DE102022111573A1 - Centrifugal compressor - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Radialverdichter (1) mit einer Radialverdichterstufe (10), wobei die Radialverdichterstufe (10) ein Laufrad (31), eine Welle (32) und einen einen Diffusor (20) aufweisenden Stator (15) aufweist und das Laufrad (31) auf der Welle (32) angeordnet ist, sodass es von dieser antreibbar ist, das Laufrad (31) ein Laufradgehäuse (12) aufweist, wobei das Laufradgehäuse (12) fluidtechnisch mit dem Stator (15) verbunden ist, der Diffusor (20) ein Diffusorgehäuse (211) mit einem Diffusorgehäusedeckel (23) aufweist, wobei das Diffusorgehäuse (211) auf seiner dem Diffusorgehäusedeckel (23) gegenüberliegenden Seite mit dem Diffusorschaufelkranz (22) verschlossen ist, sodass zwischen dem Diffusorgehäusedeckel (23) und dem Diffusorschaufelkranz (22) ein Diffusorkanal (24) gebildet ist. Der der Diffusorschaufelkranz (22) weist voneinander beabstandete mit dem Diffusorschaufelkranz (22) verbundene Leitschaufeln (21) auf, die in der axialen Richtung entlang des Normalenvektors der Oberfläche des Diffusorschaufelkranzes (22) translatorisch beweglich gelagert sind. Damit wird die Aufgabe gelöst einen Radialverdichter (1) bereitzustellen, der eine erweiterte Pumpgrenze aufweist.The invention relates to a radial compressor (1) with a radial compressor stage (10), the radial compressor stage (10) having an impeller (31), a shaft (32) and a stator (15) having a diffuser (20), and the impeller (31 ) is arranged on the shaft (32) so that it can be driven by it, the impeller (31) has an impeller housing (12), the impeller housing (12) being fluidly connected to the stator (15), the diffuser (20) has a diffuser housing (211) with a diffuser housing cover (23), the diffuser housing (211) being closed on its side opposite the diffuser housing cover (23) with the diffuser blade ring (22), so that between the diffuser housing cover (23) and the diffuser blade ring (22) a diffuser channel (24) is formed. The diffuser blade ring (22) has spaced apart guide vanes (21) connected to the diffuser blade ring (22), which are mounted in a translationally movable manner in the axial direction along the normal vector of the surface of the diffuser blade ring (22). This solves the problem of providing a radial compressor (1) which has an extended surge limit.

Description

Die Erfindung betrifft einen Radialverdichter mit einer Radialverdichterstufe, wobei die Radialverdichterstufe ein Laufrad, eine Welle und einen einen Diffusor aufweisenden Stator aufweist und das Laufrad auf der Welle angeordnet ist, sodass es von dieser antreibbar ist. Das Laufrad weist ein fluidtechnisch mit dem Stator verbundenes Laufradgehäuse auf. Der Diffusor weist ein Diffusorgehäuse mit einem Diffusorgehäusedeckel auf, wobei das Diffusorgehäuse auf seiner dem Diffusorgehäusedeckel gegenüberliegenden Seite mit dem Diffusorschaufelkranz verschlossen ist, sodass zwischen dem Diffusorgehäusedeckel und dem Diffusorschaufelkranz ein Diffusorkanal gebildet ist. Der Diffusorkanal weist einen Eingangsbereich entlang seines Umfangs auf, der auf dem inneren Radius des Diffusorschaufelkranzes angeordnet ist sowie einen Ausgangsbereich entlang seines Umfangs, der auf dem äußeren Radius des Diffusorschaufelkranzes angeordnet ist. Der Diffusorschaufelkranz weist voneinander beabstandete und mit dem Diffusorschaufelkranz verbundene Leitschaufeln auf.The invention relates to a radial compressor with a radial compressor stage, the radial compressor stage having an impeller, a shaft and a stator having a diffuser, and the impeller is arranged on the shaft so that it can be driven by it. The impeller has an impeller housing that is fluidly connected to the stator. The diffuser has a diffuser housing with a diffuser housing cover, the diffuser housing being closed with the diffuser blade ring on its side opposite the diffuser housing cover, so that a diffuser channel is formed between the diffuser housing cover and the diffuser blade ring. The diffuser channel has an entrance region along its circumference, which is arranged on the inner radius of the diffuser blade ring, and an exit region along its circumference, which is arranged on the outer radius of the diffuser blade ring. The diffuser blade ring has guide vanes that are spaced apart from one another and connected to the diffuser blade ring.

Radialverdichter verdichten Fluide auf einen gewünschten Druck. Das zu komprimierende Fluid wird in den Radialverdichter eingeleitet und von einem auf einer Welle befestigten Laufrad angesaugt, wo es in Rotation versetzt und in radialer Richtung umgelenkt wird. Das beschleunigte Fluid durchströmt anschließend einen Diffusor, in dem seine kinetische Energie reduziert und in potentielle Energie in Form von statischem Druck umgewandelt wird. Das komprimierte Fluid wird daraufhin abgeführt oder, im Falle mehrerer Radialverdichterstufen, einer weiteren Radialverdichterstufe zugeführt. Bei mehrstufigen Radialverdichtern können die Laufräder der einzelnen Radialverdichterstufen auf einer Welle oder auf mehreren Wellen angeordnet sein.Centrifugal compressors compress fluids to a desired pressure. The fluid to be compressed is introduced into the radial compressor and sucked in by an impeller attached to a shaft, where it is set in rotation and deflected in the radial direction. The accelerated fluid then flows through a diffuser in which its kinetic energy is reduced and converted into potential energy in the form of static pressure. The compressed fluid is then removed or, in the case of several radial compressor stages, fed to another radial compressor stage. In multi-stage radial compressors, the impellers of the individual radial compressor stages can be arranged on one shaft or on several shafts.

