DE4126907C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Radialverdichter mit einem Leitschaufeldiffusor nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 oder 5.

Aus der JP-A-57-1 59 998 ist ein Radialverdichter bekannt, dessen Betriebsbereich durch kleine drehbare Leitschaufeln an den Einlässen eines Leitschaufeldiffusors erweitert ist. Der Aufbau eines solchen Radialverdichters ist ein ziemlich komplexer und extrem genau gearbeiteter Mechanismus, da der Verdichter mit soviel kleinen drehbaren Leitschaufeln versehen werden muß, wie der Diffusor stationäre Leit­ schaufeln hat.

Eine andere Konstruktion zur Erweiterung des Betriebsbe­ reichs eines Radialverdichters, wie sie aus der JP-A-58 124 099 bekannt ist, hat einen Diffusor mit einem Paar von Leitschaufelkränzen, wobei der innere Kranz von Leit­ schaufeln in eine Richtung parallel zur Drehachse des Laufrades beweglich ist. Die beweglichen Teile für den Mechanismus der parallelen Bewegung müssen sehr groß ausge­ legt sein, auch wenn der Mechanismus einfacher als der ist, der für die schwenkbaren kleinen Leitschaufeln des Aufbaus nach der JP-A-57 159 998 erforderlich ist.

Aus der DE-PS 9 16 604 ist ein Radialverdichter bekannt, dessen Laufschaufeln nach innen zu in verschieden großen Abständen vom Mittelpunkt des Laufrades enden, wobei die Verbindungsgeraden zwischen den inneren Leitschaufelenden und dem Mittelpunkt keine anderen Leitschaufeln schneiden. Außerdem sind die Laufschaufeln verschieden weit voneinander entfernt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, einen Radialverdichter mit einem Leitschaufeldiffusor zu schaffen, bei welchem sich die Erweiterung des Betriebsbereichs durch einen sehr einfachen Mechanismus erreichen läßt.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Radialverdichter mit einem Diffusor, der mit einer Vielzahl von stationären Leitschaufeln versehen ist, welche um ein Laufrad herum angeordnet sind, um die kinetische Energie eines von dem Laufrad geförderten Fluids in Druck umzuwandeln, durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 oder 5 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Radialverdichters nach Anspruch 1 sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 4.

Der Betriebsbereich eines Radialverdichters mit einem Leitschaufeldiffusor wird hauptsächlich durch die Charak­ teristik des Leitschaufeldiffusors bestimmt. Die untere Grenze des Betriebsbereichs ist durch den Abreißpunkt des Leitschaufeldiffusors, die obere Grenze durch seinen Dros­ selpunkt bestimmt. Die untere und obere Grenze sind sehr stark von den Querschnittsflächen der Kanäle in dem Diffu­ sor abhängig. Deshalb sind die Kanäle so modifiziert, daß die Querschnittsflächen veränderbar sind, beispielsweise dadurch, daß die stationären Leitschaufeln des Diffusors so ausgelegt sind, daß sie drehverschwenkbar sind. Ein wesent­ licher Faktor ist dabei die gesamte Querschnittsfläche aller Kanäle, nicht eines einzelnen Kanals, da die Ströme durch einen Leitschaufeldiffusor insgesamt in Umfangsrich­ tung ungleichförmig verteilt sind, auch wenn die stationä­ ren Leitschaufeln und die Kanäle gleichförmig ausgelegt sind. Deshalb kann der Betriebsbereich des Leitschaufel­ diffusors erweitert werden, wenn einige wenige, jedoch notwendigerweise nicht alle stationären Leitschaufeln oder kleine Leitschaufeln am Einlaß der Kanäle zu schwenkbaren bzw. drehbaren Leitschaufeln modifiziert werden, um die Summe der Kanalflächen einzustellen, wie dies gemäß Anspruch 1 verwirklicht ist.

