DE4002548C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Axialdrallregler für großvolumige Radialverdichter, be
stehend aus einem axialen Leitapparat mit einem Kranz sich axial zur Laderachse
erstreckenden, um radial ausgerichtete Drehachsen schwenkbare Leitschaufeln, wel
che im wesentlichen Kreisausschnitte von solcher Form und Teilung sind, daß sie
bei völliger Schließung des Leitapparates den Querschnitt eines Strömungskanals
fast ganz überdecken, der in einem Gehäuse angeordnet ist, dessen innere Wand in
Strömungsrichtung gesehen einen ersten Mantel eines ersten Zylinderabschnitts und
einen Mantel eines Kugelabschnittes umfaßt, wobei der Kugelradius des Kugelab
schnitts gleich dem Radius des ersten Zylinderabschnitts ist und der Kugelabschnitt
düsenförmig in einen zweiten Abschnitt übergeht, und mit an den entlang
der Drehachsen nach außen ragenden Wellen der Leitschaufeln angeordneten Ver
stellhebel, welche mit einem das Gehäuse konzentrisch umschließenden Verstell
ring gekoppelt sind.
Ein derartiger Axialdrallregler ist durch die DE-AS 16 28 232 für Verdichter mit
größeren Abmessungen bekannt und dient der Kennlinienverschiebung. Bei diesem
bekannten Axialdrallregler besteht der Strömungskanal, in welchem die Leitschau
feln des axialen Leitapparates angeordnet sind, aus zwei Mantelabschnitten mit nur
geringfügig verschiedenem Durchmesser und einem dazwischen liegenden Kugelab
schnitt. Der Durchmesser dieses Kugelabschnittes ist größer als der Durchmesser des
größeren zylindrischen Mantelabschnittes, d. h. der eingangsseitige Strömungskanal
erfährt im Bereich der Leitschaufeln eine Durchmesservergrößerung. Diese Durch
messervergrößerung im Strömungskanal führt zu einer Verwirbelung und Strömungs
ablösung sowie zu einer Vergrößerung der durch einen Geschwindigkeitssprung an
den Leitschaufeln ausgelösten Wirbelschleppe. Da der verdichterseitig an den Kugel
abschnitt anschließende zweite Mantelabschnitt einen nur unwesentlich kleineren
Durchmesser als der erste zylindrische Mantelabschnitt hat, ist eine rasche Unter
drückung der Störung der Strömung vor dem Eintritt in den Verdichter nicht mög
lich, insbesondere, da der Verdichter sehr nahe an dem Axialdrallregler angeordnet
ist.
Durch die US-PS 19 78 128 ist ein Axialdrallregler bekannt, bei dem die Leitschau
feln des axialen Leitapparates in einem Gehäuse angeordnet sind, welches polygon
artig von einem größeren Durchmesser auf einen kleineren Durchmesser übergeht.
Die Drehachsen der Leitschaufeln sind unter einem Winkel zur Längsachse des
Strömungskanals geneigt angeordnet und werden im Zentrum des Strömungskanals
in einem Getriebe geführt, das eine erhebliche Störung der Strömung verursacht.
Über dieses Getriebe erfolgt die Kopplung der einzelnen Leitschaufeln, um einen
Gleichlauf zu gewährleisten. Das dem Getriebe gegenüberliegende Ende der Dreh
achsen der einzelnen Leitschaufeln ist etwa im Mittelabschnitt des Polygongehäu
ses gelagert, so daß die Vorderkante der Leitschaufeln im völlig geöffneten Zu
stand etwa senkrecht zur Mittelachse verläuft. Durch die Polygonform der Gehäu
sewandung erreicht man wohl, daß bei völlig geöffneten Leitschaufeln der Spalt
zwischen den Leitschaufeln und der Mantelfläche verhältnismäßig klein gehalten
werden kann, jedoch treten an den im Regelfall des Betriebs leicht in Richtung
Schließstellung verstellten Schaufeln wegen der Polygonform sowohl an der Vor
derkante als auch an der Rückkante verhältnismäßig große Spalte auf, die eine
Verwirbelung der Strömung mit sich bringen und eine Wirbelschleppe verursachen,
die bis in den anschließenden Verdichter hinein nicht mehr beseitigt wird.