Die EP 1 413 763 B1 beschreibt einen mit Schaufeln versehenen Diffusor für einen Radialverdichter, der über eine Vorrichtung zur selektiven Einstellung der Steigung der Schaufeln verfügt, um variablen Lastbedingungen gerecht zu werden. Jede der Schaufeln ist in der Nähe ihrer Vorderkante um einen Drehzapfen drehbar und steht in der Nähe ihrer Hinterkante mit einem Betätigungselement in Eingriff. Die Betätigungselemente sind an einem gemeinsamen Ring befestigt, der selektiv gedreht werden kann, um die Schaufeln im Einklang zu bewegen. Zwischen benachbarten Schaufeln wird eine Verengung gebildet, und der Drehzapfen für jede Schaufel befindet sich stromabwärts der Verengung auf der Druckseite der Schaufel, um Turbulenzen in der Strömung an der Verengung zu verringern.The EP 1 413 763 B1 describes a bladed diffuser for a centrifugal compressor which has a device for selectively adjusting the pitch of the blades to accommodate variable load conditions. Each of the blades is rotatable about a pivot near its leading edge and engages an actuator near its trailing edge. The actuators are attached to a common ring that can be selectively rotated to move the blades in unison. A throat is formed between adjacent blades and the pivot for each blade is located downstream of the throat on the pressure side of the blade to reduce turbulence in the flow at the throat.

Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Radialverdichter bereitzustellen, der eine erweiterte Pumpgrenze aufweist.Proceeding from this, the object of the invention is to provide a radial compressor which has an extended surge limit.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.This task is solved by the subject matter of patent claim 1. Preferred further training can be found in the subclaims.

Erfindungsgemäß ist also ein Radialverdichter vorgesehen mit einer Radialverdichterstufe, wobei die Radialverdichterstufe ein Laufrad, eine Welle und einen einen Diffusor aufweisenden Stator aufweist und das Laufrad auf der Welle angeordnet ist, sodass es von dieser antreibbar ist, das Laufrad ein Laufradgehäuse aufweist, wobei das Laufradgehäuse fluidtechnisch mit dem Stator verbunden ist, der Diffusor ein Diffusorgehäuse mit einem Diffusorgehäusedeckel aufweist, wobei das Diffusorgehäuse auf seiner dem Diffusorgehäusedeckel gegenüberliegenden Seite mit dem Diffusorschaufelkranz verschlossen ist, sodass zwischen dem Diffusorgehäusedeckel und dem Diffusorschaufelkranz ein Diffusorkanal gebildet ist, wobei der Diffusorkanal einen Eingangsbereich entlang seines Umfangs aufweist, der auf dem inneren Radius des Diffusorschaufelkranzes angeordnet ist, der Diffusorkanal einen Ausgangsbereich entlang seines Umfangs aufweist, der auf dem äußeren Radius des Diffusorschaufelkranzes angeordnet ist, und der Diffusorschaufelkranz voneinander beabstandete mit dem Diffusorschaufelkranz verbundene Leitschaufeln aufweist, wobei die Leitschaufeln in der axialen Richtung entlang des Normalenvektors der Oberfläche des Diffusorschaufelkranzes translatorisch beweglich gelagert sind.According to the invention, a radial compressor is therefore provided with a radial compressor stage, the radial compressor stage having an impeller, a shaft and a stator having a diffuser and the impeller is arranged on the shaft so that it can be driven by it, the impeller has an impeller housing, the impeller housing is fluidly connected to the stator, the diffuser has a diffuser housing with a diffuser housing cover, the diffuser housing being closed on its side opposite the diffuser housing cover with the diffuser blade ring, so that a diffuser channel is formed between the diffuser housing cover and the diffuser blade ring, the diffuser channel having an entrance area along it Circumference, which is arranged on the inner radius of the diffuser blade ring, the diffuser channel has an exit region along its circumference, which is arranged on the outer radius of the diffuser blade ring, and the diffuser blade ring has spaced apart guide vanes connected to the diffuser blade ring, the guide vanes in the axial Direction along the normal vector of the surface of the diffuser blade ring are mounted in a translationally movable manner.

Somit wird ein Radialverdichter mit einer Radialverdichterstufe bereitgestellt, der durch das translatorische Bewegen der Leitschaufeln das Ein- und Ausfahren derselben in den Diffusorkanal ermöglicht. Diese Wechselmöglichkeit zwischen einem unbeschaufelten und einem beschaufelten Diffusor erweitert die Pumpgrenze des Radialverdichters. So sind die Einschränkungen eines beschaufelten Diffusors in einem Überlastbetriebsbereich, der sich durch hohe Massenströme auszeichnet, insoweit nicht vorhanden, als dass die durchströmte Fläche des Diffusors durch die aus dem Diffusorkanal ausgefahrenen Leitschaufeln nicht reduziert wird. Ebenso wird der Betriebsbereich des Radialverdichters bei kleinen Massenströmen durch die in den Diffusorkanal eingefahrenen Leitschaufeln dahingehend erweitert, dass Strömungsablösungen später einsetzen und die damit vorteilhafter geführte Strömung den Wirkungsgrad des Radialverdichters erhöht. Die Pumpgrenze teilt das Verdichter-Kennfeld in einen stabilen und einen instabilen Bereich. Pumpen tritt auf, wenn der Betriebspunkt des Radialverdichters durch Verminderung des Durchsatzes oder durch Anstieg des Enddruckes in den instabilen Bereich gerät. In Verdichter-Kennfeldern ist das Betriebsverhalten des Radialverdichters über einen weiten Betriebsbereich hinterlegt.A radial compressor with a radial compressor stage is thus provided, which enables the guide vanes to be moved in and out of the diffuser channel by the translational movement. This option to switch between a non-bladed and a bladed diffuser extends the pumping limit of the centrifugal compressor. The limitations of a bladed diffuser in an overload operating range, which is characterized by high mass flows, are not present in that the area of the diffuser through which the flow passes is not reduced by the guide vanes extended from the diffuser channel. Likewise, the operating range of the radial compressor at small mass flows is expanded by the guide vanes retracted into the diffuser channel in such a way that flow separations begin later and the flow, which is thus guided more advantageously, increases the efficiency of the radial compressor. The surge limit divides the compressor map into a stable and an unstable area. Surging occurs when the operating point of the centrifugal compressor is reduced by a decrease in flow rate or by an increase in flow rate Final pressure gets into the unstable area. The operating behavior of the centrifugal compressor is stored in compressor maps over a wide operating range.

