DE2003424C3

DE2003424C3 - Impeller for turbo centrifugal compressor for conveying dusty gases

Info

Publication number: DE2003424C3
Application number: DE19702003424
Authority: DE
Inventors: Hans-Dieter Dr.-Ing. Henssler; Wilhelm Dr.Rer.Nat. Richter
Original assignee: Kuehnle Kopp and Kausch AG
Current assignee: Howden Turbo GmbH
Priority date: 1970-01-27
Filing date: 1970-01-27
Publication date: 1974-05-30
Also published as: CH530561A; DE2003424A1; DE2003424B2; LU62421A1; FR2076954A5

Description

Die Erfindung betrifft ein Laufrad für Turbo-Radialverdichter zur Förderung staubhaltiger Gase.The invention relates to an impeller for turbo centrifugal compressors for conveying dust-containing gases.

Bei diesen Radialverdichtern ist vielfach der Verschleiß an den Schaufeln infolge der Förderung von mit Staubteilchen beladenen Gasen so stark, dass schon nach relativ kurzer Betriebszeit die Schaufeln oder das ganze Laufrad ausgewechselt werden müssen. Zum Auswechseln muß der Turbo-Radialverdichter stillgelegt werden; diese Stillegung ist meist noch teurer als die Reparatur oder das Einsetzen eines neuen Laufrades selbst.With these centrifugal compressors, the wear on the blades as a result of the conveyance of gases laden with dust particles is often so severe that the blades or the entire impeller have to be replaced after a relatively short period of operation. The turbo centrifugal compressor must be shut down to replace it; this decommissioning is usually even more expensive than repairing or installing a new impeller yourself.

Man hat versucht, den Verschleiß durch Verwenden verhältnismäßig verschleißunempfindlicher Werkstoffe zu vermindern. Hierdurch wurde jedoch nur der Verschleiß an der Eintrittskante der Schaufeln vermindert, wo Prallverschleiß auftritt und nur sehr kleine Flächen betroffen sind, die mit hochwertigsten, relativ verschleißbeständigen Legierungen geschützt werden können. An den großen, dem Gleitverschleiß ausgesetzten Flächen der Schaufeln dagegen konnte der Verschleiß jedoch noch nicht wesentlich vermindert werden. Alle Versuche, diese Flächen durch Aufspritzen, Aufschweißen oder Anschrauben bzw. Annieten von Platten zu schützen, waren sehr teuer und verminderten den Gleitverschleiß nur wenig.Attempts have been made to reduce wear by using materials that are relatively insensitive to wear. However, this only reduced the wear on the leading edge of the blades, where impact wear occurs and only very small areas are affected, which can be protected with high-quality, relatively wear-resistant alloys. On the other hand, on the large surfaces of the blades that are exposed to sliding wear, the wear has not yet been significantly reduced. All attempts to protect these surfaces by spraying, welding or screwing or riveting plates were very expensive and only slightly reduced sliding wear.

Es ist auch bekannt, den Laufschaufeln Vorsatzschaufeln unmittelbar vor ihrem Eintritt zuzuordnen, wie in der deutschen Offenlegungschrift 1 503 650 beschrieben. Diese können jedoch im wesentlichen nur den Prallverschleiß an der Eintrittskante beeinflussen, erfordern einen zusätzlichen Aufwand und stellen eine Störung der Strömung dar.It is also known to assign attachment blades to the rotor blades immediately before their entry, as described in German Offenlegungsschrift 1,503,650. However, these can essentially only affect the impact wear at the leading edge, require additional effort and disrupt the flow.

Der Verschleiß, welcher an der Schaufel auftritt, ist zum größten Teil Gleitverschleiß, da der Prallverschleiß bevorzugt an der Eintrittskante der Schaufel auftritt. Der größte Gleitverschleiß tritt in dem Bereich (>>Schaufelfuß<<) der Schaufel auf, in welchem diese der Nabe aufsitzt, da die Staubteilchen infolge der Umlenkung aus der axialen Einströmrichtung in die zur Achse normale Ebene sich in einer dünnen Schicht an der Nabenscheibe konzentrieren. Die Lebensdauer der Schaufel ist daher dann am größten, wenn der Gleitverschleiß am Schaufelfuß, also im Bereich der Nabenscheibe, gleichmäßig ist.Most of the wear that occurs on the blade is sliding wear, since impact wear occurs primarily on the leading edge of the blade. The greatest sliding wear occurs in the area (>> blade root <<) of the blade in which the hub rests, since the dust particles concentrate in a thin layer on the hub disk due to the deflection from the axial direction of flow into the plane normal to the axis . The service life of the blade is therefore greatest when the sliding wear on the blade root, i.e. in the area of the hub disk, is uniform.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schaufeln ohne Verwendung von zusätzlichen Teilen und ohne Störung der Strömung sowie unter Vermeidung von Aufpanzerungen allein durch die Formgebung insofern vor dem Gleitverschleiß zu schützen, d.h. den Gleitverschleiß an den aerodynamisch wirksamen Flächen auf ein erträgliches Maß herabzusetzen, als die Schaufeln nicht an einer Stelle zu früh ein Loch bekommen sollen.The invention is based on the object of protecting the blades from sliding wear without the use of additional parts and without disrupting the flow and avoiding armouring solely through the shape, ie reducing the sliding wear on the aerodynamically effective surfaces to a tolerable level than the blades should not get a hole in one place too soon.