Durch die EP-A-2 43 596 ist ein Axialdrallregler für einen Abgasturbolader bekannt,
bei dem an dem ersten Zylinderabschnitt des Strömungskanals ein Kugelabschnitt
anschließt, der düsenförmig in einen zweiten Zylinderabschnitt übergeht, der gleich
zeitig der Ansaugstutzen des Abgasturboladers ist. Durch den düsenförmigen Kugel
abschnitt ergibt sich nach dem axialen Leitapparat eine Strömungsberuhigung, ins
besondere wegen des verhältnismäßig großen Durchmesserverhältnisses vom ein
gangsseitigen zum ausgangsseitigen Zylinderabschnitt. Bei diesem Axialdrallregler
für Abgasturbolader ist die Drehachse der jeweiligen Leitschaufeln in der Schaufel
eintrittskante angeordnet. Diese einseitige Lagerung der Leitschaufeln führt dazu,
daß verhältnismäßig große Strömungskräfte auftreten, die bei Axialdrallreglern
für großvolumige Verdichter nicht nur unerwünscht, sondern auch sehr teure
konstruktive Maßnahmen erforderlich machen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Axialdrallregler für groß
volumige Radialverdichter zu schaffen, bei dem die Strömung möglichst wenig
Störungen durch den Leitapparat erfährt und die durch die unvermeidliche Verwir
belungen entstehenden Wirbelschleppen noch vor dem Erreichen des Verdichters
unterdrückt werden können, so daß eine gleichmäßige Anströmung über den ganzen
Querschnitt des Laufrades sichergestellt ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Durch die Maßnahmen der Erfindung wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß bei
möglichst geringen Verstellkräften an den Leitschaufeln Wirbelschleppen und Nach
laufdellen einerseits durch die Beschleunigung der Strömung im Bereich des Kugel
abschnitts und andererseits durch die Nachbeschleunigung im zweiten Ab
schnitt unterdrückt werden können. Durch die Anordnung der Drehachse der ein
zelnen Leitschaufeln längs einem im ersten Drittel der Leitschaufelbreite verlau
fenden Radius lassen sich die Rückstellkräfte durch die Schaffung einer Ausgleichs
fläche erheblich verringern, ohne daß dadurch die Nachteile des Standes der Tech
nik in Kauf genommen werden müssen, die bei einer mittigen Anordnung der Dreh
achse unvermeidlich sind. Bei dieser Art der Lagerung der Leitschaufeln ergibt
sich für den Bereich zwischen der Drehachse und der Schaufelaustrittskante ein
bündiger Verlauf zwischen Leitschaufel und dem Mantel des Kugelabschnittes, so
daß an der Schaufel-Rückkante keine Verwirbelung auftritt, die als Wirbelschleppe
weitergeführt wird. Der zwangsläufig an der Schaufeleintrittskante entstehende ge
ringe Spalt löst wohl eine Verwirbelung aus, jedoch wird die Wirbelschleppe be
reits innerhalb des düsenförmig verlaufenden Kugelabschnitts durch die Beschleuni
gung der Strömung wieder unterdrückt. Ferner wird durch das Vorsehen eines kon
tinuierlich abnehmenden Durchmessers im zweiten Abschnitt bis zu den Ein
trittskanten des Laufrades eine weitere Beschleunigungsstrecke geschaffen, die in
Verbindung mit der Nabe des Laufrades dafür sorgt, daß das Laufrad über den ge
samten Querschnitt gleichmäßig und wirbelfrei angeströmt wird.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Für die vorteilhafte Wirkung der Erfindung erweist sich ein Verhältnis der Durch
messer vom ersten Zylinderabschnitt zum zweiten Abschnitt zwischen
1,22 und 1,39 als besonders zweckmäßig, wobei der Durchmesser des zweiten
Abschnitts am eingangsseitigen Ende des Abschnittes gemessen ist. Ferner ist
für den kontinuierlich abnehmenden Durchmesser des zweiten Abschnittes
vorgesehen, daß dessen Mantelfläche eine Neigung, bezogen auf eine achsparallele
Mantelfläche, hat, die sich zwischen geringfügig größer als 0° bis maximal 10°
erstreckt. Als besonders vorteilhaft hat sich eine Neigung der Mantelfläche bis maxi
mal 7° erwiesen.
