DE102017114233A1

DE102017114233A1 - Turboverdichter mit integrierten Strömungskanälen

Info

Publication number: DE102017114233A1
Application number: DE102017114233.9A
Authority: DE
Inventors: Walter Hofmann; Rolf Bickel
Original assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Priority date: 2017-06-27
Filing date: 2017-06-27
Publication date: 2018-12-27
Also published as: EP3577346B1; CN207212697U; EP3577346A1; WO2019001911A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Turboverdichter (1) mit einem Verdichtergehäuse (2), in dem zumindest eine erste Verdichterstufe (13) und eine zweite Verdichterstufe (14) vorgesehen sind, wobei in der ersten und zweiten Verdichterstufe (13, 14) jeweils ein Laufrad (5, 6) auf einer Antriebswelle (12) angeordnet ist und die Laufräder (5, 6) im Betrieb jeweils eine Verdichterströmung erzeugen, wobei innerhalb des Verdichtergehäuses (2) mehrere in das Verdichtergehäuse (2) integrierte, die erste und die zweite Verdichterstufe (13, 14) strömungsverbindende Strömungskanäle (4) vorgesehen sind, die gleichmäßig über einen Umfang des Verdichtergehäuses (2) verteilt angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Turboverdichter, insbesondere zum Einsatz in der Kältetechnik.
Turboverdichter sind eine eigene Gattung der Verdichter, bei denen durch ein oder mehrere rotierende Laufräder einem strömenden Fluid Energie zugesetzt wird. Turboverdichter arbeiten kontinuierlich und sind durch eine geringe Druckerhöhung pro Verdichterstufe und hohen Volumendurchsatz gekennzeichnet.
Als Bauarten sind sowohl Radial- als auch Axialverdichter bekannt, wobei beim Radialverdichter das Fluid axial in das Laufrad der Verdichterstufe angesaugt und anschließend nach radial außen ausgeblasen wird. Bei mehrstufigen Radialverdichtern erfolgt deshalb hinter jeder Verdichterstufe eine Strömungsumlenkung.
Bei einem zweistufigen Turboverdichter ist es notwendig und aus dem Stand der Technik bekannt, einen Strömungskanal zwischen der ersten und der zweiten Verdichterstufe vorzusehen. Bei bekannten Lösungen erfolgt dies zumeist durch eine Überleitung der Strömung von der ersten zur zweiten Verdichterstufe durch eine außerhalb des Verdichtergehäuses verlaufende Rohrleitung.
Dabei ist nachteilig, dass es durch die Rohrleitung zu einem unerwünscht hohen Druckverlust kommt. Zudem sind die Anteile an dynamischem und statischem Druck festgelegt und nicht beeinflussbar. Schließlich ist der Raumbedarf des Turboverdichters mit außerhalb des Verdichtergehäuses verlaufender Rohrleitung zur Verbindung der ersten und zweiten Verdichterstufe hoch.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen kompakter bauenden Turboverdichter zum Einsatz in der Kältetechnik bereitzustellen, der einen geringeren Druckverlust aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Turboverdichter mit einem Verdichtergehäuse vorgeschlagen, in dem zumindest eine erste Verdichterstufe und eine zweite Verdichterstufe vorgesehen sind, wobei in der ersten und zweiten Verdichterstufe jeweils ein Laufrad auf einer Antriebswelle angeordnet ist und die Laufräder im Betrieb jeweils eine Verdichterströmung erzeugen. Innerhalb des Verdichtergehäuses sind mehrere in das Verdichtergehäuse integrierte, die erste und die zweite Stufe strömungsverbindende Strömungskanäle vorgesehen, die gleichmäßig über einen Umfang des Verdichtergehäuses verteilt angeordnet sind.
Durch den Einsatz einer Vielzahl von Strömungskanälen lässt sich der Strömungsquerschnitt jedes einzelnen Strömungskanals reduzieren und bedarfsgemäß anpassen. Die Strömungsführung des Strömungsfluids zwischen der ersten und zweiten Verdichterstufe ist mithin ebenfalls über den Umfang des Verdichtergehäuses verteilt lokal beeinflussbar, so dass die Anteile von statischem und dynamischem Druck variabel abgestimmt bzw. festgelegt werden können.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass die Gesamtlänge jedes einzelnen Strömungskanals durch die in das Verdichtergehäuse integrierte Ausbildung kürzer ist und sich auch deshalb die Druckverluste verringern. Die Integration der Strömungskanäle in das Verdichtergehäuse verkleinert zudem den Gesamtaufbau und Raumbedarf des Turboverdichters, erhöht die Robustheit und verringert den Montageaufwand.