Die untere Grenze des Betriebsbereichs eines Leitschaufel­ diffusors ist aerodynamisch gesehen der Punkt, an dem die Strömung durch alle Kanäle abzureißen beginnt. An einem Punkt an dem die Ströme größer als jene der unteren Grenze sind, tritt ein Abreißen in wenigen Kanälen auf, wobei sich die Abreißbereiche dann in Umfangsrichtung ausbreiten. Dieses Phänomen wird als rotierende Abreißströmung bezeich­ net und erzeugt unangenehme Geräusche und Vibrationen. Der Punkt, an dem sich die rotierende Abrißströmung einstellt, ist deshalb die untere Grenze für die Praxis. Diese untere Grenze des Betriebsbereichs für die Praxis kann deshalb weiter abgesenkt werden, und zwar durch Unterbindung der rotierenden Abreißströmung sowie durch das oben beschriebe­ ne Verfahren, welches das Eintreten des Abreißens in allen Kanälen verzögert.

Für ein wirksames Unterbinden der rotierenden Abreißströ­ mung können einige Kanäle so ausgelegt werden, daß der Abriß darin früher als in anderen Kanälen eintritt. Wenn die Strömung in diesen Kanälen abreißt, ist der Strom durch diese Kanäle geringer als der durch die anderen Kanäle. Somit steigt der Strom durch die anderen Kanäle entspre­ chend an, so daß es unwahrscheinlich ist, daß darin ein Abriß eintritt.

Durch die zusätzliche Ausgestaltung dieses Radialverdichters nach Anspruch 2 tritt in speziellen Kanälen das Abreißen früher auf. Diese Lösung sorgt für einen breiteren Einlaß zwischen den Vor­ derkanten der Leitschaufeln. Aufgrund dieses breiteren Einlasses nimmt die Belastung jener Leitschaufeln zu, was das Auftreten des Abreißens wahrscheinlicher macht. Die nach außen positionierten Vorderkanten sorgen auch dafür, daß die Grenzschichten an den Seitenwänden dicker als jene an den Vorderkanten der übrigen Leitschaufeln werden, so daß die dickeren Grenzschichten, das Ablösen der Strömung von den Leitschaufeloberflächen leichter machen.

Durch die Anordnung der Laufschaufeln nach Anspruch 3 tritt das Abreißen in speziellen Kanälen ebenfalls früher auf. Ein breiterer Kanal verursacht eine größere Last an einer angrenzenden Leitschaufel, wodurch sich die Strömung leicht von der Leitschaufeloberfläche ablösen kann. Bei der Ausbildung nach Anspruch 4 sind einige Kanäle enger als die anderen und in nächster Nähe der breiteren Kanäle vorgesehen, um die rotie­ rende Abreißströmung stärker zu unterbinden. Ein engerer Kanal verursacht eine geringere Last an einer angrenzenden Leitschaufel, so daß sich die Strömung von der Leitschau­ feloberfläche nicht leicht ablöst.

Wenn eine stationäre Leitschaufel, wie bei der Ausführungsform nach Anspruch 5, in einem Winkel angeordnet ist, der näher zur Radialrichtung des Laufrads liegt, löst sich die Strömung leicht von der Seite, die der Drehrichtung des Laufrads folgt, also der Negativdrucksei­ te, ab. Deshalb tritt das Abreißen in dem Kanal angrenzend an die Seite der Leitschaufel früher ein als in anderen Kanälen. Die Vorderkante der Leitschaufel kann außerhalb der der übrigen Leitschaufeln angeordnet werden, um ein noch früheres Auftreten des Abreißens aus dem genannten Grund zu erzielen. Wenn eine Leitschaufel in einem Winkel angeordnet ist, der von der Radialrichtung des Laufrads weiter weg liegt, erfolgt in dem Kanal angrenzend an die Seite des Laufrads, die der Drehrichtung des Laufrads gegenüberliegt, also der Druckseite, das Abreißen früher, da der divergierte Winkel des Kanals größer ist als der eines jeden der anderen Kanäle. Die rotierende Abreißströ­ mung wird durch den Kanal angrenzend an die Negativdruck­ seite der Leitschaufel stärker unterbunden, in welchem das Abreißen später als bei den anderen Kanälen eintritt, da der divergierte Winkel des Kanals kleiner als der der anderen Kanäle ist. Die Vorderkante einer Leitschaufel kann nicht außerhalb jener anderen Leitschaufel positioniert sein, um ein noch späteres Auftreten des Abreißens in den Kanälen angrenzend an die Negativdruckseite der Leitschau­ fel zu erreichen, und zwar durch den Effekt, der zu dem entgegengesetzt ist, wie er durch die außerhalb positio­ nierten Vorderkanten verursacht wird.

