DE1428170B2

DE1428170B2 - RUNNER FOR A MULTI-STAGE RADIAL COMPRESSOR

Info

Publication number: DE1428170B2
Application number: DE19631428170
Authority: DE
Inventors: R Dr Ing 8000 München Stroehlen
Original assignee: Gutehoffnungshutte Sterkrade AG, 4200 Oberhausen
Priority date: 1963-04-16
Filing date: 1963-04-16
Publication date: 1972-01-27
Also published as: GB992788A; DE1428170A1

Description

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allgemeinen recht gut ist; dort sind nämlich die schaufehl messerscharf ausgebildet sein, soweit heraxiale Laufradaustrittsbreite und damit die axiale stellungstechnische oder auch betriebstechnische Be-Eintrittsbreite der nachgeschalteten Leitvorrichtung lange dies zulassen.general is pretty good; there the shovel flaws are razor-sharp, as far as their axial ones Impeller outlet width and thus the axial position-related or operational loading inlet width allow the downstream control device to do this for a long time.

genügend groß, während für die nachfolgenden Stu- In der Zeichnung sind als Ausführungsbeispiel diesufficiently large, while for the following studies, the drawings are an exemplary embodiment

fen trotz kleiner werdender Laufraddurchmesser diese 5 drei zuerst durchflossenen Stufen eines mindestens Breiten von Stufe zu Stufe kleiner werden. Hierin vierstufigen Radialverdichters gemäß der Erfindung liegt der Hauptgrund für die von Stufe zu Stufe im Längsschnitt dargestellt.In spite of the smaller impeller diameters, these five first three stages run through at least one Widths get smaller from step to step. Herein four-stage centrifugal compressor according to the invention lies the main reason for being shown from stage to stage in longitudinal section.

schlechter werdenden Wirkungsgrade. Bei geringen Diese drei Stufen sind mit 11, 12 und 13 bezeich-deteriorating efficiencies. In the case of low These three levels are designated with 11, 12 and 13.

Verhältnissen von Laufradaustrittsbreite b₂ zu Lauf- net, die zugehörigen Laufräder mit 29, 30 und 31 radaußendurchmesser D₀ (£>JD₂) und auch bei sehr 10 und die Durchströmrichtung der Maschine mit 14. geringen absoluten Werten von b₂ (im Bereich von Die Laufräder 29, 30 und 31 sitzen gemeinsam auf 5 bis 15 mm) ist der Anteil der Grenzschichtdicken der Maschinenwelle 10. Die Außenradien der Laufam Gesamtströmungsprofil überaus groß, so daß der räder 29, 30 und 31 nehmen in Durchströmrichtung Wirkungsgrad erheblich absinkt. 14 ab, was durch die strichpunktierte Linie 27 ge- Ratios of impeller outlet width b ₂ to running net, the associated impellers with 29, 30 and 31 outer wheel diameter D ₀ (£> JD ₂ ) and also with very 10 and the flow direction of the machine with 14. low absolute values of b ₂ (in the range The impellers 29, 30 and 31 sit together at 5 to 15 mm) is the proportion of the boundary layer thicknesses of the machine shaft 10. The outer radii of the Laufam overall flow profile are extremely large, so that the wheels 29, 30 and 31 are considerably less efficient in the direction of flow. 14 from what is indicated by the dash-dotted line 27

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß 15 kennzeichnet ist. Jedes der Laufräder 29 bis 31 ist bei einem Läufer der eingangs erwähnten bekannten von einem feststehenden Leitschaufelkranz (Diffusor) Art dadurch, daß von Stufe zu Stufe die Verhält- umgeben. Diese Leitschaufelkränze sind mit 32 bis 34 nisse des Laufradaußenradius zum Laufradbeschau- bezeichnet. Infolge des abnehmenden Volumens des felungsaußenradius und der axialen Laufradaustritts- Arbeitsmittels werden die Kanalquerschnitte 16, 17 breite zur Laufschaufelaustrittsbreite sowie die radi- 20 und 18 von Stufe zu Stufe enger,
alen Erstreckungen der Umlaufdiffusoren und die Die Erfindung ist nur auf die Stufen 12,13 ff. an-The object is achieved according to the invention 15 is identified. In the case of a rotor of the known type mentioned at the beginning, each of the impellers 29 to 31 is surrounded by a stationary guide vane ring (diffuser) type in that the ratio is from step to step. These guide vane rings are designated with 32 to 34 nits of the impeller outer radius for inspection of the impeller. As a result of the decreasing volume of the outer radius and the axial impeller outlet working fluid, the channel cross-sections 16, 17 are wider than the blade outlet width and the radii 20 and 18 are narrower from step to step,
alen extensions of the circulating diffusers and the The invention is only applicable to stages 12, 13 ff.