Grundsätzlich können die Konturen von Diffusorgehäusedeckel und Diffusorschaufelkranz verschieden zueinander verlaufen. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass Diffusorgehäusedeckel und der Diffusorschaufelkranz parallel zueinander verlaufen. Diese Ausführungsform eines Diffusors ist auch als parallelwandiger Diffusor bekannt.In principle, the contours of the diffuser housing cover and diffuser blade ring can be different from one another. According to a preferred development of the invention, however, it is provided that the diffuser housing cover and the diffuser blade ring run parallel to one another. This embodiment of a diffuser is also known as a parallel-walled diffuser.

Es ist möglich, dass der Diffusorschaufelkranz mit verschiedenen Reihen Leitschaufeln ausgebildet ist. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der Diffusorschaufelkranz jedoch Leitschaufeln auf, die wenigstens zweireihig ausgeführt sind, sodass wenigstens eine zweite Reihe Leitschaufeln einen größeren Radius auf dem Diffusorschaufelkranz aufweist, als eine erste Reihe Leitschaufeln. Dadurch ist es möglich den Strömungswinkel an den Massenstrom anzupassen und die Pumpgrenze zusätzlich hin zu einem Teillastbetrieb zu erweitern. Darüber hinaus ist es auch möglich, zusätzlich weitere Reihen von Leitschaufeln auf anderen Radien vorzusehen, so dass die Leitschaufeln z.B. dreireihig oder vierreihig ausgeführt sind.It is possible for the diffuser blade ring to be designed with different rows of guide blades. According to a preferred development of the invention, however, the diffuser blade ring has guide blades which are designed in at least two rows, so that at least a second row of guide blades has a larger radius on the diffuser blade ring than a first row of guide blades. This makes it possible to adapt the flow angle to the mass flow and also extend the surge limit to include partial load operation. In addition, it is also possible to provide additional rows of guide vanes on different radii, so that the guide vanes are designed, for example, in three or four rows.

Prinzipiell können die Leitschaufeln auf verschiedene Arten in den Diffusorkanal eingefahren werden. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass der Stator einen fluidtechnisch mit dem Ausgangsbereich des Diffusors verbundenen Austritt aufweist, der Diffusorschaufelkranz Schaufelkammern auf der dem Diffusorkanal abgewandten Seite zur Aufnahme der Leitschaufeln aufweist und die Schaufelkammern derart fluidtechnisch mit dem Austritt verbunden sind, dass das Fluid ab einem vorbestimmten Druckdifferenzwert dem Druckgefälle folgend strömen kann, sodass die Leitschaufeln aus den Schaufelkammern im Diffusorschaufelkranz mittels der Druckdifferenz ausgefahren werden. Das Austrittsdruck bedingte Einfahren der Leitschaufeln in den Diffusorkanal ermöglicht das Wechseln des Diffursors von einem unbeschaufelten in einen beschaufelten Betrieb ohne zusätzliche Steuerung. Allein aufgrund der in dem Radialverdichter herrschenden Druckverhältnisse regelt der Radialverdichter sich automatisch hin zu einer vorteilhafteren, dem Massenstrom angepassten Diffusorkonfiguration.In principle, the guide vanes can be retracted into the diffuser channel in various ways. According to a preferred development of the invention, however, it is provided that the stator has an outlet which is fluidly connected to the output region of the diffuser, the diffuser blade ring has blade chambers on the side facing away from the diffuser channel for receiving the guide blades and the blade chambers are fluidly connected to the outlet in such a way that the fluid can flow following the pressure gradient from a predetermined pressure difference value, so that the guide vanes are extended from the blade chambers in the diffuser blade ring by means of the pressure difference. The exit pressure-related retraction of the guide vanes into the diffuser channel enables the diffuser to be changed from unbladed to bladed operation without additional control. Based solely on the pressure conditions prevailing in the radial compressor, the radial compressor automatically regulates itself towards a more advantageous diffuser configuration that is adapted to the mass flow.

Grundsätzlich kann eine Leitschaufel auf verschiedene Weisen gestoppt sein. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass die Leitschaufel in in die Schaufelkammer eingefahrener Position durch eine Führung derart gestoppt ist, dass zwischen Leitschaufelboden und Schaufelkammerboden ein Hohlraum ausgebildet ist. Dieser Hohlraum ermöglicht dem unter Druck stehenden einströmenden Fluid in die Schaufelkammern einzuströmen, sich auszudehnen und die Leitschaufeln in den Diffusorkanal einzufahren.Basically, a guide vane can be stopped in different ways. According to a preferred development of the invention, however, it is provided that the guide blade is stopped in the position retracted into the blade chamber by a guide in such a way that a cavity is formed between the guide blade base and the blade chamber base. This cavity allows the pressurized incoming fluid to flow into the blade chambers, expand, and retract the vanes into the diffuser channel.