Die von einem Verstellring aus erfolgte Leitschaufelverstellung verwendet einen
Stellhebel und ein Koppelglied, wobei der auf der Drehachse der Leitschaufel be
findliche Stellhebel mit seiner Längsachse in Richtung der Leitschaufel-Längser
streckung verläuft. Durch die Verwendung eines Stellhebels und eines Koppelglie
des hat man die Möglichkeit, durch geeignete winklige Zuordnung des Stellhebels
zum Koppelglied dafür zu sorgen, daß in dem den Regelfall zugeordneten Ver
stellbereich der Leitschaufeln mit günstigstem Drehmoment gearbeitet werden
kann, d. h. es werden in diesem Verstellbereich die geringsten Verstellkräfte be
nötigt. Der Verstellring ist durch Anschläge derart fixiert, daß ein Verstellbe
reich der Leitschaufeln zwischen 15° und -90° möglich ist, wobei der Leit
apparat bei einer Stellung von -90° vollständig geschlossen ist.
Dem Verstellhebel ist ferner ein Zeiger zugeordnet, mit dem die Position der Leit
schaufel auf einer Skala abgelesen werden kann.
Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Ansprüchen und
der Zeichnung. Es zeigt
Fig. 1 einen Schnitt durch das Gehäuse eines an einem Verdichtergehäuse be
festigten Axialdrallreglers in schematischer Darstellung;
Fig. 2 eine Draufsicht auf den Axialdrallregler längs der Montageebene II-II
der Fig. 1;
Fig. 3 einen Teilschnitt durch das Gehäuse des Axialdrallreglers und der Lagerung
einer Leitschaufel im geschlossenen Zustand;
Fig. 4 einen Teilschnitt durch das Gehäuse des Axialdrallreglers und die Lagerung
einer Leitschaufel im geöffneten Zustand;
Fig. 5 eine Draufsicht auf eine Verstelleinrichtung einer Leitschaufel mit einer
Skala zur Darstellung der Öffnungsposition.
In Fig. 1 ist schematisch das Gehäuse 10 eines Axialdrallreglers dargestellt, das
in der Ebene II-II an das Gehäuse eines Radialverdichters mit einem Laufrad 12
angeflanscht ist. In der Darstellung ist oberhalb der Mittellinie ein Verdichterge
häuse dargestellt, das sich von der Darstellung unterhalb der Mittellinie unterschei
det. Der Unterschied ergibt sich durch unterschiedliche Laufradgrößen und der Aus
gestaltung des zwischen der Ebene II-II und der Ebene A-A dargestellten Ab
schnittes des Gehäuses, das bezüglich der Steigung des Innenmantels verschieden
ist. Entsprechend ist auch das zugehörige Laufrad unterschiedlich dimensioniert.
Das Gehäuse 10 des Axialverdichters besteht aus einem ersten Zylinderabschnitt 15
zwischen der Eintrittsebene E und der Ebene K-K und einem Kugelabschnitt 16
zwischen der Ebene K-K und der Montageebene II-II. An diese Montageebene
schließt ein zweiter Abschnitt 17 an, der sich bis zur Eintrittsebene A-A
eines Laufrades 12 erstreckt.
Dieser zweite Abschnitt 17 ist bei der Ausführungsform nach dem oberen
Teil der Fig. 1 zylindrisch und bei der Ausführungsform nach dem unteren
Teil der Fig. 1 fast zylindrisch.
