DE19543181A1

DE19543181A1 - Multiple impeller for compressor

Info

Publication number: DE19543181A1
Application number: DE19543181A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Ing Albring; Norbert Mueller
Original assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 1995-11-20
Filing date: 1995-11-20
Publication date: 1997-05-22

Abstract

The multiple impeller for the compressor for fluids of minimal density has preferably two or three part-impellers rotating in the same direction without any guide blades between them. Each impeller can be driven independently of the other(s) to achieve the desired operating condition. They have direct drives with individual speed control. The drives are frequency-controlled motors integrated into the hub construction, along with a hollow shaft system with belt drive or a gearbox. The radial gap between the impellers is normal to the axis. The blades of the first impeller have the greatest size. The first impeller is manufactured by milling, but the other(s) is/are from glass fibre.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mehrfachlaufrad für Turboverdichter diagonaler Bauart zur Ver dichtung von Fluiden geringer Dichte, vorzugsweise von Wasserdampf unter Vakuumbe dingungen.The invention relates to a multiple impeller for turbo-compressor diagonal type for Ver Sealing of low density fluids, preferably water vapor under vacuum conditions.

Es gibt Prozesse, bei denen es notwendig ist, große Volumenströme geringer Dichte mit maximalen Druckverhältnis zu verdichten. Dies ist zum Beispiel beim Wasserkälteprozeß der Fall. Eine effektive Realisierung dieser Aufgabe ist nur mit Grenzleistungs-Turbover dichtern möglich. Die Laufräder solcher Verdichter laufen mit sehr großen Umfangsge schwindigkeiten bis ca. 600 m/s, um ein möglichst großes Druckverhältnis zu erreichen. Die Fliehkraftbeanspruchung der rotierenden Bauteile ist dabei sehr hoch. Deshalb müssen alle rotierenden Bauteile, besonders die mit großen radialen Abmessungen (Schaufeln und Tragscheibe), möglichst leicht ausgeführt werden. Die Kraftwirkung zwischen Fluid und den Schaufeln ist dagegen sehr gering bei der Verdichtung von Fluiden mit kleiner Dichte. Bei der Ausführung der Schaufeln als Radialfaserschaufeln sind deren Biegebeanspruchung infolge der geringen Kraftwirkung des Fluides gegenüber den Fliehkraftbeanspruchungen in radialer Richtung so klein, daß unter Verwendung von Faser-Verbundwerkstoffen die Schaufeln sehr dünn ausgeführt werden können.There are processes where it is necessary to have large volume flows with low density to compress maximum pressure ratio. This is the case with the water cooling process, for example the case. An effective realization of this task is only possible with limit power turboover poetry possible. The impellers of such compressors run with a very large circumference speeds up to approx. 600 m / s in order to achieve the highest possible pressure ratio. The Centrifugal stress on the rotating components is very high. So everyone has to rotating components, especially those with large radial dimensions (blades and Supporting disc), be carried out as lightly as possible. The force effect between fluid and Buckets, on the other hand, are very small when compressing low-density fluids. At The design of the blades as radial fiber blades are their bending stress due to the low force effect of the fluid against the centrifugal stresses in radial direction so small that using fiber composites Buckets can be made very thin.

Die Ausführung solcher Verdichterlaufräder mit völlig ebenen Schaufeln ist die einfachste und kostengünstigste Ausführungsart. Bei einem solchen Laufrad treten aber bei drallfreier Zuströmung starke Fehlanströmungen an den Laufradschaufeln auf. Dies kann den Laufradwirkungsgrad wesentlich vermindern und somit das erreichbare maximale Druckver hältnis absenken. Eine Krümmung der Schaufeln in Umfangsrichtung, wie es zum Beispiel bei gefrästen Grenzleistungs-Turboverdichtern üblich ist, erweist sich bei Konstruktionen mit Faser-Verbundwerkstoffen als konstruktiv problematisch und zumeist festigkeitsmindernd.The design of such compressor impellers with completely flat blades is the simplest and most economical design. With such an impeller, however, occur with less twist Inflow of strong incorrect inflows on the impeller blades. This can be the Reduce impeller efficiency considerably and thus the maximum pressure lower ratio. A curvature of the blades in the circumferential direction, as for example is common in milled maximum power turbo compressors, proves with constructions Fiber composites are structurally problematic and mostly reduce strength.