Es ist möglich die versenkte Leitschaufeln auf verschiedene Arten gegen den Diffusorkanal abzudichten. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass die in der Schaufelkammer versenkte Leitschaufel mit einer Dichtnut abzudichten, die entlang des Randes der Schaufelkammer verläuft, gegen den Diffusorkanal abgedichtet ist und nicht in diesen hineinragt. Durch die umlaufende Dichtnut wird ein Druckausgleich zwischen dem in den Schaufelkammern und dem im Diffusorkanal herrschenden Druck verhindert. Zusätzlich werden Störungen der Strömung am Übergang des Diffusorkanals zu den Schaufelkammern mit den versenkten Leitschaufeln vermieden.It is possible to seal the recessed guide vanes from the diffuser channel in various ways. According to a preferred development of the invention, however, it is provided that the guide vane sunk in the blade chamber is to be sealed with a sealing groove which runs along the edge of the blade chamber, is sealed against the diffuser channel and does not protrude into it. The circumferential sealing groove prevents pressure equalization between the pressure in the blade chambers and the pressure in the diffuser channel. In addition, disruptions to the flow at the transition from the diffuser channel to the blade chambers with the recessed guide blades are avoided.

Prinzipiell ist es bei mehreren Radialverdichterstufen möglich verschiedene Positionen entlang des Strömungspfades innerhalb des Radialverdichters fluidtechnisch mit den Schaufelkammern zu verbinden. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass bei mehreren Radialverdichterstufen, wobei vor dem Laufrad der ersten Radialverdichterstufe ein Eintritt angeordnet ist, der Eintritt fluidtechnisch mit dem Laufrad in Verbindung steht, in den folgenden Radialverdichterstufen der Austritt der jeweils vorherigen Radialverdichterstufe fluidtechnisch mit dem Laufrad der folgenden Radialverdichterstufe bis hin zu einer vorletzten Radialverdichterstufe verbunden ist und der Austritt der letzten Radialverdichterstufe derart fluidtechnisch mit den Schaufelkammern der Diffusorschaufelkränze verbunden ist, dass das Fluid ab einem vorbestimmten Druckdifferenzwert dem Druckgefälle folgend strömen kann, sodass die Leitschaufeln aus den Schaufelkammern im Diffusorschaufelkranz mittels der Druckdifferenz ausfahrbar sind. Die Verwendung des letzten Austritts bei mehreren Radialverdichterstufen trägt dazu bei, dass das Fluid den benötigten Druck zum Überschreiten des vorbestimmten Druckdifferenzwerts aufweist und somit die Leitschaufeln ausgefahren werden können.In principle, with several radial compressor stages, it is possible to fluidly connect different positions along the flow path within the radial compressor to the blade chambers. According to a preferred development of the invention, however, it is provided that in the case of several radial compressor stages, an inlet being arranged in front of the impeller of the first radial compressor stage, the inlet is fluidly connected to the impeller, and in the following radial compressor stages the outlet of the previous radial compressor stage is fluidly connected to the Impeller of the following radial compressor stage up to a penultimate radial compressor stage is connected and the outlet of the last radial compressor stage is fluidly connected to the blade chambers of the diffuser blade rings in such a way that the fluid can flow following the pressure gradient from a predetermined pressure difference value, so that the guide blades from the blade chambers in the diffuser blade ring by means the pressure difference can be extended. The use of the last outlet in several radial compressor stages contributes to the fluid having the required pressure to exceed the predetermined pressure difference value and thus the guide vanes can be extended.

Grundsätzlich kann das Fluid auf verschiedene Arten zu den Schaufelkammern strömen. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass die Schaufelkammern mittels eines als T-Ventil ausgestalteten Überdruckventils fluidtechnisch mit dem Austritt und mit der Umgebung verbunden sind.In principle, the fluid can flow to the blade chambers in various ways. According to a preferred development of the invention, however, it is provided that the blade chambers are fluidly connected to the outlet and to the environment by means of a pressure relief valve designed as a T-valve.

Prinzipiell können die Leitschaufeln gleichzeitig bewegbar sein. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass die Schaufelkammern derart mit Überdruckventilen versehen sind, dass einzelne und/oder mehrere Leitschaufeln bei unterschiedlichen Druckdifferenzen translatorisch beweglich sind. Dadurch ist es möglich sogenannte Low-Solidity-Diffusor-Konfigurationen zu generieren, die vorteilhafte Wirkungsgrade im Übergangsbereich des Diffusors zwischen einem Teil- und Überlastbetrieb erzielen.In principle, the guide vanes can be movable at the same time. According to a preferred development of the invention, however, it is provided that the blade chambers are provided with pressure relief valves in such a way that individual and/or multiple guide blades are translationally movable at different pressure differences. This makes it possible to generate so-called low-solidity diffuser configurations that achieve advantageous efficiencies in the transition area of the diffuser between partial and overload operation.

Nachfolgend wir die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter im Detail erläutert.Below we will explain the invention in further detail using a preferred exemplary embodiment with reference to the drawings.