Auf Grund der Voraussetzung, dass die Staubteilchen bei ebener Nabenscheibe längs der Nabenscheibe der Bahn des Gases folgen, läßt sich die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe auch so formulieren, dass wenig oder keine Kraft auf die Staubteilchen wirken soll, die sie im Bereich der Nabenscheibe gegen die Schaufeln drückt, so dass dort wenig oder kein Gleitverschleiß auftritt.On the basis of the prerequisite that the dust particles follow the path of the gas along the hub disk along the hub disk, the object on which the invention is based can also be formulated in such a way that little or no force should act on the dust particles that they counteract in the area of the hub disk pushes the blades so that little or no sliding wear occurs there.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Krümmungsradius kleines Rho der Schaufeln in allen Punkten P, die in der Ebene der Nabenscheibe liegen, folgender Gleichung genügt: According to the invention, this object is achieved in that the radius of curvature small Rho of the blades satisfies the following equation at all points P which lie in the plane of the hub disk:

In dieser Gleichung bedeuten:In this equation:

r[tief]2 = Außenradius des Laufrades,r [deep] 2 = outer radius of the impeller,

W = W =

H = Gleitverschleißzahl = konstant, größer/gleich 0,H = coefficient of sliding wear = constant, greater than / equal to 0,

r = Radius des Laufrades im Punkt P,r = radius of the impeller at point P,

R = r/r[tief]2,R = r / r [deep] 2,

kleines Beta = Winkel zwischen Schaufel und Tangente im Punkt P an den Kreis um den Laufradmittelpunkt, gemessen in Grad, wobei der rechte Winkel 90° hat (>>Schaufelwinkel<<), µ = Reibungszahl; im allgemeinen µ ungefähr 0,3,small beta = angle between blade and tangent at point P to the circle around the center of the impeller, measured in degrees, with the right angle being 90 ° (>> blade angle <<), µ = coefficient of friction; generally µ about 0.3,

k = D + E mal H,k = D + E times H,

m = A mal H[hoch]B mal e[hoch](C . H),m = A times H [high] B times e [high] (C. H),

e = Eulersche Zahl = 2,718,e = Euler's number = 2.718,

A, B, C, D und E sind quadratische Funktionen von kleines Beta:A, B, C, D, and E are quadratic functions of small beta:

A = 0,814 - 0,0132 mal kleines Beta + 0,000217 mal kleines Beta[hoch]2,A = 0.814 - 0.0132 times small beta + 0.000217 times small beta [high] 2,

B = 0,302 - 0,00795 mal kleines Beta + 0,000149 mal kleines Beta[hoch]2,B = 0.302 - 0.00795 times small beta + 0.000149 times small beta [high] 2,

C = -0,333 + 0,0105 mal kleines Beta - 0,000206 mal kleines Beta[hoch]2,C = -0.333 + 0.0105 times small beta - 0.000206 times small beta [high] 2,

D = -0,101 + 0,00446 mal kleines Beta - 0,0000399 mal kleines Beta[hoch]2,D = -0.101 + 0.00446 times small beta - 0.0000399 times small beta [high] 2,

E = 0,167 - 0,0145 mal kleines Beta + 0,000214 mal kleines Beta[hoch]2.E = 0.167 - 0.0145 times small beta + 0.000214 times small beta [high] 2.

Bei einem Laufrad nach der Erfindung können die Schaufeln die Form einer allgemeinen Zylinderfläche mit zur Nabenscheibe senkrechten Erzeugenden oder eine räumlich gekrümmte Form haben, wobei die Krümmung im Schaufelfuß nach der obigen Formel berechnet wird.In an impeller according to the invention, the blades can have the shape of a general cylindrical surface with generatrices perpendicular to the hub disk or a spatially curved shape, the curvature in the blade root being calculated according to the above formula.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schematisch in den Zeichnungen dargestellt; es zeigtAn embodiment of the invention is shown schematically in the drawings; it shows

Fig. 1 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Laufrad in einer die Achse enthaltenden Ebene,1 shows a section through an impeller according to the invention in a plane containing the axis,

Fig. 2 schematisch einen Schnitt nach der Linie A-B der Fig. 1.FIG. 2 schematically shows a section along the line A-B of FIG. 1.