Um dennoch die Anströmbedingungen für ein Laufrad mit völlig ebenen Schaufeln zu ver bessern, sind zwei Möglichkeiten bekannt, der Einsatz eines Vorleitrades oder eines Vor satzläufers. Die konstruktiv einfachere Möglichkeit ist das Vorleitrad, jedoch mit einigen we sentlichen Nachteilen. Das maximal erreichbare Druckverhältnis ist geringer. Die Strömung wird im Vorleitrad stark beschleunigt. Damit besteht die Gefahr von Kondensations- und Stoßerscheinungen. Außerdem sind die Reibungsverluste größer. Dem gegenüber bringt der Einsatz eines Vorsatzläufers bedeutende Vorteile. Dem Fluid wird vom Beginn seiner Drallerhöhung Arbeit zugeführt. Damit ist die Gefahr von Kondensations- und Stoßerschei nungen geringer. Problematisch ist jedoch hauptsächlich die Gestaltung der Schaufeln im Übergangsbereich vom Vorsatzläufer zum Laufrad. Der Vorsatzläufer wird mit dem Laufrad starr verbunden. Nach Montage des Vorsatzläufers mit dem Laufrad sollen im Übergangs bereich vom Vorsatzläufer zum Laufrad keine Oberflächenunebenheiten verbleiben, die zum Abriß der Schaufelströmung führen können und folglich das erreichbare maximale Druckverhältnis mindern würden. Bestehen aber die Laufradschaufeln z. B. aus sehr dün nen Faser-Verbundwerkstoffplatten, dann sind die Schaufeln eines z. B. aus Metall gefrä sten Vorsatzläufers meist dicker und es entstehen unvermeidlich nicht unerhebliche Hinter schneidungen im Strömungsweg auf den Schaufeloberflächen. Außerdem ist eine dauer hafte strömungsdichte Verbindung dieser unterschiedlichen Werkstoffe im Bereich der Schaufeln ohne Beeinträchtigung des Strömungsweges sehr schwierig und zumindest im Bezug auf dynamische Belastungen als sehr kritisch anzusehen.In order to verify the inflow conditions for an impeller with completely flat blades improve, two options are known, the use of a Vorleitrades or a Vor sentence runner. The structurally simpler option is the stator, but with some we considerable disadvantages. The maximum achievable pressure ratio is lower. The current is strongly accelerated in the guide wheel. So there is a risk of condensation and Bumps. In addition, the friction losses are greater. Brings against that the use of a header run has significant advantages. The fluid becomes from the beginning of its Swirl increase work done. So there is a risk of condensation and shock less. The main problem, however, is the design of the blades in the Transition area from the front runner to the impeller. The front runner comes with the impeller rigidly connected. After mounting the front rotor with the impeller should be in transition area from the front runner to the impeller there are no surface unevenness can lead to the stopping of the blade flow and consequently the maximum achievable Would reduce pressure ratio. But there are the impeller blades z. B. from very thin NEN fiber composite panels, then the blades of a z. B. milled from metal Most front runner usually thicker and inevitably not insignificant behind arise cuts in the flow path on the blade surfaces. Besides, there is a duration Adhesive flow-tight connection of these different materials in the area of Buckets without impairing the flow path very difficult and at least in Regarding dynamic loads as very critical.