In der Zeichnung zeigen

  • 1 schematisch einen Radialverdichter mit einer Radialverdichterstufe gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 2 schematisch einen Diffusor gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
  • 3 schematisch einen Diffusorschaufelkranz mit einem Laufrad und einer Welle gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Show in the drawing
  • 1 schematically a radial compressor with a radial compressor stage according to a preferred embodiment of the invention,
  • 2 schematically a diffuser according to a preferred embodiment of the invention and
  • 3 schematically a diffuser blade ring with an impeller and a shaft according to a preferred embodiment of the invention.

Aus 1 ist schematisch ein Radialverdichter 1 mit einer Radialverdichterstufe 10 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ersichtlich. Die Radialverdichterstufe 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine erste Radialverdichterstufe 10 eines mehrstufigen Radialverdichters 1. Ein Fluid strömt in einen Eintritt 11 des Radialverdichters 1. Ein auf einer Welle 32 antreibbar befestigtes Laufrad 31 rotiert durch die Rotation der Welle 32 in einem Laufradgehäuse 12 in der Radialverdichterstufe 10. Das Fluid strömt in die Radialverdichterstufe 10 und wird von dem rotierenden Laufrad 31 angesaugt und radial umgelenkt.Out of 1 A radial compressor 1 with a radial compressor stage 10 according to a preferred exemplary embodiment of the invention can be seen schematically. In this exemplary embodiment, the radial compressor stage 10 is a first radial compressor stage 10 of a multi-stage radial compressor 1. A fluid flows into an inlet 11 of the radial compressor 1. An impeller 31, which is drivably mounted on a shaft 32, rotates due to the rotation of the shaft 32 in an impeller housing 12 in the radial compressor stage 10. The fluid flows into the radial compressor stage 10 and is sucked in by the rotating impeller 31 and deflected radially.

Das Laufradgehäuse 12 ist fluidtechnisch mit einem Stator 15 verbunden. Das in dem Laufradgehäuse 12 beschleunigte Fluid strömt in den Pinch 13 und wird dort mittels der konvergierenden Wände stabilisiert, um anschließend in einen fluidtechnisch verbundenen Diffusor 20 zu strömen. In dem Diffusor 20 wird die Geschwindigkeit des Fluids in statischen Druck umgesetzt und in eine anschließende 180°-Umlenkung 14 geleitet, die mit dem Diffusor 20 in Verbindung steht. Ausgehend von der 180°-Umlenkung 14 wird das Fluid durch eine Rückführbeschaufelung 16 und eine 90°-Umlenkung 17 in einen Austritt 18 geleitet.The impeller housing 12 is fluidly connected to a stator 15. The fluid accelerated in the impeller housing 12 flows into the pinch 13 and is stabilized there by means of the converging walls in order to then flow into a fluid-connected diffuser 20. In the diffuser 20, the speed of the fluid is converted into static pressure and directed into a subsequent 180° deflection 14, which is connected to the diffuser 20. Starting from the 180° deflection 14, the fluid is guided into an outlet 18 through a return blade 16 and a 90° deflection 17.

Der Teil des Stators 15, der die 180°-Umlenkung 14 sowie die Rückführbeschaufelung 16 und die 90°-Umlenkung 17 umfasst, dient dazu den in dem Fluid am Ende des Diffusors 20 vorhandenen Drall möglichst verlustfrei abzubauen, den statischen Druck zu erhöhen und dadurch eine drallfreie, homogene Zuströmung der folgenden Radialverdichterstufe 10 über den Austritt 18 zu ermöglichen.The part of the stator 15, which includes the 180 ° deflection 14 as well as the return blades 16 and the 90 ° deflection 17, serves to reduce the swirl present in the fluid at the end of the diffuser 20 with as little loss as possible, to increase the static pressure and thereby to enable a swirl-free, homogeneous inflow of the following radial compressor stage 10 via the outlet 18.

Der letzte Austritt 18 der letzten Radialverdichterstufe 10 des mehrstufigen Radialverdichters 1 weist eine fluidtechnische Verbindung zum Diffusor 20 auf, die das Fluid ab einem Druckdifferenzwert über ein als T-Ventil ausgestaltetes Überdruckventil zum Diffusor 20 hin strömen lässt. Die letzte Radialverdichterstufe 10, sowie die fluidtechnische Verbindung und das Überdruckventil sind nicht gezeigt in den Abbildungen.The last outlet 18 of the last radial compressor stage 10 of the multi-stage radial compressor 1 has a fluid connection to the diffuser 20, which allows the fluid to flow to the diffuser 20 from a pressure difference value via a pressure relief valve designed as a T-valve. The last radial compressor stage 10, as well as the fluid connection and the pressure relief valve are not shown in the figures.

In 2 ist der Diffusor 20 gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung im Detail abgebildet. 2 zeigt dazu einen Querschnitt des Diffusors 20 entlang des Radius des Diffusors 20. Ein Diffusorschaufelkranz 22 des Diffusors 20 weist eine Leitschaufelanordnung in Tandem-Konfiguration auf. Das heißt, dass der Strömungswinkel des einen Diffusorkanal 24 durchströmenden Fluids entlang des Radius des Diffusorschaufelkranzes 22 von zwei hintereinander angeordneten Reihen Leitschaufeln 21 verändert wird.In 2 the diffuser 20 according to a preferred embodiment of the invention is shown in detail. 2 shows a cross section of the diffuser 20 along the radius of the diffuser 20. A diffuser blade ring 22 of the diffuser 20 has a guide vane arrangement in a tandem configuration. This means that the flow angle of the fluid flowing through a diffuser channel 24 is changed along the radius of the diffuser blade ring 22 by two rows of guide blades 21 arranged one behind the other.