Diffusorerweiterungswinkel zunehmen. Im Grenzfall angewendet, da, insbesondere bei Grenzleistungsverkann unter bestimmten Voraussetzungen erreicht dichtem, die erste Stufe 11 ohnehin einen guten Wirwerden, daß die axialen Laufradaustrittsbreiten aller kungsgrad aufweist: Die Laufräder 30, 31 ff. weisen Stufen gleich groß bleiben oder aber in Durchström- 25 jeweils einen schaufellosen Diffusorraum 19, 28 ff. richtung der Maschine nur wenig abnehmen. Doch ist auf. Die radialen Erstreckungen 20, 21 ff. der Diffueine solche starke Steigerung der axialen Laufrad- soren bzw. Diffusorräume 19, 28 nehmen in Durchaustrittsbreiten gegenüber der Normalauslegung im Strömrichtung 14, also mit fortschreitender Stufenallgemeinen nicht erforderlich. zahl, bis zu einem Grenzwert zu. Weiterhin nehmen Increase diffuser expansion angle. Applied in borderline cases because, especially in the case of borderline power, sold under certain conditions dense, the first stage 11 is a good becoming anyway, that the axial impeller outlet widths all kungsgrad: The impellers 30, 31 ff. Point Stages remain the same size or in flow-through 25 each have a vaneless diffuser chamber 19, 28 ff. decrease only a little in the direction of the machine. But is on. The radial extensions 20, 21 ff. Of the diffuins Such a strong increase in the axial impeller sensors or diffuser spaces 19, 28 increase in passage widths compared to the normal design in the direction of flow 14, i.e. generally not required as the steps progress. number, up to a limit. Keep taking

Die insbesondere aus Gründen der Scheibenreibung 30 in Durchströmrichtung 14 die Diffusorerweiterungserforderliche Abnahme der Laufradaußenradien in winkel 22, 23 ff. bis zu einem Grenzwert von etwa Durchströmrichtung der Maschine gesehen kommt der 90° zu. Das hat zur Folge, daß die relativen axialen genannten Zunahme der Diffusorerweiterungswinkel Verbreiterungen der Leitschaufelkränze 33, 34 gegenzugute, da die abnehmenden Umfangsgeschwin- über dem Normalfall in Durchströmrichtung 14 bedigkeiten«₂ festigkeitsmäßig eine Zunahme dieser 35 deutend vergrößert werden können; gemäß diesem Winkel und sogar Erweiterungswinkel bis zu δ = 90° Ausführungsbeispiel sind die axialen Breiten 15 des gestatten. So große Erweiterungswinkel werden ins- Laufradaustritts und des Leitschaufelkranzes 34 der besondere bei den letzten Stufen angewendet. der Stufe 13 sogar etwa so groß wie die entsprechen-The decrease in the impeller outer radii at angles 22, 23 ff. Up to a limit value of approximately the flow direction of the machine, which is required in the flow direction 14 for the diffuser enlargement, is due in particular to a limit value of approximately the flow direction of the machine. This has the consequence that the relative axial increase in the diffuser expansion angle spacers of the vane rings 33 mentioned, 34 to benefit as the decreasing gear circumferential about the normal case in the flow direction 14 bedigkeiten _"2 an increase of these can be enlarged pointing 35 in terms of strength; according to this angle and even widening angles up to δ = 90 ° embodiment, the axial widths 15 of the allow. Such large expansion angles are used in the impeller outlet and the guide vane ring 34 of the special in the last stages. level 13 is about as large as the corresponding

