärtsgekrümmte Laufschaufeln bieten neben der hohen Effizienz beim Fördern des Gases den Vorteil hinsichtlich einer geringen Lärmentwicklung.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Schaufelhöhe an der Eintrittskante der Laufschaufeln des Radialverdichter-Außenlaufrades das 0,9fache bis 1,1fache der Schaufelhöhe an der Austrittskante der Laufschaufeln des Radialverdichter-Innenlaufrades. Dadurch ist gewährleistet, dass beim Übergang der Strömung vom Radialverdichter-Innenlaufrad zum Radialverdichter-Außenlaufrad keine Strömungsstörungen auftreten.
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Die Laufschaufelanzahl des Radialverdichter-Außenlaufrades kann ferner das 1,2fache bis 2,5fache der Laufschaufelanzahl des Radialverdichter-Innenlaufrades betragen. Der Vorteil besteht darin, dass durch die Erhöhung der Laufschaufelanzahl der größere Umfang des Radialverdichter-Außenlaufrades dahingehend kompensiert ist, dass der jeweilige Strömungsquerschnitt zwischen den einzelnen Laufschaufeln in einer begrenzten Bandbreite gehalten ist. Strömungsstörungen infolge zu starker Aufweitung dieses Strömungsquerschnittes sind vermieden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Laufschaufelanzahl des Radialverdichter-Innenlaufrades zu der des Radialverdichter-Außenlaufrades ungleich ist. Vorteilhaft sind beide Laufschaufelanzahlen Primzahlen. Diese Maßnahmen verhindern, dass es zu strömungstechnisch angeregten Schwingungsanregungen der Schaufeln und als deren Folge zu Ermüdungsschäden kommt.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen
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1: einen Radialverdichter mit einem Verdichterlaufrad nach dem Stand der Technik im Axialschnitt (links) und im Radialschnitt (rechts),
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2: einen erfindungsgemäßen Radialverdichter mit zwei gegenläufigen Verdichterlaufrädern im Axialschnitt (links) und im Radialschnitt (rechts),
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3: die erfindungsgemäße Lage und Ausrichtung der Laufschaufeln der Verdichterlaufräder im Radialschnitt, und
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4: die qualitative Darstellung der Geschwindigkeitsdreiecke der Gasströmung bezüglich Radialverdichter-Innenlaufrad (unten) und Radialverdichter-Außenlaufrad (oben).
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Der Radialverdichter gemäß der Ausführung nach dem Stand der Technik in 1 zum Erzeugen einer Luftströmung weist ausschließlich das Radialverdichter-Innenlaufrad 6 auf, das mit dem Innenläufer 11 verbunden ist. Bei Betrieb des Radialverdichters rotieren das Radialverdichter-Innenlaufrad 6 und der Innenläufer 11 entsprechend der Kennzeichnung durch den Pfeil am Innenläufer 11 um die Drehachse 12. Die gestrichelten Linien in der Querschnittsdarstellung der 1 veranschaulichen schematisch die geometrische Form der rückwärtsgekrümmten Schaufeln des Radialverdichter-Innenlaufrades 6.
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Der Radialverdichter ist von dem Gerätegehäuse 8 umgeben. Bei Betrieb erfolgt die Verdichteranströmung 1 axial über die Öffnung in der Trennwand 9. Nach Eintritt in das Radialverdichter-Innenlaufrad 6 wird die strömende Luft (Innenlaufradströmung 2) radial nach außen abgelenkt. Die Verdichterabströmung 4 erfolgt sowohl radial nach außen als auch in Umfangsrichtung.
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Verdeutlicht ist die Darstellung der wirkenden Geschwindigkeiten in der Strömung im Geschwindigkeitsdreieck. Die Absolutgeschwindigkeit c der Strömung resultiert aus der Überlagerungen der Relativgeschwindigkeit w der Strömung mit der Umfangsgeschwindigkeit u des Verdichterlaufrades 6, 7.
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Nach Umlenkung der Verdichterabströmung 4 am Gerätegehäuse 8 ergibt sich die drallbehaftete Gerätegehäuseströmung 5.
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Der erfindungsgemäße Radialverdichter gemäß 2 weist neben dem Radialverdichter-Innenlaufrad 6 das gegenläufige Radialverdichter-Außenlaufrad 7 auf. Der Antrieb erfolgt mittels eines Elektromotors mit dem Innenläufer 11 und dem Außenläufer 10, wobei der Innenläufer 11 mit dem Radialverdichter-Innenlaufrad 6 und der Außenläufer 10 mit dem Radialverdichter-Außenlaufrad 7 verbunden sind. Die gestrichelten Linien in der Querschnittsdarstellung der 2 zeigen wiederum die geometrische Form der rückwärtsgekrümmten Schaufeln des Radialverdichter-Innenlaufrades 6 und des Radialverdichter-Außenlaufrades 7.