Das aus dem Pinch 13 kommende Fluid strömt in einen Diffusorkanal 24 des Diffusors 20 ein. Der Diffusorkanal 24 wird durch einen parallel zu dem Diffusorschaufelkranz 22 angeordneten Diffusorgehäusedeckel 23 abgeschlossen. Der Diffusorgehäusedeckel 23 und der Diffusorschaufelkranz 22 bilden das Diffusorgehäuse 211. Die Leitschaufeln 21 sind in 2 in ihre jeweiligen Schaufelkammern 26 eingefahren.The fluid coming from the pinch 13 flows into a diffuser channel 24 of the diffuser 20. The diffuser channel 24 is closed by a diffuser housing cover 23 arranged parallel to the diffuser blade ring 22. The diffuser housing cover 23 and the diffuser blade ring 22 form the diffuser housing 211. The guide vanes 21 are in 2 retracted into their respective blade chambers 26.

Die Leitschaufel 21 ist dabei zur Gänze aufnehmbar in eine Schaufelkammer 26 integriert. Die Schaufelkammer 26 ist verbunden mit dem Diffusorschaufelkranz 22, sodass die Leitschaufel 21 in den Diffusorkanal 24 ausfahrbar ist. Die Leitschaufel 21 wird im eingefahrenen Zustand durch eine Führung 27 derart gestoppt, dass zwischen Leitschaufel 21 und Schaufelkammerboden ein Hohlraum ausgebildet ist. Die Schaufelkammer 26 ist mit der Leitschaufel 21 und einer doppelten umlaufenden Dichtnut 25 gegen den Diffusorkanal 24 abgedichtet, sodass in der Schaufelkammer 26 ein anderer Fluiddruck herrschen kann. Dazu ist die Schaufelkammer 26 fluidtechnisch mit dem Austritt 18 über das oben genannte, als Überdruckventil ausgestaltete T-Ventil in Verbindung.The guide blade 21 is completely integrated into a blade chamber 26. The blade chamber 26 is connected to the diffuser blade ring 22, so that the guide blade 21 can be extended into the diffuser channel 24. The guide vane 21 is stopped in the retracted state by a guide 27 in such a way that a cavity is formed between the guide vane 21 and the blade chamber base. The blade chamber 26 is sealed against the diffuser channel 24 with the guide blade 21 and a double circumferential sealing groove 25, so that a different fluid pressure can prevail in the blade chamber 26. For this purpose, the blade chamber 26 is fluidly connected to the outlet 18 via the above-mentioned T-valve designed as a pressure relief valve.

Das Fluid strömt in 2 durch einen Eingangsbereich 28 des Diffusorkanals 24 und verlässt den Diffusorkanal 24 durch einen Ausgangsbereich 29. Der Diffusor ist in diesem Zustand unbeschaufelt, da die Leitschaufeln 21 in den Schaufelkammern 26 versenkt sind. Das Durchströmen des Diffusorkanals 24 des in dem Laufrad 32 beschleunigten Fluids wandelt die kinetische Energie des Fluids in potentielle Energie in Form eines statischen Drucks um. Das Fluid durchströmt den Stator 15 bis hin zu dem Austritt 18.The fluid flows in 2 through an entrance area 28 of the diffuser channel 24 and leaves the diffuser channel 24 through an exit area 29. In this state, the diffuser is without blades because the guide vanes 21 are sunk into the blade chambers 26. The flow through the diffuser channel 24 of the fluid accelerated in the impeller 32 converts the kinetic energy of the fluid into potential energy in the form of static pressure. The fluid flows through the stator 15 to the outlet 18.

Wird die Radialverdichterstufe 10 mit einem geringeren Massenstrom in einem Teillastbetrieb genutzt und steigt der Druck des Fluids in dem Austritt 18 auf einen festgelegten Druck, öffnet sich das T-Ventil und ein kleiner Teil des Fluids strömt dem Druckgefälle folgend in die Schaufelkammern 26 ein. Der Druck des einströmenden Fluids in den Schaufelkammern 26 ist größer als der Druck in dem Diffusorkanal 24, sodass die Leitschaufeln 21 aus den Schaufelkammern 26 aus- und in den Diffusorkanal 24 einfahren.If the radial compressor stage 10 is used with a lower mass flow in partial load operation and the pressure of the fluid in the outlet 18 rises to a set pressure, the T-valve opens and a small part of the fluid flows into the blade chambers 26 following the pressure gradient. The pressure of the incoming fluid in the blade chambers 26 is greater than the pressure in the diffuser channel 24, so that the guide blades 21 move out of the blade chambers 26 and into the diffuser channel 24.

Wird der Radialverdichter entdrosselt, wandert der Betriebspunkt in Richtung Überlast und die Geschwindigkeit des Fluids in dem Stator 15 steigt, wodurch der Druck im Austritt 18 soweit sinkt, dass sich das T-Ventil schließt. Die Schaufelkammern 26 sind über den dritten Abgang des T-Ventils mit der Umgebung fluidtechnisch verbunden. Der Fluiddruck im Diffusorkanal 24 liegt auf einem Niveau oberhalb des Umgebungsdrucks und die Leitschaufeln 21 fahren aus dem Diffusorkanal 24 in die Schaufelkammern 26. Das Fluid aus den Schaufelkammern 26 wird über das T-Ventil an die Umgebung entlüftet. Die Leitschaufeln 21 werden an der Führung 27 gestoppt und schließen mit den Dichtnuten 25 sowie dem Diffusorschaufelkranz 22 bündig zum Diffusorkanal 24 hin ab.If the radial compressor is dethrottled, the operating point moves towards overload and the speed of the fluid in the stator 15 increases, as a result of which the pressure in the outlet 18 drops to such an extent that the T-valve closes. The blade chambers 26 are fluidly connected to the environment via the third outlet of the T-valve. The fluid pressure in the diffuser channel 24 is at a level above the ambient pressure and the guide vanes 21 move out of the diffuser channel 24 into the blade chambers 26. The fluid from the blade chambers 26 is vented to the environment via the T-valve. The guide vanes 21 are stopped at the guide 27 and are flush with the sealing grooves 25 and the diffuser blade ring 22 towards the diffuser channel 24.