Anhand von Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines Laufrads mit Leitschaufeldiffusor gemäß I-I von Fig. 2,

Fig. 2 einen Axialschnitt des Radialverdichters von Fig. 1,

Fig. 3 und 4 Betriebszustände der Ausführungsform von Fig. 1 und 2,

Fig. 5 bis 7 Modifizierungen der ersten Ausführungsform,

Fig. 8 bis 16 weitere Ausführungsformen mit Mechanismen zur Unterbindung des Ausbreitens der Abreißbereiche und

Fig. 17 bis 21 weitere Ausführungsformen, wobei Fig. 17 und 19 Draufsichten in Axialrichtung auf Laufrad und Leitschaufeldiffusor und Fig. 18, 20, und 21 Ansichten von Einzelheiten einiger der Leitschau­ feln des Diffusors sind.

Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, ist um ein Laufrad 1 herum eine Vielzahl von festgelegten Leitschaufeln 2 angeordnet, die mit einer Seitenplatte 4 und einer zentralen Platte 5 so zusammenwirken, daß sie Kanäle 6 für ein Fluid 3 bilden, das kinetische Energie durch das Laufrad 1 erhält. Ein Teil der kinetischen Energie des Fluids 3 wird in Druck umgewan­ delt, wenn das Fluid 3 durch die Kanäle 6 hindurchströmt. An drehbaren Wellen 8 sind einstellbare Leitschaufeln 7 so angebracht, daß sie auf den einen Betriebszustand des Verdichters entsprechenden günstigsten Winkel einstellbar sind. Bei der gezeigten Ausführungsform sind zwei einstell­ bare Leitschaufeln 7 in einer diametral gegenüberliegenden Beziehung vorgesehen, weil, wenn eine nicht axiale Strö­ mungssymmetrie ein wesentliches Niveau erreicht, auf das Laufrad 1 eine ziemlich große radiale zusammengesetzte Kraft wirkt.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 wird der Betrieb des Verdichters erläutert. Wenn der Mengenstrom im wesent­ lichen so groß wie der Auslegewert oder größer ist, geht der Fluidstrom vom Laufrad 1 zu jeder feststehenden Leit­ schaufel 2 in die Richtung einer Wölbungslinie 9 der fest­ stehenden Leitschaufel 2 oder in eine Richtung, die im Uhrzeigersinn von der Linie 9 zu einer radialen Linie hin verschoben ist, wie dies durch einen Pfeil 3a gezeigt ist. In diesem Zustand sind die einstellbaren Leitschaufeln 7 jeweils zu einem in Fig. 3 gezeigten Winkel verschwenkt, um breitere Kanäle zwischen den feststehenden Diffusorleit­ schaufeln zu schaffen, um ein Absinken der Leistung durch Drosselung zu verhindern. Wenn der Mengenstrom kleiner als der Auslegewert ist, geht der Fluidstrom zu jeder fest­ stehenden Leitschaufel 2 in einer Richtung, die im Gegen­ zeigeruhrsinn zu der Wölbungslinie 9 verschoben ist, was durch einen Pfeil 3b gezeigt ist. In diesem Zustand ist jede einstellbare Laufschaufel 7 auf einen in Fig. 4 ge­ zeigten Winkel eingestellt, um die Kanäle zwischen den feststehenden Diffusorleitschaufeln zu verengen. Die Summe der Querschnittsflächen der Kanäle 6 wird auf diese Weise verringert und führt dazu, daß der Fluidstrom zu den fest­ stehenden Leitschaufeln 2 aus der Richtung 3b zu der Rich­ tung 3a verschoben wird, wodurch das Auftreten eines Abris­ ses unterbunden wird. Dadurch kann die untere Grenze des Betriebsbereichs abgesenkt werden.