Aufgabe der Erfindung ist es, die vorstehend beschriebenen Nachteile zu beseitigen und eine Laufradkonstruktion zu schaffen, die relativ einfach an die gewünschten Betriebszu stände des Turboverdichters angepaßt werden kann. The object of the invention is to eliminate the disadvantages described above and to create an impeller design that is relatively easy to operate levels of the turbocompressor can be adjusted.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst. Mittels der Fig. 1 und 2 wird durch Gegenüberstellung die Erfindung zu bekannten Laufrädern die Erfindung ver deutlicht.The object is solved by the features of the claims. By means of the Figs. 1 and 2, the invention is to known impellers interpreting light ver the invention by comparison.

Die Lösung der Aufgabe wurde entgegen der Erwartung nicht durch eine technisch sehr aufwendige "ideale" Verbindung zweier Teillaufräder 5 und 6 gefunden (Fig. 1b zum Ver gleich), sondern durch die Trennung eines Laufrades in zwei Teillaufräder 1 und 2, die ohne Zwischenleiteinrichtung in einem strömungstechnisch günstigen Abstand 3 zueinander an geordnet werden und jeweils mit einem separaten Antrieb 4 versehen werden (Fig. 1a).Contrary to expectations, the solution to the problem was not found by a technically very complex "ideal" connection of two partial impellers 5 and 6 ( FIG. 1b for comparison), but by the separation of an impeller into two partial impellers 1 and 2 , which have no intermediate guide device in a fluidically favorable distance 3 to each other and are each provided with a separate drive 4 ( Fig. 1a).

So kann z. B. ein herkömmliches, mit Radialfaserschaufeln ausgelegtes, Diagonalverdichter laufrad vorzugsweise achsnormal in ein erstes Teillaufrad 1 mit in Umfangrichtung ge krümmten Schaufeln und vorzugsweise geringerem Außendurchmesser und ein zweites Teillaufrad 2 mit völlig ebenen Schaufeln geteilt werden.So z. B. a conventional, designed with radial fiber blades, diagonal compressor impeller preferably axially normal in a first partial impeller 1 with ge in the circumferential direction curved blades and preferably smaller outer diameter and a second partial impeller 2 with completely flat blades.

Das erste Teillaufrad 1 wird im Auslegungspunkt vorzugsweise mit einer höheren Drehzahl als das zweite Teillaufrad 2 betrieben. Aus diesem Grund muß die Schaufelkrümmung des ersten Teillaufrades 1 bzw. die Umlenkung Δβ₁ entsprechend der gewählten Drehzahlen im Auslegungspunkt neu ausgelegt werden, wenn die Anströmung der Teillaufräder 1 und 2 weitestgehend stoßfrei erfolgen soll. Dabei ist eine gewisse Minderumlenkung der Strö mung am Austritt des ersten Teillaufrades 1 zu berücksichtigen. Die Umlenkung des ersten Teillaufrades 1 Δβ₁ kann sich also von der Umlenkung eines Vorsatzläufers 5 Δβ₅ unter scheiden. Sie kann bei der Wahl einer genügend hohen Drehzahl des ersten Teillaufrades 1 kleiner ausfallen, auch mit Berücksichtigung der Minderumlenkung (Fig. 2). Dadurch kön nen Belastungen in der Konstruktion des Teillaufrades vermindert und die Herstellung ver einfacht werden. Infolge einer geringeren Umlenkung können sich aber auch strömungsme chanische Vorteile ergeben.The first partial impeller 1 is preferably operated at a higher speed than the second partial impeller 2 at the design point. For this reason, the blade curvature of the first partial impeller 1 or the deflection .DELTA..beta..sub.1 must be redesigned in accordance with the selected speeds in the design point if the flow against the partial impellers 1 and 2 is to be largely smooth. A certain reduction in deflection of the flow at the outlet of the first partial impeller 1 must be taken into account. The deflection of the first partial impeller 1 Δβ₁ can thus differ from the deflection of an attachment rotor 5 Δβ₅. It can turn out to be smaller when a sufficiently high speed of the first partial impeller 1 is selected , also taking into account the reduced deflection ( FIG. 2). As a result, loads in the design of the partial impeller can be reduced and production can be simplified. As a result of a smaller deflection, mechanical advantages can also arise.