Es hat sich gezeigt, daß durch die Erfindung auch den axialen Breiten der ersten Stufe 11. Damit werdie Pumpgrenze stark herabgesetzt wird und in be- 40 den die Verluste durch die Grenzschichtreibung stimmten Fällen sogar eine Pumpgrenze überhaupt wesentlich herabgesetzt und somit die Stufenwirkungsnicht vorhanden ist. Dies ist dadurch zu erklären, grade erheblich verbessert. Mit dieser Verbesserung daß der umlaufende, schaufellose Diffusor weitest- der Stufenwirkungsgrade wird gleichzeitig der Gesamtgehend unempfindlich ist gegenüber Änderungen der wirkungsgrad der Maschine wesentlich angehoben. Anströmrichtung. Bei mehrstufigen Verdichtern tritt 45 Gleichzeitig werden die anderen genannten Teilaufdas Pumpen zuerst vorzugsweise in den letzten Stu- gaben gelöst.It has been shown that the invention also allows the axial widths of the first stage 11. So that whoever The surge limit is greatly reduced, and in some cases the losses due to boundary layer friction In some cases, even a surge line is significantly reduced and the step effect is not is available. This can be explained by this, just considerably improved. With this improvement that the revolving, blade-less diffuser of the greatest possible degree of efficiency is at the same time the overall one insensitive to changes, the efficiency of the machine is significantly increased. Direction of flow. In the case of multi-stage compressors, the other parts mentioned are added 45 at the same time Pumps solved first, preferably in the last stages.

fen des Verdichters auf. Gemäß der Erfindung wird An die beschaufelten Leitschaufelkränze 32 bis 34the compressor. According to the invention, An is the bladed guide vane rings 32 to 34

nun gerade zu den letzten Stufen hin das Prinzip des schließen sich übliche Sammelkanäle bzw. -Spiralen umlaufenden Diffusors in verstärktem Maße zur An- 24 bis 26 an. Es kann sich dabei jeweils um zwei wendung gebracht und damit erreicht, daß bei den 50 sich jeweils über 180° erstreckende Spiralen handeln, bisher am meisten gefährdeten Stufen die Pumpgrenze Daran kann sich ein Zwischenkühler anschließen, aus außerordentlich stark herabgedrückt oder sogar be- dem das Arbeitsmittel dann der nächsten Stufe zuseitigt wird. Ein gutes Teillastverhalten, insbesondere strömt. Gerade für mehrstufige Radialverdichter mit dieser Stufen bzw. Räder, wird dadurch erzielt, daß Zwischenkühlung ist die Erfindung von wesentlicher die Laufschaufeln profiliert sind, wobei ihre Profil- 55 Bedeutung. Bei solchen Verdichtern werden die höhe zum Laufschaufelaustritt hin stetig abnimmt. Kanalquerschnitte infolge des wegen der Zwischen-Somit ist die Strömung in den Laufradaustritten der kühlung in Strömungsrichtung 14 noch stärker abletzten Stufen gleichmäßig und geordnet; die ge- nehmenden Volumens des Arbeitsmittels noch stärker nannten Nachlaufdellen, d. h. die ungleichmäßige enger; speziell in den letzten Stufen des Verdichters Verteilung der Austrittsgeschwindigkeit des Laufrad- 60 wird der Grenzschichteinfluß dann sehr stark. Zum stromes, sind bzw. ist praktisch verschwunden. Im Beispiel durch große Diffusorerweiterungswinkel wird Grenzfalle können die Austrittskanten der Lauf- dieser Einfluß weitgehend gemindert.Now just towards the last steps the principle of the usual collecting channels or spirals close circumferential diffuser to an increased extent to the 24 to 26. There can be two at a time turned around and thus achieved that act in the 50 spirals each extending over 180 °, So far most endangered stages the surge limit This can be followed by an intercooler, off extremely strongly depressed or even with the work equipment then being moved to the next stage will. Good part-load behavior, especially flows. Especially for multistage centrifugal compressors with these stages or wheels, is achieved in that intercooling is essential to the invention the blades are profiled, their profile 55 meaning. With such compressors, the height decreases steadily towards the blade outlet. Channel cross-sections as a result of the because of the intermediate thus If the flow in the impeller outlets of the cooling in flow direction 14 is even stronger Levels even and orderly; the increasing volume of the work equipment called trailing dents, d. H. the uneven tighter; especially in the last stages of the compressor Distribution of the exit speed of the impeller 60, the boundary layer influence is then very strong. To the stromes, are or has practically disappeared. In the example, a large diffuser expansion angle is used Borderline cases can reduce the trailing edges of the running- this influence to a large extent.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