In 3 ist schließlich schematisch ein Diffusorschaufelkranz 22 sowie ein Laufrad 31 und eine Welle 32 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ersichtlich. Das in dem Laufrad 31 beschleunigte Fluid strömt durch den Pinch 13 in den Eingangsbereich 28 des Diffusorkanals 20. Der in 3 abgebildete Diffusorschaufelkranz 22 weist einreihig radial angeordnete Leitschaufeln 21 auf, an denen das Fluid entlangströmt, um den Diffusorkanal 20 am Ausgangsbereich 29 zu verlassen.In 3 Finally, a diffuser blade ring 22 as well as an impeller 31 and a shaft 32 according to a preferred exemplary embodiment of the invention can be seen schematically. The fluid accelerated in the impeller 31 flows through the pinch 13 into the entrance area 28 of the diffuser channel 20. The in 3 Diffuser blade ring 22 shown has single row radially arranged guide blades 21, along which the fluid flows in order to leave the diffuser channel 20 at the exit region 29.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11
RadialverdichterCentrifugal compressor
1010
RadialverdichterstufeRadial compressor stage
1111
Eintrittentry
1212
LaufradgehäuseImpeller housing
1313
PinchPinch
1414
180°-Umlenkung180° deflection
1515
Statorstator
1616
RückführbeschaufelungReturn blading
1717
90°-Umlenkung90° deflection
1818
Austrittexit
2020
Diffusordiffuser
2121
Leitschaufelvane
2222
DiffusorschaufelkranzDiffuser blade ring
2323
DiffusorgehäusedeckelDiffuser housing cover
2424
DiffusorkanalDiffuser channel
2525
Dichtnutsealing groove
2626
SchaufelkammerShovel chamber
2727
Führungguide
2828
EingangsbereichEntrance area
2929
AusgangsbereichExit area
211211
DiffusorgehäuseDiffuser housing
3131
LaufradWheel
3232
WelleWave

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 1413763 [0003]EP 1413763 [0003]

Claims (9)

