DE4214753A1

DE4214753A1 - Radialverdichter-Laufrad

Info

Publication number: DE4214753A1
Application number: DE4214753A
Authority: DE
Inventors: Marius Dr Geller; Ivan Novosel
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; ABB AB
Priority date: 1992-05-04
Filing date: 1992-05-04
Publication date: 1993-11-11

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Radialverdichter-Lauf rad, bestehend aus einer Radscheibe, die auf einer antrei benden Welle befestigt ist, einer von der Radscheibe axial distanzierten Deckscheibe und zwischen Rad- und Deckscheibe angeordneten, gleichmäßig in Umfangsrichtung angeordneten Schaufeln.

Technologischer Hintergrund und Stand der Technik

Laufräder von Radialverdichtern oder Radialventilatoren be stehen in der Regel aus einer Radscheibe, die auf der an treibenden Welle aufgeschrumpft oder sonstwie befestigt sind. Die Strömungskanäle werden durch die Deckscheibe mit den in Umfangsrichtung gleichmäßig angeordneten Schaufeln definiert. Die Strömung wird im Freiraum zwischen Rad- und Deckscheibe axial angesaugt und verläßt das Laufrad am Austritt in radialer Richtung.

Radiallaufräder werden in drei verschiedenen Einbauvarian ten betrieben:

a) Frei ausblasend bei geringen Anforderungen an die Druckerzeugung;
b) mit einem Plattendiffusor welche dem Laufrad nachge schaltet ist, zur Erhöhung des Druckes, indem die ki netische Energie, die nach dem Laufrad austritt, in Druck umgewandelt wird;
c) mit einem spiralförmigen Sammeldiffusor.

Während die unter a) und b) genannten Einbauvarianten in solchen Fällen Anwendung finden, bei denen die Laufräder zur Druckerzeugung eingesetzt werden, ist der Betrieb mit Spiraldiffusor dann vorgesehen, wenn die Verdichterstufe unmittelbar in eine Rohrleitung fördert.

Die Auslegung und Berechnung von Radiallaufrädern für einen vorgegebenen Betriebspunkt, d. h. für eine bestimmte Förder menge und eine bestimmte Druckerzeugung ist in der Fach literatur beschrieben, z. B. im Buch "Thermische Turbo maschinen" Bd. 1 von W.Traupel, Springer-Verlag, Berlin - Heidelberg - New York, 1966, Seiten 150 ff., oder im Buch "Konstruktion elektrischer Maschinen" von Wiedemann und Kellenberger, Springer-Verlag Berlin - Heidelberg - New York 1967, Seiten 548 bis 553).

In der Praxis sind nun häufig vom Auslegungspunkt abwei chende Bedingungen vorhanden, bei denen ein Betrieb des Laufrades ebenfalls erforderlich ist. Diese Zustände werden durch die sogenannte Verdichter-Kennlinie charakterisiert, wie sie in Fig. 3 beispielsweise veranschaulicht ist. Der sich einstellende Betriebspunkt B ergibt sich aus dem Schnittpunkt der Verdichter-Kennlinie a und der Wider standskennlinie b der Anlage (vgl. Traupel . . oder Wiedeman und Kellenberger, a.a.O., Seite 551, Abb. 476). Einen we sentlichen Punkt auf der Verdichter-Kennlinie stellt der sogenannte Abreißpunkt A dar. Das ist im allgemeinen der Punkt der Kennlinie mit der kleinsten Fördermenge. Jenseits dieses Punktes kann das Laufrad nicht mehr betrieben wer den, weil ein stabiler Betrieb nicht mehr sichergestellt ist.

Falls die geometrischen Auslegungsparameter frei verfügbar sind, kann durch besondere konstruktive Maßnahmen am Lauf rad erreicht werden, daß kein Abreißen vorhanden ist, d. h. der Verdichter kann bis zur Fördermenge V = O betrie ben werden. In der Praxis sind allerdings meist geometri sche Randbedingungen für die Konstruktion vorgegeben, so daß in der Regel mit einem Abreißen der Kennlinie zu rechnen ist. Als Hauptnachteil des Abreißens ist die Ein schränkung des Betriebsbereiches zu nennen, wobei insbeson dere derjenige Bereich eingeschränkt ist, bei dem die größ ten Drücke erzeugt werden. Darüber hinaus ist zu beachten, daß eine rechnerische Vorausbestimmung des Abreißpunktes nicht möglich ist. Er muß immer experimentell bestimmt werden.

In der Veröffentlichung von W. Reiss und K. Bierbaum "Stabi lisierung der Laufradströmung eines Radialverdichters durch Casing Treatment" in "VDI Berichte" Nr. 706, 1988, Seiten 282 bis 298, werden experimentelle Untersuchungen an einem einstufigen Radialverdichter mit einem unbeschaufeltem Diffusor beschrieben. Ein wesentliches Merkmal dieser Sta bilisierungsmethoden sind Wandanbohrungen bzw. geneigte Axialnuten in den stehenden, nicht rotierenden Gehäusetei len. Diese Methoden sind jedoch auf sogenannte halboffene Laufräder ohne Deckscheibe beschränkt. Jedoch sind aus Wir kungsgradgründen die Mehrzahl der Laufräder geschlossen ausgeführt, d. h., sie besitzen eine Deckscheibe.