In den Fig. 5 bis 7 sind verschiedenen Modifizierungen von einstellbaren Leitschaufeln 7 gezeigt. In Fig. 5 ist der Einlaßabschnitt einer feststehenden Leitschaufel ver­ schwenkbar. In Fig. 6 ist eine einstellbare Leitschaufel 7 an einem Einlaßabschnitt eines Kanals zwischen zwei benach­ barten feststehenden Leitschaufeln 2 vorgesehen. In Fig. 7 sind einstellbare Leitschaufeln in benachbarter Beziehung zueinander angeordnet. Die in den Fig. 5 und 6 gezeigten Ausführungsformen haben den Vorteil, daß die einstellbaren Leitschaufeln 7 mit kleinen Abmessungen hergestellt werden können, während die Ausführungsform von Fig. 7 eine breite­ re Einstellmöglichkeit für die Querschnittsfläche des Kanals zwischen den Diffusorleitschaufeln 2 bietet.

Bei den Ausführungsformen der Fig. 8 bis 15 ist eine kleine Anzahl der Kanäle zwischen den Leitschaufeln so ausgebildet, daß die Strömung durch sie hindurch eher abreißt als in anderen Kanälen. Auf diese Weise wird die Ausbreitung von Abrißkanälen unterdrückt, um das Auftreten einer rotierenden Abreißströmung zu unterbinden.

Bei den Ausführungsformen der Fig. 8 und 9 sind fest­ stehende Leitschaufeln 2b so vorgesehen, daß ihre Vor­ derkanten außerhalb derer der anderen feststehenden Leit­ schaufeln 2a angeordnet sind, damit der Abriß in den Kanä­ len angrenzend an die feststehenden Leitschaufeln 2b früher eintritt als in den anderen Kanälen. Bei der Ausführungs­ form von Fig. 9 sind die feststehenden Leitschaufeln 2b in benachbarter Beziehung zueinander angeordnet, um die rotie­ rende Abreißströmung wirksamer zu verhindern.

Bei der in Fig. 10 gezeigten Ausführungsform sind einige wenige feststehende Leitschaufeln 2b so angeordnet, daß die Kanäle 10b zwischen diesen Leitschaufeln breiter als die Kanäle 10a zwischen anderen Leitschaufeln 2 sind. In den Kanälen 10b tritt der Abriß früher als in den anderen Kanälen 10a auf.

Bei der Ausführungsform von Fig. 11 sind Kanäle 10c, die schmaler sind als die Kanäle 10a, auf beiden Seiten der breiteren Kanäle 10b vorgesehen, um die Ausbreitung von Abrißbereichen und somit die rotierende Abreißströmung wirksamer zu verhindern.

Die Ausführungsform von Fig. 12 hat einen schmäleren Kanal 10c, der nur auf der Rückseite eines breiteren Kanals 10b gesehen in die Drehrichtung 11 des Laufrads 1 angeordnet ist.

Die Ausführungsform von Fig. 13 hat einen schmäleren Kanal 10c lediglich auf der Vorderseite eines breiteren Kanals 10b.