Daran schließt ein dem Laufrad zugeordneter Ab
schnitt des Verdichtergehäuses 18 an.
Innerhalb des Gehäuses 10 des Axialdrallreglers ist ein Leitapparat 20 angebracht,
der aus einem Kranz sich radial zur Verdichterachse 21 erstreckenden und um ra
dial ausgerichtete Drehachsen schwenkbare Leitschaufeln 22 besteht. Die Dreh
achsen 23 der Leitschaufeln 22 liegen in der Ebene K-K und verlaufen senkrecht
zur Verdichterachse 21.
Der Kugelabschnitt 16 des Gehäuses 10 hat einen Kugelradius, der gleich dem Radius
des ersten Zylinderabschnittes 15 ist, so daß sich ein düsenförmig verringernder
Querschnitt für den Kugelabschnitt ergibt, der in der Montageebene II-II in einem
weiterhin kontinuierlich abnehmenden Durchmesser abweichend vom Kugelradius
übergeht. In der Montageebene II-II schließt der zweite Abschnitt 17 an,
dessen zugeordnete Mantelfläche eine Neigung zwischen geringfügig größer 0° bis
10°, bezogen auf eine achsparallele Mantelfläche, hat. In der oberen Hälfte der
Darstellung gemäß Fig. 1 ist die Neigung geringfügig größer 0° dargestellt, wo
gegen in der unteren Hälfte der Darstellung gemäß Fig. 1 eine Ausführungsform
dargestellt ist, bei der die Neigung der Mantelfläche in der Größenordnung zwi
schen 7° und 10° liegt. Dadurch ergibt sich von der Montagefläche II-II bis zur
Eintrittsebene A-A des Verdichters eine weitere Querschnittsverengung, die in
Verbindung mit der in den zweiten Abschnitt hineinragenden strömungs
profilierten Nabe 25 eine weitere Beschleunigung der Strömung und damit eine
weitere Beruhigung bewirkt. Die Folge davon ist eine sehr gleichmäßige Anströ
mung des gesamten Querschnitts des Laufrades 12.
Die in der Ebene K-K drehbar gelagerten Leitschaufeln 22 sind derart einseitig
gelagert, daß sich die Leitschaufelfläche im Verhältnis 1/3 : 2/3 durch die Dreh
achse 23 teilt, wobei die Drehachsen in der Durchmesserebene im Übergangsbereich
vom ersten Zylinderabschnitt 15 zum Kugelabschnitt 16 angeordnet sind. Aufgrund
dieses Aufbaues greift im völlig geöffneten Zustand nur die breitere Schaufel
hälfte in den Kugelabschnitt 16 ein, wobei die längs einer Kreislinie verlaufende
Stirnkante sich bündig mit geringem Spalt entlang der Mantelfläche des Kugel
abschnittes 16 verläuft. Damit wird praktisch die Entstehung von Wirbeln bzw.
Nachlaufdellen auf der Verdichterseite der Leitschaufeln vermieden.
Durch die einseitige Lagerung der Leitschaufeln nach dem ersten Drittel der Leit
schaufelfläche ergibt sich ein besonders günstiger Kompromiß bezüglich der Kraft
einwirkung auf die Leitschaufeln durch die Strömung und die Entstehung von Ver
wirbelungen innerhalb der Strömung, da der sich zwangsläufig zwischen der Dreh
achse und dem vorderen Endpunkt der kreislinienförmigen Stirnkante im Bereich
des ersten Zylinderabschnittes 15 ausbildende Spalt als Störung der Strömung aus
wirkt und Verwirbelungen auslöst. Die sich in diesem Spaltbereich auswirkenden
geringen Verwirbelungen in der Strömung werden noch im Bereich des Axialdrall
reglers durch die düsenförmige Verringerung des Querschnitts im Kugelabschnitt
16 unterdrückt, so daß sich beim Austritt aus dem Leitapparat eine im wesent
lichen störungsfreie Strömung ergibt.