Radialverdichter (1) mit einer Radialverdichterstufe (10), wobei die Radialverdichterstufe (10) ein Laufrad (31), eine Welle (32) und einen einen Diffusor (20) aufweisenden Stator (15) aufweist und das Laufrad (31) auf der Welle (32) angeordnet ist, sodass es von dieser antreibbar ist, das Laufrad (31) ein Laufradgehäuse (12) aufweist, wobei das Laufradgehäuse (12) fluidtechnisch mit dem Stator (15) verbunden ist, der Diffusor (20) ein Diffusorgehäuse (211) mit einem Diffusorgehäusedeckel (23) aufweist, wobei das Diffusorgehäuse (211) auf seiner dem Diffusorgehäusedeckel (23) gegenüberliegenden Seite mit dem Diffusorschaufelkranz (22) verschlossen ist, sodass zwischen dem Diffusorgehäusedeckel (23) und dem Diffusorschaufelkranz (22) ein Diffusorkanal (24) gebildet ist, wobei der Diffusorkanal (24) einen Eingangsbereich (28) entlang seines Umfangs aufweist, der auf dem inneren Radius des Diffusorschaufelkranzes (22) angeordnet ist, der Diffusorkanal (24) einen Ausgangsbereich (29) entlang seines Umfangs aufweist, der auf dem äußeren Radius des Diffusorschaufelkranzes (22) angeordnet ist, und der Diffusorschaufelkranz (22) voneinander beabstandete mit dem Diffusorschaufelkranz (22) verbundene Leitschaufeln (21) aufweist, wobei die Leitschaufeln (21) in der axialen Richtung entlang des Normalenvektors der Oberfläche des Diffusorschaufelkranzes (22) translatorisch beweglich gelagert sind.Radial compressor (1) with a radial compressor stage (10), where the radial compressor stage (10) has an impeller (31), a shaft (32) and a stator (15) having a diffuser (20), and the impeller (31) is arranged on the shaft (32) so that it can be driven by it , the impeller (31) has an impeller housing (12), the impeller housing (12) being fluidly connected to the stator (15), the diffuser (20) has a diffuser housing (211) with a diffuser housing cover (23), the diffuser housing (211) being closed on its side opposite the diffuser housing cover (23) with the diffuser blade ring (22), so that between the diffuser housing cover (23) and a diffuser channel (24) is formed in the diffuser blade ring (22), the diffuser channel (24) having an entrance region (28) along its circumference, which is arranged on the inner radius of the diffuser blade ring (22), the diffuser channel (24) has an exit region (29) along its circumference, which is arranged on the outer radius of the diffuser blade ring (22), and the diffuser blade ring (22) has spaced apart guide vanes (21) connected to the diffuser blade ring (22), the guide blades (21) being mounted in a translationally movable manner in the axial direction along the normal vector of the surface of the diffuser blade ring (22). Radialverdichter (1) nach Anspruch 1, wobei der Diffusorgehäusedeckel (23) und der Diffusorschaufelkranz (22) parallel zueinander verlaufen.Radial compressor (1). Claim 1 , whereby the diffuser housing cover (23) and the diffuser blade ring (22) run parallel to one another. Radialverdichter (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Leitschaufeln (21) wenigstens zweireihig ausgeführt sind, sodass eine zweite Reihe Leitschaufeln (21) einen größeren Radius auf dem Diffusorschaufelkranz (22) aufweist, als eine erste Reihe Leitschaufeln (21).Centrifugal compressor (1) according to one of the preceding claims, wherein the guide blades (21) are designed in at least two rows, so that a second row of guide blades (21) has a larger radius on the diffuser blade ring (22) than a first row of guide blades (21). Radialverdichter (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Stator (15) einen fluidtechnisch mit dem Ausgangsbereich (29) des Diffusors (20) verbundenen Austritt (18) aufweist, der Diffusorschaufelkranz (22) Schaufelkammern (26) auf der dem Diffusorkanal (24) abgewandten Seite zur Aufnahme der Leitschaufeln (21) aufweist und die Schaufelkammern (26) derart fluidtechnisch mit dem Austritt (18) verbunden sind, dass das Fluid ab einem vorbestimmten Druckdifferenzwert dem Druckgefälle folgend strömen kann, sodass die Leitschaufeln (21) aus den Schaufelkammern (26) im Diffusorschaufelkranz (22) mittels der Druckdifferenz ausgefahren werden.Centrifugal compressor (1) according to one of the preceding claims, wherein the stator (15) has an outlet (18) which is fluidly connected to the output region (29) of the diffuser (20), the diffuser blade ring (22) has blade chambers (26) on the side facing away from the diffuser channel (24) for receiving the guide blades (21) and the blade chambers (26) are fluidly connected to the outlet (18) in such a way that the fluid can flow following the pressure gradient from a predetermined pressure difference value, so that the guide blades (21) are extended from the blade chambers (26) in the diffuser blade ring (22) by means of the pressure difference become. Radialverdichter (1) nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Leitschaufel (21) in eingefahrener Position durch eine Führung (27) derart gestoppt ist, dass zwischen Leitschaufelboden und Schaufelkammerboden ein Hohlraum ausgebildet ist.Radial compressor (1) according to the preceding claim, wherein the guide vane (21) is stopped in the retracted position by a guide (27) in such a way that a cavity is formed between the guide vane base and the blade chamber base. Radialverdichter (1) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die in der Schaufelkammer (26) versenkte Leitschaufel (21) mit einer Dichtnut (25), die entlang des Randes der Schaufelkammer (26) verläuft, gegen den Diffusorkanal (24) abgedichtet ist und nicht in diesen hineinragt.Centrifugal compressor (1) according to one of the Claims 4 or 5 , wherein the guide vane (21) recessed in the blade chamber (26) is sealed against the diffuser channel (24) with a sealing groove (25) which runs along the edge of the blade chamber (26) and does not protrude into it. Radialverdichter (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6 mit mehreren Radialverdichterstufen (10), wobei vor dem Laufrad der ersten Radialverdichterstufe (10) ein Eintritt (11) angeordnet ist, der Eintritt (11) fluidtechnisch mit dem Laufrad in Verbindung steht, in den folgenden Radialverdichterstufen (10) der Austritt (18) der jeweils vorherigen Radialverdichterstufe (10) fluidtechnisch mit dem Laufrad der folgenden Radialverdichterstufe (10) bis hin zu einer vorletzten Radialverdichterstufe (10) verbunden ist und der Austritt (18) der letzten Radialverdichterstufe (10) derart fluidtechnisch mit den Schaufelkammern (26) der Diffusorschaufelkränze verbunden ist, dass das Fluid ab einem vorbestimmten Druckdifferenzwert dem Druckgefälle folgend strömen kann, sodass die Leitschaufeln (21) aus den Schaufelkammern (26) im Diffusorschaufelkranz (22) mittels der Druckdifferenz ausfahrbar sind.Centrifugal compressor (1) according to one of the Claims 4 until 6 with several radial compressor stages (10), an inlet (11) being arranged in front of the impeller of the first radial compressor stage (10), the inlet (11) being fluidly connected to the impeller, in the following radial compressor stages (10) the outlet (18) the respective previous radial compressor stage (10) is fluidly connected to the impeller of the following radial compressor stage (10) up to a penultimate radial compressor stage (10) and the outlet (18) of the last radial compressor stage (10) is fluidly connected to the blade chambers (26) of the diffuser blade rings is connected that the fluid can flow following the pressure gradient from a predetermined pressure difference value, so that the guide blades (21) can be extended from the blade chambers (26) in the diffuser blade ring (22) by means of the pressure difference. Radialverdichter (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Schaufelkammern (26) mittels eines als T-Ventil ausgestalteten Überdruckventils fluidtechnisch mit dem Austritt (18) und mit der Umgebung verbunden sind.Centrifugal compressor (1) according to one of the Claims 4 until 7 , wherein the blade chambers (26) are fluidly connected to the outlet (18) and to the environment by means of a pressure relief valve designed as a T-valve. Radialverdichter (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die Schaufelkammern (26) derart mit Überdruckventilen versehen sind, dass einzelne und/oder mehrere Leitschaufeln (21) bei unterschiedlichen Druckdifferenzen translatorisch beweglich sind.Centrifugal compressor (1) according to one of the Claims 4 until 8th , wherein the blade chambers (26) are provided with pressure relief valves in such a way that individual and/or multiple guide blades (21) are translationally movable at different pressure differences.
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