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante des Turboverdichter ist vorgesehen, dass die Strömungskanäle symmetrisch über den gesamten Umfang des Verdichtergehäuses verteilt angeordnet sind. Die symmetrische Verteilung ermöglicht eine symmetrische Abströmung aus der ersten Verdichterstufe und eine symmetrische Zuströmung in die zweite Verdichterstufe. Dies fördert eine gleichmäßige Strömungsverteilung und mithin den Wirkungsgrad des Turboverdichters.
Ferner ist bei dem Turboverdichter als Ausführung vorsehbar, dass die Summe der Strömungskanalquerschnittsfläche (A1+A2+...+An) eine Gesamtquerschnittsfläche bildet, die größer oder gleich dem Produkt aus Laufradumfang (Ur) des Laufrads der ersten Verdichterstufe, der Ausblasbreite (Sar) des Laufrads der ersten Verdichterstufe und π ist. Es gilt folglich A1+A2+...+An ≥ Ur · Sar ·π.
In einer strömungstechnisch vorteilhaften Ausführungsform weisen die Strömungskanäle einen ovalen Strömungskanalquerschnitt auf. Dabei ist als Ausführungsbeispiel vorsehbar, dass die Strömungskanalquerschnitte der Strömungskanäle jeweils eine Querschnittshöhe (I) aufweisen, die größer oder gleich groß zu einer in Radialrichtung verlaufenden Querschnittsbreite (b) ist, wobei die Querschnittshöhe senkrecht zur Querschnittsbreite verläuft. Es gilt somit I ≥ b.
Ferner ist bei dem Turboverdichter in einer Weiterbildung vorgesehen, dass die Strömungskanäle entlang ihrer Axialerstreckung in Umfangsrichtung dreidimensional gebogen verlaufen, d.h. die Strömungskanäle erstrecken sich gleichzeitig in axialer Richtung und in Umfangsrichtung innerhalb des Verdichtergehäuses.
Die über den Umfang des Verdichtergehäuses gleichmäßige Verteilung der Strömungskanäle umfasst zudem eine Lösung, bei der das Verdichtergehäuse, wenn es in einer axialen Schnittansicht gesehen in vier gleich große um die Rotationsache der Laufräder verteilte Quadranten aufgeteilt ist, in jedem der vier Quadranten mindestens einen Strömungskanal aufweist.
Ferner ist eine Ausführungsvariante umfasst, bei der der Turboverdichter dadurch gekennzeichnet ist, dass das Laufrad der ersten Verdichterstufe in axialer Richtung von dem Laufrad der zweiten Verdichterstufe durch eine Zwischenplatte getrennt ist. Der Turboverdichter wird als Radialverdichter ausgebildet, wobei die Strömung des Laufrads der ersten Verdichterstufe entlang der Zwischenplatte nach radial außen geführt und im radialen Außenbereich des Verdichtergehäuses in die Strömungskanäle eingeleitet wird.
In einem Ausführungsbeispiel ist ferner vorgesehen, dass das Laufrad der ersten Verdichterstufe baugleich zu dem Laufrad der zweiten Verdichterstufe ausgebildet ist. Auch ist eine Variante umfasst, bei der die beiden Laufräder baugleich, jedoch unterschiedlich dimensioniert ausgebildet sind, so dass beispielsweise das Laufrad der zweiten Verdichterstufe größer baut als dasjenige der ersten Verdichterstufe.
Strömungstechnisch günstig ist ferner eine Ausführung des Turboverdichters, bei der das Laufrad der ersten Verdichterstufe gekrümmte Laufradschaufeln aufweist, wobei eine Krümmungsrichtung der Laufradschaufeln einer Biegungsrichtung der in Umfangsrichtung gebogen verlaufenden Strömungskanäle entgegenläuft.
In einer bezüglich der Teilezahl und des Montageaufwandes vorteilhaften Ausführungsform ist das Verdichtergehäuse einteilig ausgebildet. Bei einem einteiligen Verdichtergehäuse können die Strömungskanäle beispielsweise durch das dem Fachmann in der Technik bekannte Kokillengussverfahren mit Lost-Core-Technik (bspw. Kern-Ausschmelz-Technik) erreicht werden.
Dabei ist als Ausführung realisierbar, dass das Verdichtergehäuse zumindest teilweise aus Vollmaterial gebildet ist und sich die Strömungskanäle durch das Vollmaterial des Verdichtergehäuses hindurch erstrecken.
Der Turboverdichter ist vorzugsweise als Turbokältemittelverdichter in einer Bauart als Radialverdichter ausgebildet.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