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Die Verdichteranströmung 1 und die Innenlaufradströmung 2 entsprechen denen der Ausführung in der 1. Die Zwischenlaufradströmung 3 am Übergang des Radialverdichter-Innenlaufrades 6 zum Radialverdichter-Außenlaufrad 7 ist drallbehaftet. Dieser Drall wird bei Durchströmung des Radialverdichter-Außenlaufrades 7 kompensiert. Die Verdichterabströmung 4 erfolgt radial nach außen, d. h. frei von Strömungsgeschwindigkeitskomponenten in Umfangsrichtung (siehe Geschwindkeitsdreieck).
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Die Gehäuseströmung 5 ist folglich nach der Umlenkung der Verdichterabströmung 4 am Gerätegehäuse 8 drallfrei.
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Die Schaufeln entsprechend der Schaufelanordnung nach 3 und weisen aufgrund der Auslegewerte unterschiedliche Krümmungen auf, die aufeinander abgestimmt sind. Der eingeschlossene Winkel zwischen der Radiuslinie 6.2 zur Eintrittskante 6.1 der Laufschaufel am Radialverdichter-Innenlaufrad 6 und der Tangente an die Skelettlinie des Schaufelprofils in diesem Punkt beträgt 60°; der eingeschlossene Winkel zwischen der Radiuslinie 7.2 zur Eintrittskante 7.1 der Laufschaufel am Radialverdichter-Außenlaufrad 7 und der Tangente an die Skelettlinie des Schaufelprofils in diesem Punkt beträgt 80°. Die jeweiligen Tangenten sind in Form von Strich-Punkt-Linien als Verlängerung der Skelettlinie des Schaufelprofils ausgehend von der jeweiligen Eintrittskante 6.1, 7.1 gezeigt.
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Die Geschwindigkeitsdreiecke gemäß 4 beziehen sich auf die Darstellung in der 3. Die durchgezogenen Linien geben die Verhältnisse an der Eintrittskante 6.1, 7.1 und die gestrichelten Linien die Verhältnisse an der Austrittskante 6.3, 7.3 wieder. Ausgehend von einer drallfreien Anströmung des Radialverdichter-Innenlaufrades 6 (cu‘ = 0) liegt an der Austrittskante 6.2 eine Strömung mit der Umfangskomponente cu‘‘ ungleich „0“ vor. Der Vektor der Abströmung c‘‘ aus dem Radialverdichter-Innenlaufrades 6 (untere Geschwindigkeitsdreiecke) entspricht dem Vektor der Anströmung c‘ des Radialverdichter-Außenlaufrades 7 (obere Geschwindigkeitsdreiecke). Die Drehzahl des Radialverdichter-Außenlaufrades 7 und die Verzögerung der Relativgeschwindigkeit (w‘ zu w‘‘) sind so gewählt, dass die Abströmung drallfrei erfolgt (cu‘‘ = 0).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verdichteranströmung
- 2
- Innenlaufradströmung
- 3
- Zwischenlaufradströmung
- 4
- Verdichterabströmung
- 5
- Gerätegehäuseströmung
- 6
- Radialverdichter-Innenlaufrad
- 6.1
- Eintrittskante der Laufschaufel am Innenlaufrad
- 6.2
- Radiuslinie zur Eintrittskante der Laufschaufel am Innenlaufrad
- 6.3
- Austrittskante der Laufschaufel am Innenlaufrad
- 6.4
- Radiuslinie zur Austrittskante der Laufschaufel am Innenlaufrad
- 7
- Radialverdichter-Außenlaufrad
- 7.1
- Eintrittskante der Laufschaufel am Außenlaufrad
- 7.2
- Radiuslinie zur Eintrittskante der Laufschaufel am Außenlaufrad
- 7.3
- Austrittskante der Laufschaufel am Außenlaufrad
- 7.4
- Radiuslinie zur Austrittskante der Laufschaufel am Außenlaufrad
- 8
- Gerätegehäuse
- 9
- Trennwand
- 10
- Außenläufer
- 11
- Innenläufer
- 12
- Drehachse
- u
- Umfangsgeschwindigkeit des jeweiligen Laufrades
- w
- Relativgeschwindigkeit der Strömung im bewegten System des Verdichterlaufrades
- c
- Absolutgeschwindigkeit der Strömung im unbewegten System
- cu
- Umfangskomponente der Absolutgeschwindigkeit
- cr
- Radialkomponente der Absolutgeschwindigkeit
- u‘, w‘, c‘
- Geschwindigkeit beim Eintritt in das Verdichterlaufrad
- u‘‘, w‘‘, c‘‘
- Geschwindigkeit beim Austritt aus dem Verdichterlaufrad
