DE19654840A1 - Mehrstufiger Turbokompressor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Turbokompressor radialer Bauart in Topfbauweise mit entgegengesetzter Laufrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei einem Turbokompressor wird das Gas in den Laufrädern verdichtet und beschleunigt. Ein Teil der Energieumsetzung findet dabei in den den Laufrädern nachgeschalteten Statorteilen statt.

Dabei gilt es insbesondere für Laufräder mit großer Durchflußkennziffer - übli­ cherweise als Laufräder mit drei-dimensional geformten Schaufelflächen ausgeführt - die Erstreckung der Diffusoren möglichst lang zu wählen, um die Strömung bei gutem Wirkungsgrad stark zu verzögern und damit die Verluste in den nachgeschalteten Ringräumen und Rückführbeschaufelungsabschnitten gering zu halten.

Ein gattungsmäßiger Turbokompressor ist aus der DE 42 31 452 A1 bekannt. Offenbart ist ein Turbokompressor radialer Bauart in Topfbauweise mit entgegengesetzter Laufrichtung, wobei den zwei Laufrädern je ein Scheibendiffusor mit daran angeordneten Diffusor-Leitschaufeln nachgeschaltet ist und der zweiten und damit letzten Stufe ein Sammler mit tangentialem Austrittsstutzen folgt.

Nachteilig bei dieser Konstruktion ist, daß durch die Aufteilung der Verdichtungsarbeit auf zwei Stufen die Laufräder lang werden und damit das Verhältnis von Ringraumdurchmesser zu Laufraddurchmesser ungünstig wird, was entsprechende Verluste bedeutet. Als weiterer Nachteil muß angesehen werden, daß die Beschaufelung des Diffusors in der zweiten und letzten Stufe auf dem gleichen Durchmesser liegt wie die erste Stufe, so daß die Austrittsgeschwindigkeit als hoch angesehen werden muß mit der Folge von entsprechenden Austrittsverlusten.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Turbokompressor der gattungsmäßigen Art, d. h. mit entgegengesetzter Laufrichtung anzugeben, der bei einem vorgegebenen Außengehäuse einen höheren Wirkungsgrad aufweist im Vergleich zu den bekannten Ausführungen.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Bestandteil von Unteransprüchen.

Im Unterschied zum bekannten Stand der Technik wird die Verdichtungsarbeit auf drei Laufräder aufgeteilt. Die notwendigen Laufraddurchmesser sind damit um ca. 20% kleiner als bei einer zweistufigen Ausführung. Damit kann dann trotz Innengehäuse wieder ein Durchmesserverhältnis des schaufellosen Diffusors bezogen auf den Laufraddurchmesser D_RR/D₂≧1.6 erreicht werden.

Eine Möglichkeit, die Austrittsverluste zu reduzieren, ergibt sich in der Weise, indem der Sammler bzw. das Sammlergehäuse modifiziert wird. Durch die teilweise Integration des Sammlers in das Außengehäuse bzw. den Abschlußdeckel kann für den gattungsmäßigen Turbokompressor der Sammler aber nicht modifiziert werden. Es ist deshalb von weiterem Vorteil, daß in der dritten und letzten Stufe dem schaufellosen Diffusor ein beschaufelter Abschnitt nachgeschaltet ist, der auf einem größeren Durchmesser liegt als der Krümmer der benachbarten zweiten Stufe. Diese Art der Beschaufelung führt zu keiner Einschränkung der Maschinenkennlinie, wie sie bei Einsatz von konventionell beschaufelten Diffusoren festzustellen ist. Die im Beschaufelungsabschnitt auftretende Axialkraft wird über eine Verschraubung des Bodens mit dem Innengehäuse auf das Innengehäuse übertragen.

Die Umfangskomponente der Strömung muß im nachgeschalteten Sammler aufgrund des falschen Drehsinns des Turbokompressors als größtenteils verloren angesehen werden. Durch die erfindungsgemäße Aufteilung der Verdichtungsarbeit auf drei Stufen und die aufgrund der Diffusorerstreckung niedrige Strömungsgeschwindigkeit wird der Austrittsverlust entsprechend minimiert.

In der einzigen Figur wird anhand eines Ausführungsbeispieles im Längsschnitt die erfindungsgemäße Ausbildung eines Turbokompressors näher erläutert.

Der in dieser Figur dargestellte Turbokompressor weist ein Außengehäuse 1 auf. In diesem Ausführungsbeispiel ist der hier links liegende Bereich des Außengehäuses mit einer Anlageschulter 2 versehen. In dieses Außengehäuse 1 wird in Topfbauweise das aus Rotor- und Statorteilen sowie einer Welle 3 bestehende Bündel axial eingeschoben. Das Rotorteil weist erfindungsgemäß drei Laufräder 4-6 auf, die in nicht näher dargestellter Weise mit der Welle 3 verbunden sind. Der Statorteil besteht aus einem Innengehäuse 7, das mit seinem links liegenden Bereich an der Anlageschulter 2 zur Anlage kommt und zwei Diaphragmaelementen 8, 9 sowie einem Boden 10. Der Boden 10 ist über eine Verschraubung 1 mit dem Innengehäuse 7 verbunden. Den Abschluß auf der rechten Seite bildet ein Deckel 12, der über Schrauben 13 mit dem Außengehäuse 1 verbunden ist.

Erfindungsgemäß schließt sich an das jeweilige Laufrad 4-6 in radialer Abströmrichtung ein schaufelloser Diffusorabschnitt 14-16 an. Dieser geht über in den Krümmer 17, 18 und in die Rückführbeschaufelung 19, 20. In der dritten und letzten Stufe folgt dem schaufellosen Diffusorabschnitt 16 ein beschaufelter Abschnitt 21, der einen größeren Durchmesser aufweist als der Krümmer 18 der benachbarten zweiten Stufe. Den Abschluß bildet der Sammler 22, der teilweise im Außengehäuse 1 und im Deckel 12 integriert ist.

Claims (4)

1. Mehrstufiger Turbokompressor radialer Bauart in Topfbauweise mit entgegengesetzter Laufrichtung, dem in einem Gehäuse angeordneten Laufrädern je ein beschaufelter Diffusor nachgeschaltet ist, dem ein zum größten Teil in das Außengehäuse integrierter Sammler mit tangentialem Austrittsstutzen folgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbokompressor mit einem Innengehäuse (7) versehen ist, das drei darin angeordnete Laufräder (4-6) aufweist, denen je ein in radialer Abströmrichtung liegender schaufelloser Diffusor (14-16) nachgeschaltet ist und nach dem Krümmer (17, 18) in bekannter Weise eine Rückführbeschaufelung (19, 20) angeordnet ist.

2. Mehrstufiger Turbokompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laufraddurchmesser stark verringert ist und das Durchmesserverhältnis des schaufellosen Diffusors (14-16) bezogen auf den Durchmesser des Laufrades (4-6) einen Wert D_RR/D₂≧1.6 erreicht (Index _RR = Ringraum und ₂ = Austritt Laufrad).

3. Mehrstufiger Turbokompressor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der letzten Stufe dem schaufellosen Diffusorabschnitt (16) ein beschaufelter Abschnitt (21) nachgeschaltet ist, der auf einem größeren Durchmesser liegt als der Krümmer (18) der benachbarten Stufe.

4. Mehrstufiger Turbokompressor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (10) über eine durch den Bereich des beschaufelten Diffusors (21) der letzten Stufe sich erstreckende Verschraubung (11) mit dem Innengehäuse (7) verbunden ist.