Kurze Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laufrad eines Radialverdichters zu schaffen, das einen erweiterten stabi len Betriebsbereich, insbesondere erweiterten Teillastbe reich bis hin zu kleinen Fördermengen aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schaufeln des Laufrades im Austrittsbereich der Strö mung Durchgangsbohrungen aufweisen, die axial nebeneinander liegen und sich von der Rad- zur Deckscheibe erstrecken. Je nach Einbauvariante sind dabei in Strömungsrichtung gesehen mehrere Reihen Durchgangsbohrungen hintereinander vorgese hen.

Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, daß auf diese Weise eine Stabilisierung der Verdichter- Kennlinie hin zu kleineren Teillast-Betriebspunkten möglich ist, mit der Folge, daß sich der Abreißpunkt deutlich zu kleineren Fördermengen verschiebt.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Erfindung auch nachträglich bei bereits ausgeführten Laufrädern angewandt werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung und zugehörige Kennlinien zu ihrer Erläuterung schematisch dargestellt, und zwar zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Radiallaufrad be kannter Bauart;

Fig. 2 den Grundriß des Laufrades nach Fig. 1;

Fig. 3 die Verdichter-Kennlinie eines herkömmlichen Ra dialverdichters und die Widerstands-Kennlinie eines Verbrauchers;

Fig. 4 einen Ausschnitt aus Fig. 2 zur Verdeutlichung der sich beim Abreißpunkt enstellenden Effekte;

Fig. 5 einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Laufrad mit zwei Reihen Bohrungen in den Schau feln im Austrittsbereich der Strömung im Grund riß;

Fig. 6 einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Laufrad mit zwei Reihen Bohrungen in den Schau feln im Austrittsbereich der Strömung im Längs schnitt;

Fig. 7 die Verdichter-Kennlinie eines mit Bohrungen nach Fig. 5 bzw. Fig. 6 versehenen Verdichters.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Radialverdichter-Laufrad besteht aus einer Radscheibe 1, die auf einer antreibenden Welle 2 aufgeschrumpft ist. Strömungskanäle werden durch eine Deckscheibe 3, die von der Radscheibe 1 axial beab standet ist, mit in Umfangsrichtung gleichmäßig angeord neten Schaufeln 4 definiert. Die Strömung wird im Ansaug raum 5 zwischen zwischen den Schaufeln 4 und der Welle 2 angesaugt, tritt durch den Raum zwischen Rad- und Deck scheibe und verläßt das Laufrad am Austritt 6 in radialer Richtung.

Die Verdichter-Kennlinie eines derartigen Radialverdichters ist in dem Diagramm der Fig. 3 dargestellt. Auf der Abszisse ist die Fördermenge V, auf der Ordinate die Druckerhöhung Δp dargestellt.

Die Schaufel eines Verdichter-Laufrades ist durch die soge nannte Schaufel-Druckseite SD und die Schaufel-Saugseite SS (vgl. Fig. 4) gekennzeichnet. Beim Betrieb des Verdichters beim Abreißpunkt A der Kennlinie (Fig. 3) treten am schau felsaugseitigen Kanalaustritt Strömungsablösungen in Form von Wirbeln 7 auf, wie dies in Fig. 4 skizziert ist. Diese Wirbel haben eine teilweise Einengung des Strömungsquer schnittes zur Folge, so daß ein weiterer Druckanstieg im Strömungskanal und somit auch bei der Kennlinie nicht mehr möglich ist.

Hier setzt nun die Erfindung ein. Die Schaufeln 4 werden im Austrittsbereich der Strömung mit Durchgangsbohrungen 8 versehen (Fig. 5 und Fig. 6). Diese Bohrungen 8 bewirken, daß von der Schaufel-Druckseite SD Strömungsmaterial (Gas oder Luft) mit hoher Energie in den abgelösten Bereich auf der Schaufel-Saugseite SS zugeführt wird. Hierdurch wird ein Wiederanlegen der Strömung erreicht, und somit ein Ab transport der stehenden Wirbel aus dem Strömungskanal mög lich, wie dies in Fig. 5 skizziert ist. Als Effekt ergibt sich eine gesunde Kanalströmung im Laufradaustritt 6 und somit eine stabile Druckerzeugung in der Kennlinie.