Das in Fig. 1 dargestellte Radialverdichterlaufrad dreht sich mit der Nabenscheibe 2, der Deckscheibe 3, den Schaufeln 4 und der Welle 1 um die strichpunktierte Drehachse. Die ausgezogene Linie 5 bezeichnet eine mittlere Stromlinie des eintretenden, mit Staubteilchen beladenen Gases, wobei die Pfeile an der Linie 5 die Strömungsrichtung andeuten.The radial compressor impeller shown in Fig. 1 rotates with the hub disk 2, the cover disk 3, the blades 4 and the shaft 1 around the dot-dash axis of rotation. The solid line 5 denotes a mean streamline of the incoming gas laden with dust particles, the arrows on the line 5 indicating the direction of flow.

Die gestrichelten Linien 7 deuten Bahnen von verschleißerzeugenden Staubteilchen an, die sich nach einer der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis infolge der Umlenkung aus der axialen Einströmungsrichtung in die zur Achse normale Ebene in einer dünnen Schicht an der Nabenscheibe 2 konzentrieren. Die Schaufeln müssen daher nur in dieser Ebene die Krümmung haben, wie sie sich aus der erfindungsgemäßen Gleichung ergibt.The dashed lines 7 indicate trajectories of wear-producing dust particles which, according to a finding on which the invention is based, concentrate in a thin layer on the hub disk 2 as a result of the deflection from the axial direction of flow into the plane normal to the axis. The blades therefore only have to have the curvature in this plane, as it results from the equation according to the invention.

Der Schaufelfuß der Schaufel 4 ist in Fig. 2 als eine Kurve, deren Krümmung der obigen Gleichung entspricht, dargestellt. r[tief]2 ist der Außenradius des Laufrades. r ist der Radius des Laufrades im betrachteten Punkt P. Die Tangente an die Kurve schließt im Punkt P mit der Normalen zum Radius r den Winkel kleines Beta ein. Die Drehrichtung des Laufrades ist durch den Kreisbogenpfeil 6 angegeben. Im Punkt P hat der Schaufelfuß den Krümmungsradius kleines Rho.The blade root of the blade 4 is shown in FIG. 2 as a curve, the curvature of which corresponds to the above equation. r [deep] 2 is the outer radius of the impeller. r is the radius of the impeller at point P. The tangent to the curve at point P includes the angle small beta with the normal to radius r. The direction of rotation of the impeller is indicated by the circular arrow 6. At point P the blade root has the radius of curvature small Rho.

Der Winkel kleines Beta ist an allen Punkten der Schaufel in dieser Ebene derart festgelegt, dass der Gleitverschleiß längs des ganzen Schaufelfußes gleichmäßig ist; hierfür gilt die erfindungsgemäße Gleichung. Gekennzeichnet ist der gleichmäßige Gleitverschleiß durch die Gleitverschleißzahl H, die dimensionslos ist und zwischen 0 und etwa 2 liegen kann. Dabei bedeutet die Gleitverschleißzahl 0, dass überall kein Gleitverschleiß stattfindet. Ein nach der Erfindung gestaltetes Laufrad erfährt einen über die ganze Länge des Schaufelfußes gleichmäßigen Gleitverschleiß, d.h., es kann nicht vorkommen, dass etwa im Eintrittsteil des Schaufelfußes oder im Austrittsteil des Schaufelfußes ein großer Gleitverschleiß auftritt, der derartige lokale Extremwerte erreicht, dass die Materialstärke ganz durchschlissen ist, während an anderen Stellen noch keine wesentliche Abtragung zu erkennen ist. Durch den gleichförmigen Gleitverschleiß über die ganze Länge des Schaufelfußes wird erreicht, dass bei gleicher Wirksamkeit der Schaufel ihre Lebensdauer größer ist.The angle small beta is determined at all points of the blade in this plane in such a way that the sliding wear is uniform along the entire blade root; the equation according to the invention applies here. The uniform sliding wear is characterized by the sliding wear coefficient H, which is dimensionless and can be between 0 and about 2. The sliding wear number 0 means that there is no sliding wear anywhere. An impeller designed according to the invention experiences sliding wear that is uniform over the entire length of the blade root, that is, it cannot happen that, for example, in the inlet part of the blade root or in the outlet part of the blade root, a large sliding wear occurs that reaches such local extreme values that the material thickness is completely is torn through, while in other places no significant erosion can be seen. The uniform sliding wear over the entire length of the blade root ensures that the blade has a longer service life with the same effectiveness.