Nähere Untersuchungen haben ergeben, daß die gefundene Lösung zahlreiche weitere Vorteile bietet, die mit der herkömmlichen Verbindung von Vorsatzläufer 5 und Laufrad 6 nicht erreicht werden können.Closer investigations have shown that the solution found offers numerous other advantages which cannot be achieved with the conventional connection of front rotor 5 and impeller 6 .

Ein erfindungsgemäß gestaltetes Laufrad kann effektiver arbeiten, weil durch den separa ten Antrieb 4 eines jeden Teillaufrades 1 und 2 die Grenzleistungsparameter für jedes Teil laufrad 1 und 2 voll ausgeschöpft werden können, wie z. B. die von der Festigkeit bestimmte maximale Umfangsgeschwindigkeit. Ist z. B. der Außendurchmesser des ersten Teillaufra des 1 geringer als der des zweiten Teillaufrades 2, so kann das erste Teillaufrad 1, bei z. B. gleicher Festigkeit, mit höheren Drehzahlen arbeiten als das zweite Teillaufrad 2. Damit kann ein höheres Druckverhältnis erzielt werden.An impeller designed according to the invention can work more effectively, because through the separate drive 4 of each part impeller 1 and 2, the limit performance parameters for each part impeller 1 and 2 can be fully exploited, such as. B. the maximum peripheral speed determined by the strength. Is z. B. the outer diameter of the first part of the 1 smaller than that of the second part of the impeller 2 , the first part of the impeller 1 , at z. B. the same strength, work at higher speeds than the second partial impeller 2 . This enables a higher pressure ratio to be achieved.

Ein erfindungsgemäß gestaltetes Laufrad bietet auch zusätzliche Regelmöglichkeiten. Denn für die Teillaufräder 1 und 2 kann eine getrennte Drehzahlregelung vorgesehen werden, womit unterschiedliche Zuströmbedingungen hauptsächlich für das zweite Teillaufrad 2 ein gestellt werden können und sich somit weitere (eventuell verlustärmere) Möglichkeiten der Regelung des Druckverhältnisses und des Volumenstromes ergeben.An impeller designed according to the invention also offers additional control options. Because for the partial impellers 1 and 2 , a separate speed control can be provided, which means that different inflow conditions can be set mainly for the second partial impeller 2 , and thus further (possibly less lossy) options for regulating the pressure ratio and the volume flow result.

Durch die erfindungsgemäße Aufteilung eines Laufrades in z. B. zwei Teillaufräder 1 und 2 kann sich an den Schaufeln des zweiten Teillaufrades 2 eine neue (dünnere) Grenzschicht ausbilden und somit die Gefahr des Strömungsabrisses von der Laufradbeschaufelung ge genüber einem Laufrad 6 mit Vorsatzläufer 5 vermindert werden. Außerdem kann bei sehr niedrigen Reynoldszahlen (z. B. beim Wasserkälteprozeß) durch die Nachlaufwirbel des ersten Teillaufrades 1 eine künstliche Turbulenz in der Anströmung des nachfolgenden Teillaufrades 2 erzeugt werden, was die Gefahr des Strömungsabrisses von den Schaufeln des nachfolgenden Teillaufrades 2 ebenfalls vermindern kann.The inventive division of an impeller in z. B. two part impellers 1 and 2 can form a new (thinner) boundary layer on the blades of the second part impeller 2 and thus the risk of stall from the impeller blading compared to an impeller 6 with an auxiliary rotor 5 can be reduced. In addition, at very low Reynolds numbers (e.g. in the water cooling process), the wake vortices of the first part impeller 1 can produce an artificial turbulence in the inflow of the following part impeller 2 , which can also reduce the risk of stalling from the blades of the subsequent part impeller 2 .