Es hat sich herausgestellt, daß für die erläuterten Verhältnisse sich ein Optimum an
gleichmäßiger Anströmung des Laufrades einstellt, wenn das Verhältnis des Durch
messers D1 des ersten Zylinderabschnittes 15 zum Verhältnis des Durchmessers
D2 in der Montageebene II-II zwischen 1,1 und 1,4, vorzugsweise zwischen 1,22
und 1,39 liegt. Da durch die Länge des
zweiten Abschnittes 17 und dessen kontinuierlich abnehmendem Durchmesser
eine Verlängerung des Beschleunigungsweges gegeben ist, erfährt die Strömung im
zweiten Zylinderabschnitt eine weitere Beruhigung, so daß eine gleichmäßige An
strömung des Laufrades über den gesamten Querschnitt gewährleistet ist.
In Fig. 2, 3 und 4 sind Details der Verstelleinrichtung für den Leitapparat darge
stellt. In einer in Fig. 5 mit 30 bezeichneten Ringnut auf der Außenseite des Ge
häuses 10 des Axialdrallreglers ist ein Verstellring 31 mit Hilfe von Rollelementen
32 geführt. Mit dem Verstellring 31 ist ein Verstellarm 33 verbunden, auf den ein
nicht dargestellter Stellmotor wirkt, der den Verstellring in Umfangsrichtung ver
schiebt. Am Gehäuse 10 sind Anschläge 34 angebracht, die dafür sorgen, daß der
Verstellring nur innerhalb eines Bereiches verdreht werden kann, der eine Leit
schaufeldrehung zwischen 15° bis -90° zuläßt, wobei der Leitapparat bei einer
Stellung von -90° vollständig geschlossen ist. Dies entspricht der Darstellung ge
mäß Fig. 2.
Wie aus Fig. 5 zusätzlich entnehmbar ist, ist auf der Drehachse 23 der Leitschau
feln ein Stellhebel 25 befestigt, der über ein Koppelglied 26 mit dem Verstell
ring 31 in Verbindung steht. Das Koppelglied 26 ist mit dem Verstellring 31 einer
seits und mit dem Stellhebel 25 andererseits räumlich drehbar verbunden, wobei die
Geometrie der Anordnung der Hebel zueinander derart ist, daß bei einer Mittel
stellung der Leitschaufeln im üblichen Drehbereich das Koppelglied zu dem Stell
hebel einen Winkel von etwa 90° hat, so daß in diesem Bereich die Kraft im
Koppelglied minimal und ein besonders ausgeglichenes Regelspiel möglich
ist. Diese Mittelstellung des Regelbereichs ist etwa einer Winkelstellung der Leit
schaufeln von 0° bis 30° zugeordnet.
In Fig. 5 ist die Stellung des Stellhebels und des Koppelgliedes zueinander für den
geschlossenen Zustand des Leitapparates in ausgezogener Stellung und für den
völlig offenen Zustand des Leitapparates in punktgestrichelter Darstellung gezeigt.
Ferner zeigt diese Darstellung eine Skala 36, welche am Gehäuse 10 befestigt ist
und über einen mit einem Zeiger 37 versehenen Stellhebel 25 die Winkelstellung
der einzelnen Leitschaufeln im Leitapparat zur Anzeige bringt. Zu diesem Zweck
ist ein Stellhebel 25 mit dem in Längsrichtung sich erstreckenden Zeiger 37 ver
sehen. Die Gelenkverbindung zwischen dem Koppelglied und dem Verstellring 31
einerseits sowie dem Stellhebel 25 andererseits ist in herkömmlicher Weise ausge
bildet. Ebenso ist auch der Stellhebel 25 auf der Drehachse 23 in herkömmlicher
Weise verspannt.