Der stabilisierende Einfluß der Bohrungen 8 ist im Dia gramm nach Fig. 7 dargestellt. Die dick ausgezogene Kurve a′ gibt die Verdichter-Kennlinie mit Schaufelbohrungen 8 wie der, die strichlierte Kurve a zeigt die Verdichter-Kennli nie desselben Verdichters ohne besagte Bohrungen. Wie das Diagramm deutlich macht, ist auf dem gesunden Ast der Kenn linie a′ nur eine geringfügige Verringerung der Druckerhö hung Δp in Kauf zu nehmen. Insbesondere ist eine deutli che Verschiebung des Abreißpunktes A′ zu kleineren Förder mengen hin zu verzeichnen. Weiterhin wird durch diese Maß nahme ein fast vollständiges Ausschalten der Kennlinien- Hysterese erreicht, was auf den stabilisierenden Einfluß der Bohrungen 8 zurückzuführen ist.

Wie weiter oben ausgeführt, ist eine rechnerische Vorausbe stimmung des Abreißpunktes nicht möglich. Demzufolge kön nen auch für die Anzahl der Bohrungen, deren Durchmesser und ihre Verteilung keine exakten Angaben gemacht werden. Es ist nur möglich, hier gewisse aus der Erfahrung gewon nenen Richtwerte anzugeben:

- Die Anzahl der Bohrungen in einer axialen Reihe sollte mindestens fünf betragen;
- Der Mindestabstand der äußeren Lochreihe von der Laufrad-Austrittskante sollte etwa 0,25·t betragen, wobei t die Teilung kennzeichnet (vgl. Fig. 2);
- Die Bohrungsdurchmesser sollten 0,1·k nicht überstei gen, wobei k die Kanalbreite am Laufradaustritt kenn zeichnet (vgl. Fig. 1);
- Die Summe der Bohrungsdurchmesser in Strömungsrichtung gesehen sollte mehr als 0,2·k betragen, wobei k die Kanalbreite bezeichnet (vgl. Fig. 1).
- Es sollten mehrere Bohrungsreihen in Strömungsrichtung vorgesehen werden. Die erste Bohrungsreihe sollte auf einem größeren Durchmesser liegen, der sich aus dem Mittelwert aus Schaufeleintrittsdurchmesser und Schau felaustrittsdurchmesser ergibt, d. h., die Bohrungen sollten bevorzugt auf der äußeren Hälfte der Schaufel angebracht sein.

Die Wirkung der Bohrungen sind beim freiausblasenden Be trieb am deutlichsten, d. h., bei diesem Betrieb stellt sich eine deutlichere Verschiebung des Abreißpunktes als beim Betrieb mit Plattendiffusor ein. Im Vergleich zu den vorge nannten Varianten ist die Verschiebung des Abreißpunktes am geringsten, wenn das Laufrad mit Spiraldiffusor betrie ben wird.

Bezugszeichenliste

1 Radscheibe
2 antreibende Welle
3 Deckscheibe
4 Schaufeln
5 Ansaugraum
6 Austritt
7 Wirbel
8 Durchgangsbohrungen in 5
a, a′ Verdichter-Kennlinien
A,A′ Abreißpunkte
b Widerstand-Kennlinie
B Betriebspunkt
k Kanalbreite
Δp Druckerhöhung
t Teilung
Fördermenge

Claims

1. Radialverdichter-Laufrad, bestehend aus einer Rad scheibe (1), die auf einer antreibenden Welle (2) be festigt ist, einer von der Radscheibe (1) axial dis tanzierten Deckscheibe (3) und zwischen Rad- und Deck scheibe angeordneten, gleichmäßig in Umfangsrichtung angeordneten Schaufeln (4), dadurch gekennzeichnet, daß das die Schaufeln (4) des Laufrades im Aus trittsbereich (6) der Strömung von Durchgangsbohrungen (8) aufweisen, die axial nebeneinander liegen und sich von der Radscheibe (1) zur Deckscheibe (3) erstrecken.

2. Radialverdichter-Laufrad nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß in Strömungsrichtung gesehen meh rere Reihen Durchgangsbohrungen (8) hintereinander liegen.

3. Radialverdichter-Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß in einer axialen Reihe min destens fünf Durchgangsbohrungen (8) vorgesehen sind.

4. Radialverdichter-Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mindestabstand der äußeren Lochreihe von der Laufrad-Austrittskante etwa 0,2,5·t beträgt, wobei t die Teilung kennzeichnet.

5. Radialverdichter-Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser der Durchgangsbohrungen den Wert von 0,1· k nicht über steigen, wobei k die Kanalbreite am Laufradaustritt kennzeichnet.

6. Radialverdichter-Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Durchmesser der Durchgangsbohrungen (8) in Strömungs richtung gesehen mehr als 0,2·k beträgt, wobei k die Kanalbreite bezeichnet.

7. Radialverdichter-Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Bohrungs reihen in Strömungsrichtung vorgesehen sind, wobei die erste Bohrungsreihe auf einem größeren Durchmesser liegt, der sich aus dem Mittelwert aus Schaufelein trittsdurchmesser und Schaufelaustrittsdurchmesser er gibt, d. h., die Durchgangsbohrungen (8) sind vorzugs weise auf der äußeren Hälfte der Schaufel (4) ange ordnet.