1 eine teilweise aufgeschnittene Ansicht der ersten und zweiten Verdichterstufe eines Turboverdichters;
2 eine schematische axiale Draufsicht von der Seite der ersten Verdichterstufe.

Die 1 und 2 zeigen beispielhaft schematisch ein Ausführungsbeispiel einer ersten und zweiten Verdichterstufe 13, 14 eines Turboverdichters 1 in einer teilweise aufgeschnittenen Ansicht, wobei der Turboverdichter 1 als Turbokältemittelverdichter in einer Bauart eines Radialverdichters ausgebildet ist. Der Turboverdichter 1 weist ein einteiliges Verdichtergehäuse 2 mit einer darin sich entlang der Rotationsachse erstreckender Antriebswelle 12 auf, auf der sowohl das Laufrad 5 der ersten Verdichterstufe 13 als auch das Laufrad 6 der zweiten Verdichterstufe 14 befestigt sind. Die beiden Laufräder 5, 6 sind in axialer Richtung durch die Zwischenplatte 16 räumlich und strömungstechnisch getrennt. Das Laufrad 5 der ersten Verdichterstufe 13 saugt im Betrieb axial parallel zur Antriebswelle 12 ein Strömungsfluid an und drängt es radial in den sich in dem Verdichtergehäuse 2 nach radial auswärts erstreckenden Austrittsdiffusor 8, wo es anschließend in die Vielzahl der Strömungskanäle 4 eintritt. Die Strömungskanäle 4 sind symmetrisch über den gesamten Umfang des Verdichtergehäuses 2 gleichmäßig verteilt angeordnet und in das Verdichtergehäuse 2 integriert. Dabei erzeugen sie eine Strömungsverbindung zwischen der ersten und der zweiten Verdichterstufe 13, 14. In der zweiten Verdichterstufe 14 enden die Strömungskanäle 4 in der Axialkammer 10 vor dem Laufrad 6 der zweiten Verdichterstufe 14, so dass das Strömungsfluid von dem Laufrad 6 axial ansaugbar ist und radial in Richtung des Auslasses 9 gefördert werden kann. Die Laufräder 5, 6 weisen jeweils in gleicher Richtung gekrümmte Laufradschaufel 17, 18 auf. Zudem sind die Laufräder 5, 6 von der Art und Ausbildung baugleich, lediglich unterschiedlich groß dimensioniert.
2 zeigt eine schematische axiale Draufsicht von der Seite der ersten Verdichterstufe 13 aus 1 mit einer Darstellung des Verlaufs der Strömungskanäle 4 sowie deren Querschnittsgröße und Querschnittsform. Über den Umfang des Verdichtergehäuses 2 symmetrisch und im jeweils identischen Bogenmaß a1, a2 verteilt sind sechs geometrisch identisch geformte Strömungskanäle 4 mit jeweils einem im Wesentlichen ovalen Strömungskanalquerschnitt 7, der durch eine Querschnittshöhe I und eine Querschnittsbreite b gekennzeichnet ist, wobei die Querschnittsbreite b in Radialrichtung und die Querschnittshöhe I senkrecht hierzu, d.h. in Tangentialrichtung verläuft. Die Querschnittshöhe I ist in der gezeigten Ausführung um den Faktor 1,2 größer als die Querschnittsbreite b. Die Fläche aller Strömungskanalquerschnitte 7 ist größer als das Produkt aus einem Umfang des Laufrads 5 der ersten Verdichterstufe 13, der Ausblasbreite Sar des Laufrads 5 der ersten Verdichterstufe 13 und π.
Wieder bezugnehmend auf 2 ist der Verlauf der Strömungskanäle 4 unter Darstellung der verdeckten Kanten dargestellt, wobei zu erkennen ist, dass die Strömungskanäle jeweils entlang ihrer Axialerstreckung in Umfangsrichtung dreidimensional gebogen verlaufen und eine Sternform bilden. Die Krümmung der Laufradschaufeln 17 des Laufrads 5 der ersten Verdichterstufe 13 laufen bezüglich ihrer Krümmungsrichtung entgegengesetzt zur Biegungsrichtung der Strömungskanäle 4 in Umfangsrichtung.
In der Ansicht gemäß 2 ist ferner zu erkennen, dass in jedem der vier Quadranten mindestens einen Strömungskanal 4 verläuft.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene Ausführungsbeispiel. Vielmehr kann auch ein mehrteiliges Verdichtergehäuse verwendet werden, bei dem die erste und zweite Verdichterstufe axial weiter beabstandet sind. Die Strömungskanäle werden dann beispielsweise in einen radialen Außenrandabschnitt des Verdichtergehäuses integriert. Weitere Bauteile des Turboverdichters sind nicht dargestellt, soweit sie für das Verständnis der Erfindung nicht relevant sind.