Die benötigte Verdichterantriebsleistung kann auf zwei separate Antriebsmotoren 4 aufge teilt werden. Damit sind die einzelnen Motorleistungen kleiner und folglich meist auch die Motoraußendurchmesser. Dies kann ermöglichen, daß auch bei etwas größeren Gesamt leistungen modernere frequenzgesteuerte Motoren z. B. in den Naben der Teillaufräder in tegriert werden können (Fig. 1a) bzw. bei sowieso geringen Antriebsleistungen (Verdichtung von Fluiden sehr geringer Dichte, z. B. beim Wasserkälteprozeß) die Nabenaußendurch messer kleiner gestaltet werden können und damit der Strömungsquerschnitt vergrößert oder die Baugröße verringert werden kann.The required compressor drive power can be divided up into two separate drive motors 4 . This means that the individual engine outputs are smaller and, consequently, usually the outer diameter of the engine. This can allow that even with somewhat larger overall performance more modern frequency-controlled motors such. B. can be integrated in the hubs of the partial impellers ( Fig. 1a) or with anyway low drive power (compression of very low density fluids, e.g. in the water cooling process) the hub outer diameter can be made smaller and thus the flow cross section enlarged or the size can be reduced.

Zwei weitere Möglichkeiten des getrennten Antriebs zweier Teillaufräder 1 und 2 sind in Fig. 3 dargestellt. Sind die notwendigen Antriebsleistungen zu groß oder ist eine Integration wie in Fig. 1a aus anderen Gründen nicht möglich, so können die getrennten Antriebe auch über ein Hohlwellensystem 7, ähnlich wie im Triebwerksbau, realisiert werden (Fig. 3a). Ei ne weitere einfachere aber strömungsmechanisch ungünstigere Möglichkeit besteht darin, den Antrieb des ersten Teillaufrades 1 z. B. über einen Riementrieb 8 zu realisieren (Fig. 3b). Dadurch wird eine Anordnung des Antriebsmotors für das erste Teillaufrad 1 außerhalb des Ansaugstutzens 9 möglich. Der Motor und der Riemenantrieb können dabei z. B. in ei nem dichten Gehäuse 10 gekapselt und z. B. am Umfang des Ansaugstutzens 9 an geflanscht werden.Two further possibilities for separately driving two partial impellers 1 and 2 are shown in FIG. 3. If the necessary drive powers are too high or if integration as in FIG. 1a is not possible for other reasons, the separate drives can also be implemented via a hollow shaft system 7 , similar to that in engine construction ( FIG. 3a). Egg ne further simpler but less aerodynamically favorable possibility is to drive the first partial impeller 1 z. B. to implement a belt drive 8 ( Fig. 3b). This makes it possible to arrange the drive motor for the first partial impeller 1 outside the intake connector 9 . The motor and the belt drive can z. B. encapsulated in egg-tight housing 10 and z. B. on the circumference of the intake manifold 9 to.

Das Prinzip der Erfindung kann auch für Turboverdichter zur Verdichtung von Fluiden grö ßerer Dichte (z. B. zur Luftverdichtung) angewandt werden, jedoch werden in einem solchen Fall nicht alle oben genannten Vorteile erzielt werden können, z. B. die Möglichkeiten, die sich aus der Leichtbauausführung der Teillaufräder ergeben.The principle of the invention can also be large for turbocompressors for compressing fluids Lower density (e.g. for air compression) can be used, however, in such If not all of the above benefits can be achieved, e.g. B. the possibilities that result from the lightweight construction of the partial impellers.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst. Dadurch können preiswerte Laufräder für Grenzleistungs-Turboverdichter hergestellt werden, die den oben genannten technischen Forderungen entsprechen, jedoch effektiver arbeiten können als herkömmliche Laufräder. Die Erfindung ermöglicht den effektiven Einsatz von Faser-Verbundwerkstoffen für Laufradschaufeln, die so, ohne wesentliche Wirkungsgrad absenkung, konstruktiv einfach als sehr dünne und völlig ebene Schaufeln ausgeführt wer den können. Damit kann die Laufradkonstruktion eine höhere Festigkeit erlangen und die Fertigung einfacher und billiger gestaltet werden.The object of the invention is solved by the features of the claims. Thereby inexpensive impellers can be manufactured for turbo compressor compressors that meet the technical requirements mentioned above, but work more effectively can than conventional wheels. The invention enables the effective use of Fiber composite materials for impeller blades that do so without significant efficiency lowering, constructively simple as a very thin and completely flat blades that can. This allows the impeller construction to achieve greater strength and Manufacturing can be made easier and cheaper.