Die in Fig. 14 gezeigte Ausführungsform hat eine geringe Anzahl feststehender Leitschaufeln 2b, die zu der Radial­ richtung 12 des Laufrads 1 so verschwenkt sind, daß ein Winkel Rd zwischen jeder feststehenden Leitschaufel 2d und der Radialrichtung 12 kleiner als ein entsprechender Winkel Ra jeder der anderen feststehenden Leitschaufeln 2a ist. Der Abriß tritt in einem Kanal 10d angrenzend an die Nega­ tivdruckoberfläche der feststehenden Leitschaufel 2d eher auf als in den anderen Kanälen 10a.

Die in Fig. 15 gezeigte Ausführungsform hat eine geringe Anzahl von feststehenden Leitschaufeln 2e, die aus der Radialrichtung 12 wegverschwenkt sind, so daß ein Winkel Re größer als der Winkel Ra ist. Die Strömung reißt in einem Kanal 10e angrenzend an die Positivdruckoberfläche einer jeden feststehenden Leitschaufel 2e eher ab als in den anderen Kanälen 10a.

Bei der in Fig. 16 gezeigten Ausführungsform sind fest­ stehende Leitschaufeln 2f so vorgesehen, daß ihre Vorder­ kanten außerhalb derer der anderen feststehenden Leit­ schaufeln 2a angeordnet sind, so daß Kanäle 10f und 10g angrenzend an jede Leitschaufel 2f breiter sind als jeder der anderen Kanäle 10a. Weiterhin ist auf der Rückseite eines Kanals 10g gesehen in Drehrichtung 11 des Laufrads 1 ein Kanal 10a angeordnet, der schmäler ist als jeder der anderen Kanäle 10a. Diese Ausführungsform hat die Vorteile sowohl der Ausführungsform der Fig. 8 als auch der von Fig. 12 im Hinblick auf die Unterbindung der Ausbreitung des Abrißbereichs.

Die in Fig. 17 und 18 gezeigte Ausführungsform hat fest­ stehende Leitschaufeln 2i, die mit Vorderkanten versehen sind, welche unterschiedliche radiale Positionen angrenzend an die Seitenplatte 4 und die zentrale Platte 5 haben, um den Betriebsbereich an seiner unteren Grenze zu erweitern. Diese Ausführungsform hat außerdem einstellbare Leit­ schaufeln 7. Die feststehenden Leitschaufeln 2i, die zur Absenkung der unteren Grenze des arbeitsfähigen Strömungs­ bereichs hochwirksam sind, sind mit den einstellbaren Leitschaufeln 7 kombiniert, um eine noch niedrigere Grenze des Betriebsbereichs zu erzielen.

Zum Absenken der unteren Grenze des Betriebsbereichs sind bei den in den Fig. 19 bis 21 gezeigten Ausführungs­ formen feststehende Leitschaufeln 2j und zusätzliche Leit­ schaufeln 13, von denen jede eine Sehnenlänge, die kleiner ist als die jeder feststehenden Leitschaufel 2j, und eine Höhe hat, die kleiner ist als die der feststehenden Leit­ schaufel 2j oder genauso groß ist, sowie einstellbare Leitschaufeln 7 vorgesehen. Jede zusätzliche Leitschaufel 13 ist innerhalb der Vorderkanten der feststehenden Leit­ schaufeln 2j angeordnet, so daß nur eine Seite jeder zu­ sätzlichen Leitschaufel 13 einer feststehenden Leitschaufel 2j zugewandt ist. Die zusätzlichen Leitschaufeln 13 können geneigte bzw. abgeschrägte Vorderkanten haben, wie dies in Fig. 21 gezeigt ist, um die Lärmbildung zu verringern und die Festigkeit zu erhöhen. Bei den Ausführungsformen der Fig. 19 bis 21 wird die Kombination der feststehenden Leitschaufeln 2j und der zusätzlichen Leitschaufeln 13, die hinsichtlich der Absenkung der unteren Grenze des Betriebs­ bereichs hochwirksam sind, in weiterer Kombination mit den einstellbaren Leitschaufeln 7 eingesetzt, um die untere Grenze des Betriebsbereichs noch weiter abzusenken.