Claims

Turboverdichter (1) mit einem Verdichtergehäuse (2), in dem zumindest eine erste Verdichterstufe (13) und eine zweite Verdichterstufe (14) vorgesehen sind, wobei in der ersten und zweiten Verdichterstufe (13, 14) jeweils ein Laufrad (5, 6) auf einer Antriebswelle (12) angeordnet ist und die Laufräder (5, 6) im Betrieb jeweils eine Verdichterströmung erzeugen, wobei innerhalb des Verdichtergehäuses (2) mehrere in das Verdichtergehäuse (2) integrierte, die erste und die zweite Verdichterstufe (13, 14) strömungsverbindende Strömungskanäle (4) vorgesehen sind, die gleichmäßig über einen Umfang des Verdichtergehäuses (2) verteilt angeordnet sind.
Turboverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (4) symmetrisch über den gesamten Umfang des Verdichtergehäuses (2) verteilt angeordnet sind.
Turboverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (4) jeweils eine Strömungskanalquerschnittsfläche (A1, A2, ... An) aufweisen und die Summe der Strömungskanalquerschnittflächen eine Gesamtquerschnittsfläche bildet, die größer oder gleich einem Produkt aus einem Umfang (Ur) des Laufrads (5) der ersten Verdichterstufe (13), einer Ausblasbreite (Sar) des Laufrads (5) der ersten Verdichterstufe (13) und π, so dass gilt A1+A2+...+An ≥ Ur · Sar · π.
Turboverdichter nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (4) einen ovalen Strömungskanalquerschnitt aufweisen.
Turboverdichter nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanalquerschnitte der Strömungskanäle (4) jeweils eine Querschnittshöhe (I) aufweisen, die größer oder gleich groß zu einer in Radialrichtung verlaufenden Querschnittsbreite (b) ist, wobei die Querschnittshöhe (I) senkrecht zur Querschnittsbreite (b) verläuft, so dass gilt I ≥ b.
Turboverdichter nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (4) entlang ihrer Axialerstreckung in Umfangsrichtung dreidimensional gebogen verlaufen.
Turboverdichter nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verdichtergehäuse (2), das in einer axialen Schnittansicht gesehen in vier gleich große um eine Rotationsache verteilte Quadranten aufteilbar ist, in jedem der vier Quadranten mindestens einen Strömungskanal (4) aufweist.
Turboverdichter nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (5) der ersten Verdichterstufe (13) in axialer Richtung von dem Laufrad (6) der zweiten Verdichterstufe (14) durch eine Zwischenplatte (16) getrennt ist.
Turboverdichter nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (5) der ersten Verdichterstufe (13) baugleich zu dem Laufrad (6) der zweiten Verdichterstufe (14) ausgebildet ist.
Turboverdichter nach einem der vorigen Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (5) der ersten Verdichterstufe (13) gekrümmte Laufradschaufeln (17) aufweist, wobei eine Krümmungsrichtung der Laufradschaufeln (17) einer Biegungsrichtung der Strömungskanäle (4) in Umfangsrichtung entgegenläuft.
.Turboverdichter nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtergehäuse (2) einteilig ausgebildet ist.
Turboverdichter nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtergehäuse (2) zumindest teilweise aus Vollmaterial gebildet ist und sich die Strömungskanäle (4) durch das Vollmaterial des Verdichtergehäuses (2) hindurch erstrecken.
Turboverdichter nach einem der vorigen Ansprüche ausgebildet als Turbokältemittelverdichter.