Der erläuterte Leitapparat ist mit den gleichen Verstellelementen sowohl für einen
links- als auch rechtsdrehenden Verdichter einsetzbar. Zur Anpassung an eine ent
gegengesetzte Drehrichtung ist lediglich eine spiegelbildliche Montage notwendig.
Claims (9)
1. Axialdrallregler für großvolumige Radialverdichter, bestehend aus einem
axialen Leitapparat mit einem Kranz sich radial zur Verdichterachse er
streckenden, um radial ausgerichtete Drehachsen schwenkbare Leitschau
feln, welche im wesentlichen Kreisausschnitte von solcher Form und Tei
lung haben, daß sie bei völliger Schließung des Leitapparates den Quer
schnitt eines Strömungskanals fast ganz überdecken, der in einem Gehäuse
angeordnet ist, dessen Innenwand in Strömungsrichtung gesehen einen ersten
Mantel eines ersten Zylinderabschnittes und einen Mantel eines Kugelab
schnittes umfaßt, wobei der Kugelradius des Kugelabschnittes gleich dem
Radius des ersten Zylinderabschnittes ist und der Kugelabschnitt düsenför
mig in einen zweiten Abschnitt übergeht, und mit an den entlang
der Drehachsen nach außen ragenden Wellen der Leitschaufeln angeordne
ten Verstellhebeln, welche mit einem das Gehäuse konzentrisch um
schließenden Verstellring gekoppelt sind,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß die Drehachse (23) der Leitschaufeln (22) die Leitschaufelfläche im Verhältnis 1/3 : 2/3 teilt, wobei die Drehachsen in der Durch messerebene (K-K) im Übergangsbereich vom ersten zylindrischen Abschnitt (15) zum Kugelabschnitt (16) angeordnet sind,
- - daß das Verhältnis des Durchmessers (D1) vom ersten Zylinderabschnitt (15) zum Durchmesser (D2) an der Montageebene (II-II) des zweiten Abschnittes (17) zwischen 1,1 und 1,4 liegt,
- - daß der zweite Abschnitt (17) bis zur Eintrittsebene (A-A) des Laufrades (12) einen kontinuierlich abnehmenden Durchmesser hat,
- - und daß die Leitschaufelverstellung jeweils über einen aus einem Stell hebel (25) und einem Koppelglied (26) bestehenden Gelenkhebel vom Ver stellring (31) aus erfolgt.
2. Axialdrallregler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Verhältnis der Durchmesser (D1 : D2) zwischen 1,22 und 1,39
liegt.
3. Axialdrallregler nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine dem zweiten Abschnitt (17) zugeordnete Mantelfläche
eine Neigung zwischen geringfügig größer 0° bis 10° bezogen auf eine
achsparallele Mantelfläche hat.
4. Axialdrallregler nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Neigung der Mantelfläche bis maximal 7° beträgt.
5. Axialdrallregler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der auf der Drehachse (23) der Leitschaufeln (22) befestigte Stell
hebel (25) mit seiner Längsachse in Richtung der Leitschaufel-Längser
streckung verläuft.
6. Axialdrallregler nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest ein Stellhebel (25) mit einem Zeiger (37) versehen ist,
der die Stellung der Leitschaufeln (22) anzeigt.
7. Axialdrallregler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Verstellring (31) durch Anschläge (34) auf einen Verstellbereich
der Leitschaufeln (22) von 15° bis -90° begrenzt ist, wobei der Leit
apparat bei einer Stellung von -90° vollständig geschlossen ist.
8. Axialdrallregler nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Verstellring (31) mit Rollelementen (32) am Umfang des Gehäu
ses (10) des Axialdrallreglers gelagert ist, wobei die Rollelemente in
einer Ringnut (30) auf der Gehäuse-Außenseite des Kugelabschnitts (16)
verlaufen.
9. Axialdrallregler nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß für den üblichen Regelbereich und der zugeordneten Mittelstellung
der Leitschaufeln (22) das Koppelglied (26) und der Stellhebel (25) einen
Winkel von etwa 90° zueinander einnehmen.
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