Zweckmäßig sind im allgemeinen Schaufeln mit einer Zylinderfläche, da sie leicht durch Biegen herzustellen sind. Solche Schaufeln haben also erfindungsgemäß die Form einer allgemeinen Zylinderfläche mit zur Ebene der Nabenscheibe senkrechten Erzeugenden, wobei der Schaufelfuß an der Nabenscheibe die durch die Erfindung angegebene Form hat. Es können aber auch auf diesen Schaufelfuß räumlich gekrümmte Schaufeln aufgebaut werden, wenn es die dreidimensionale Strömung durch das Laufrad erforderlich erscheinen läßt. Wesentlich ist immer, dass der Schaufelfuß an der Nabenscheibe die durch die erfindungsgemäße Gleichung vorgegebene Krümmung hat.In general, blades with a cylindrical surface are expedient, since they can be easily produced by bending. According to the invention, such blades have the shape of a general cylindrical surface with generatrixes perpendicular to the plane of the hub disk, the blade root on the hub disk having the shape specified by the invention. However, spatially curved blades can also be built on this blade root if the three-dimensional flow through the impeller makes it appear necessary. It is always essential that the blade root on the hub disk has the curvature specified by the equation according to the invention.

Es wurde festgestellt, dass Laufräder, die nach der Erfindung gestaltet sind, gute Strömungseigenschaften besitzen. Die Kennlinie eines solchen Laufrades ist jedoch abhängig vom Schaufelwinkel kleines Beta und der gewählten Gleitverschleißzahl H. Ist die Gleitverschleißzahl H = 0, so tritt zwar kein Gleitverschleiß auf, jedoch ist die Druckziffer eines solchen Laufrades niedrig. Man wird daher nicht in jedem Fall ein Laufrad ganz ohne Gleitverschleiß ausführen können, jedoch gibt die Erfindung die Möglichkeit, Laufräder zu bauen, die im Rahmen der geforderten strömungstechnischen Eigenschaften den geringsten Gleitverschleiß an der Schaufel ergeben. Damit ist ein großer Fortschritt in bezug auf die Betriebssicherheit und den Kostenaufwand beim Betrieb solcher Laufräder von Turbo-Radialverdichtern, die mit Staubteilchen beladene Gase fördern, erzielt.It has been found that impellers designed in accordance with the invention have good flow properties. The characteristic of such an impeller is, however, dependent on the blade angle small beta and the selected sliding wear coefficient H. If the sliding wear coefficient H = 0, there is no sliding wear, but the pressure coefficient of such an impeller is low. It is therefore not always possible to run an impeller completely without sliding wear, but the invention provides the possibility of building impellers which, within the framework of the required fluidic properties, result in the least sliding wear on the blade. This represents a major step forward in terms of operational reliability and the cost of operating such impellers of turbo-centrifugal compressors, which convey gases laden with dust particles.

Claims

1. Impeller for turbo centrifugal compressor for conveying dusty gases, characterized in that the radius of curvature small Rho of the blades (4) in all points (P), which lie in the plane of the hub disk, satisfies the following equation:

In this equation:

r [deep] 2 = outer radius of the impeller,

W =

H = coefficient of sliding wear = constant greater than / equal to 0,

r = radius of the impeller at point P,

R = r / r [deep] 2,

small beta = angle between blade and tangent at point P to the circle around the center of the impeller, measured in degrees, with the right angle being 90 ° (>> blade angle <<),

µ = coefficient of friction; generally µ about 0.3,

k = D + E times H,

m = A times H [high] B times e [high] (C. H),

e = Euler's number = 2.718,

A, B, C, D, and E are quadratic functions of small beta:

A = 0.814 - 0.0132 times small beta + 0.000217 times small beta [high] 2,

B = 0.302 - 0.00795 times small beta + 0.000149 times small beta [high] 2,

C = -0.333 + 0.0105 times small beta - 0.000206 times small beta [high] 2,

D = -0.101 + 0.00446 times small beta - 0.0000399 times small beta [high] 2,

E = 0.167 - 0.0145 times small beta + 0.000214 times small beta [high] 2.

2. Impeller according to claim 1, characterized in that the blades (4) have the shape of a general cylindrical surface with generatrices perpendicular to the hub disk (2).

3. Impeller according to claim 1, characterized in that the blades are spatially curved.