Claims (8)

1. Radialverdichter mit einem Laufrad und einem Leitschau­ feldiffusor, der mit einer Vielzahl von stationären Leitschaufeln (2) versehen ist, die um das Laufrad (1) herum angeordnet sind und so wirken, daß sie die kineti­ sche Energie des von dem Laufrad (1) geförderten Fluids in Druck umwandeln, dadurch gekennzeich­ net, daß der Diffusor außerdem mit schwenkbaren Leitschaufeln (7) versehen ist, die in den stationären Leitschaufeln (2) ungleichförmig verteilt sind.

2. Radialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einige der Leitschaufeln Vorderkanten auf­ weisen, die außerhalb derer der anderen Leitschaufeln (2) angeordnet sind, und in den anderen Leitschaufeln (2) ungleichförmig verteilt sind.

3. Radialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Laufschaufeln (2) so an­ geordnet ist, daß einige der stationären Leitschaufeln (2b) mit Zwischenräumen (10b) angeordnet sind, die größer sind als die Zwischenräume (10a) der anderen Leitschaufeln (2) und ungleichförmig verteilt sind.

4. Radialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl der stationären Leitschaufeln (2a, 2b) so angeordnet ist, daß einige der stationären Leitschaufeln (2b) mit Zwischenräumen (10b) angeordnet sind, die größer sind als die Zwischenräume (10a) der anderen Leitschaufeln (2a), und daß die Leitschaufeln, die angrenzend an die Leitschaufeln mit dem größeren Zwischenraum positioniert sind, mit Zwischenräumen angeordnet sind, die kleiner sind als die der anderen Leitschaufeln (2) und ungleichförmig verteilt sind.

5. Radialverdichter mit einem Laufrad und einem Leitschau­ feldiffusor, der mit einer Vielzahl von stationären Leitschaufeln (2) versehen ist, die um das Laufrad (1) herum angeordnet sind und so wirken, daß sie die kineti­ sche Energie des von dem Laufrad (1) geförderten Fluids in Druck umwandeln, dadurch gekennzeich­ net, daß einige (2d, 2e) aus der Vielzahl von statio­ nären Leitschaufeln (2a, 2d, 2e) so angeordnet sind, daß ihre Winkel (Rd, Re) zur Radialrichtung des Laufrads (1) kleiner oder größer als diejenigen (Ra) der anderen stationären Leitschaufeln (2a) sind und daß diese eini­ gen stationären Leitschaufeln (2d, 2e) ungleichförmig verteilt sind.

6. Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß einige (2i) der Vielzahl von stationären Leitschaufeln (2) mit Vorderkanten versehen sind, die so abgeschrägt sind, daß diese Leitschaufeln (2i) Abschnitte angrenzend an die Seitenplatte (4) und die zentrale Platte (5) des Ver­ dichters haben, die radial zum Laufrad (1) versetzt sind, wobei diese Leitschaufeln ungleichförmig verteilt sind.

7. Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch zusätzliche Leit­ schaufeln (13), von denen jede eine Sehnenlänge, die kleiner ist als die jeder der stationären Leitschaufeln (2), und eine Höhe hat, die kleiner ist als die jeder der stationären Leitschaufeln (2) oder dieser gleich ist, wobei die zusätzlichen Leitschaufeln (13) ungleich­ förmig in den stationären Leitschaufeln (2j) verteilt und angrenzend an die Vorderkanten zugeordneter statio­ närer Leitschaufeln (2j) so angeordnet sind, daß nur eine Seite jeder zusätzlichen Leitschaufel (13) der zugeordneten anderen stationären Leitschaufel (2j) zugewandt ist.

8. Radialverdichter nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede der zusätzlichen Leit­ schaufeln (13) eine Vorderkante hat, die von ihrer Seite angrenzend an eine Seitenplatte (4) des Verdichters zu ihrer Seite angrenzend an die zentrale Platte (5) des Verdichters abgeschrägt ist.