1 2 also on the efficiency of this implementation special claims: which value must be placed if a good overall stage efficiency is to be achieved. A series of measurements and observations

1. Runner for a multi-stage Radialver- 5 has now shown that in radial turbo machines denser with the wheel efficiency decreasing from stage to stage, i.e. the implementation of the Impeller diameters and rotating, blade kinetic energy in static pressure behind the loose diffusers, thereby marked- impeller outlet not included, with correct design net that from step to step the proportions of the and cross-section dimensioning is quite high and mostly Impeller outer radius (35) to the impeller loading io is between about 84% and about 88%, while Lung outer radius (36) and the axial impeller - the overall stage efficiency considerably below the outlet width (15) to the blade outlet width sen values. The reason for this reduction (37) and the radial extensions (20, 21) is that the efficiency of the implementation of the the circulating diffusers (19, 28) and the diffuser kinetic exit energy in static pressure increase the extension angle (22, 23). 15 is worse than the wheel efficiency.

2. Runner according to claim 1, characterized in that, for this reason, one has already drawn in the run, that the second and the following impellers to generate static pressure, namely by Wheels are fitted with the vane-less diffusers. Use of a revolving, vane-less diffuser. fusors, increased in the impeller radially outside the

20 impeller blading is provided and is generally achieved by means of wheel side walls that are extended to the outside.

forms is how, in principle, from the French

Patents 1261548 and 1267197 results. It has already become known from (((- these publications

The invention relates to a runner for 25 that the conversion of dynamic pressure into a multistage centrifugal compressor with from stage to static pressure under more favorable conditions Stage of decreasing impeller diameter and occurs because of the vaneless diffusers. switched control device share of the in

The further development of such machines extends static pressure to be converted head versieh mainly on the improvement of the reduced is. In addition, the flow in the overall efficiency of the running machine is largely balanced over as far as possible a wheel, and furthermore, a wide working range, in particular the lowering of the so-called wake dents, and also the increase in the step table have disappeared. So it is quite the same head in the interest of reducing the moderate and orderly flow in the impeller outlet, power-to-weight ratio and thus manufacturing costs. The simultaneous fulfillment of these three requirements for a good degree of efficiency of the guide device connected downstream of the run is quite difficult and according to the common understanding, so that it is not possible without further ado, because probably means and through the application of the called circumferential, ways are known, one of these requirements for vane-less diffuser also the efficiency of the talk, the fulfillment of which, however, increases other requirements at the expense of one of the 4 ° downstream of the impeller guide device. The invention is the will. Since a strong expansion of the circumferential task is based, these three requirements equal diffuser is permissible without the risk of detachment in time, whereby the efficiency of Stu's flow exists, so the impeller receives fen and / or step groups in the flow direction Downstream guiding device compared to a normal (^ _{1 of} the machine, not as strong as previously 45 times design a significantly larger axial deterioration or even remain the same step width, which increases the efficiency of this Leitvorsollen, direction still further.

The difficulties of building turbo work- The application of a rotating, shovelless

machines with good efficiency and a cheap diffuser brings increases in both the stepped pumping behavior are in particular in the processes 50 kungsgrad as well as the step head and ferder Replacement is given by the condition that at the same time a lowering of the surge limit, risk of solution and thus the possibility of vortex

Formation with its high losses and thus also the turbo machine are now the impeller outside the unstable work in the pumping area always consists of diameter from stage to stage, generally small flow areas with pressure increase. The beginning of 55 years. The first impeller has the greatest outside due to the detachment is given by the condition that the knife and thus the greatest outside circumferential speed have a speed gradient perpendicular to the wall speed M ₂ , the limit of which goes from zero, among other things. Starting from this point, the material used and the structural design then depend on the normal flow direction of the impeller, but with regard to the direction of a back flow close to the wall and the achievable step head as high as possible with a very strong increase in the boundary layer thickness . should lie. The application of a circumferential,

In general, with multi-stage turbo-vane-less diffuser it is very difficult for the first stage, depending on the degree of reaction of the machine, if the outer circumference of the individual stages _{already pressure a substantial part of the total speed M 2 of} the impeller of this stage by converting speed 65 has the possible limit peripheral speed. Anenergy in static pressure in stationary, but on the other hand, an application of such a wheel-connected guide device (diffusor for the first stage not necessarily notsoren) is generated. It is obvious that just manoeuvrable, since the efficiency of the first stage im