Fig. 1 zeigt eine Gegenüberstellung der schematischen Darstellungen der Meridianschnitte eines erfindungsgemäßen Laufrades 1 und 2 (Fig. 1a) und eines herkömmlichen Laufrades 6 mit Vorsatzläufer 5 (Fig. 1b). Fig. 1 shows a comparison of the schematic representations of the meridian sections of an impeller 1 of the invention and 2 (Fig. 1a) and a conventional impeller 6 with facing rotor 5 (Fig. 1b).

Fig. 2 zeigt eine Gegenüberstellung der abgewickelten, schematischen Darstellungen ei nes koaxialen Schaufelschnittes eines erfindungsgemäßen Laufrades 1 und 2 und eines herkömmlichen Laufrades 6 mit Vorsatzläufer 5. FIG. 2 shows a comparison of the developed, schematic representations of a coaxial blade section of an impeller 1 and 2 according to the invention and a conventional impeller 6 with an auxiliary rotor 5 .

(Dabei symbolisieren die unterschiedlichen Schaufeldicken, daß die Schaufeln des ersten Teillaufrades 1 bzw. Vorsatzläufers 5 z. B. aus Metall gefräst sind und die Schaufeln des zweiten Teillaufrades 2 bzw. des Laufrades 6 aus sehr dünnem Ma terial bestehen, z. B. Faser-Verbundwerkstoff).(The different blade thicknesses symbolize that the blades of the first partial impeller 1 or front rotor 5 are, for example, milled from metal and the blades of the second partial impeller 2 or the impeller 6 consist of very thin material, e.g. fiber Composite material).

Fig. 3 zeigt zwei weitere Antriebsmöglichkeiten der Teillaufräder 1 und 2 eines erfindungs gemäßen Laufrades. Fig. 3 shows two further drive options of the partial impellers 1 and 2 of an impeller according to the Invention.

Claims

1. Multiple impeller for turbo-compressor diagonal design for the compression of low density fluids, characterized in that preferably two or more rotating in the same direction partial impellers, without interposed Leiteinrich lines, are arranged, which are driven independently of each other for setting desired operating conditions.

2. Multiple impeller according to claim 1, characterized in that the partial impellers each have direct drives, the speed of which can be regulated individually.

3. Multiple impeller according to claim 1 and 2, characterized in that the Teillaufrä which are driven by frequency controlled motors.

4. Multiple impeller according to claim 1, 2 and 3, characterized in that the moto ren are integrated in the hub construction of the partial impellers.

5. Multiple impeller according to claim 1 and 2, characterized in that the drive the partial impellers are realized via a hollow shaft system.

6. Multiple impeller according to claim 1 and 2, characterized in that the drive the partial impellers are realized via a belt drive or a gear.

7. Multiple impeller according to claim 1, characterized in that the wheel gap between the partial impellers is designed as a normal axis gap.

8. Multiple impeller according to claim 1, characterized in that the blades of the first partial impeller have the greatest thickness.

9. Multiple impeller according to claim 1 and 8, characterized in that the first Partial impeller was produced by milling and the blades of the other partial runner which consist of fiber composite material.

10. Multiple impeller according to claim 1, characterized in that the blades of a Partial impeller are just executed.