DE4231452C2

DE4231452C2 - Turbokompressor mit einem Austrittsgehäuse für entgegengesetzte Drehrichtung

Info

Publication number: DE4231452C2
Application number: DE4231452A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr Ing Kotzur; Franz-Arno Dipl Ing Richter; Lubomyr Dr Ing Turanskyj; Boris P Schaidak; Vladimir Arcipow
Original assignee: MAN Gutehoffnungshutte GmbH
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 1992-09-19
Filing date: 1992-09-19
Publication date: 1994-11-03
Anticipated expiration: 2012-09-20
Also published as: UA27751C2; DE4231452A1; RU2082021C1

Description

Die Erfindung betrifft einen ein- oder mehrstufigen Turbokompressor radialer Bauart, wobei dem Laufrad ein Scheibendiffusor mit darin angeordneten Diffusor-Leitschaufeln nachgeschaltet ist, dem ein Sammelgehäuse mit tangentialem Austrittsstutzen folgt und wobei die Scheibendiffusor-Leitschaufeln in Drehrichtung des Laufrades von ihrem inneren zu ihrem äußeren Begrenzungsdurchmesser ansteigen.

Ein bekannter Turbokompressor ist in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Bei einem derartigen Turbokompressor wird über einen im allgemeinen symmetrisch zur Laufradachse angeordneten Ansaugstutzen das Gas in Radiallaufrädern teilweise verdichtet. Die restliche Energieumsetzung von Geschwindigkeit in Druck erfolgt in nachgeschalteten Scheibendiffusoren, in die oft Leitschaufeln eingebaut sind, einem schaufellosen Ringraum, nachgeschaltetem Rückführring zu den nachfolgenden Kompressorstufen bzw. in der Endstufe, einem Sammelgehäuse, aus dem das komprimierte Gas den Turbokompressor über einen Austrittsstutzen verläßt. Der Austrittsstutzen ist bei Ausführungen von Turbokompressoren nach dem Stand der Technik in der Weise an das Sammelgehäuse angeschlossen, daß das Gas, in Drehrichtung des Laufrades betrachtet, tangential das Sammelgehäuse verläßt.

Zum Stand der Technik wird auch auf die DE-OS 33 33 035 hingewiesen. Bei dem dort gezeigten Turboverdichter (Kreiselverdichter) sind die Schaufeln des Leitapparates, deren Längsachsen parallel zur Längsachse des Verdichters liegen, an der Stirnfläche des axialen Saugstutzens starr befestigt. Die Leitschaufeln steigen in Drehrichtung des Laufrades von ihrem inneren zu ihrem äußeren Begrenzungsdurchmesser an. Bei dem Verdichter nach der DE-OS 33 33 035 befindet sich am Eintrittsstutzen des Verdichter gehäuses eine Abrundung.

Der Turboverdichter für Erdgasleitungen nach dem Prospekt der Mannesmann Demag MA 25.53 (Juni 1982) weist keine Austritts-Leitschaufeln auf.

Turbokompressor-Außengehäuse mit Ansaug- und Austrittsstutzen sind insbesondere bei Kompressoren, die bei der Gasförderung mit hohen Drücken verwendet werden, sehr kostenaufwendig.

Derartige Turbokompressoren, wie sie häufig zur Verdichtung von Erdgas in Ferngasleitungen benutzt werden, sind in der Regel durch Turbinen, insbesondere Gasturbinen, angetrieben. Diese Gasturbinen weisen nur eine bestimmte Drehrichtung auf.

Turbinen mit anderer Drehrichtung machen nach dem Stand der Technik auch Turbokompressoren mit anderer Drehrichtung erforderlich, so daß etwa vorhandene Außengehäuse für Turbokompressoren mit abweichender Drehrichtung nicht mehr verwendet werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Turbokompressor, der für die entgegengesetzte Drehrichtung wie das vorhandene Sammelgehäuses konzipiert ist, bei einem derartigen Gehäuse einzusetzen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist für den Durchschnittsfachmann überraschend. An Hand von Versuchen mit einem Prototyp wurde nämlich festgestellt, daß es entgegen der Meinung der Fachwelt, möglich ist, in ein vorhandenes Außengehäuse einen Turbokompressor mit nicht diesem Gehäuse angepaßter Drehrichtung einzubauen, wenn nach den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs der Austrittsstutzen tangential entgegen der Drehrichtung des Laufrades und der Abströmrichtung der Leitschaufeln an das Sammelgehäuse angeordnet und der Austrittsstutzen an der Kante zum Sammelgehäuse abgerundet ist.

Maßnahmen, die den Gegenstand des Hauptanspruchs in vorteilhafter Weise ausgestalten, sind in den Unteransprüchen genannt.

Für den Fachmann unerwartet, zeigten die Versuchsergebnisse, die während des Betriebes eines erfindungsgemäßen Turbokompressors ermittelt wurden, daß mit diesem Turbokompressor ein wirtschaftlicher Betrieb ermöglicht wird.

Auf Grund der Erfindung ist es gelungen, eine große Anzahl von bereits vorhandenen Außengehäusen von Turbokompressoren, die nach der Auffassung der Fachleute für den (oben genannten) beabsichtigten Verwendungszweck nicht geeignet erschienen und die bekanntlich einen hohen Wert darstellen, doch noch in vorteilhafter Weise zu verwenden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend zum Teil an Hand von schematischen Zeichnungen und/oder unter Bezugnahme auf die Patentansprüche näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Turbokompressor nach dem Oberbegriff im Längsschnitt,

Fig. 2 den Austrittsbereich eines Turbokompressors nach Fig. 1,

Fig. 3 den Austrittsbereich eines erfindungsgemäßen Turbokompressors im Querschnitt,

Fig. 4 den Umlenkbereich der Strömung im Sammelgehäuse und Austrittsstutzen im Querschnitt,

Fig. 5 den Umlenkbereich mit Verlängerungsschaufeln im Diffusoraustritt im Querschnitt mit eingebauter Sperrschaufel und Formstück,

Fig. 6 die Darstellung des Verhältnisses der Innenbreite des schaufellosen Ringraumes zur Gesamtbreite des Austrittsquerschnittes im Längsschnitt,

Fig. 7 die Darstellung nach Fig. 6 im Querschnitt,

Fig. 8 den Umlenkbereich der Strömung im Sammelgehäuse und Austrittsstutzen (gem. Fig. 4), jedoch ohne das Formstück,

Fig. 9 den Austrittsbereich eines erfindungsgemäßen Turbokompressors mit Keilschaufeln im Querschnitt,

Fig. 10 einen Querschnitt nach Fig. 9 mit abgerundeten Keilschaufeln,

Fig. 11 den Längsschnitt einer Keilschaufel mit abgerundeter Austrittskante,

Fig. 12 den Umlenkbereich der Strömung im Sammelgehäuse und Austrittsstutzen im Querschnitt (gem. Fig. 4), ferner im Hintergrund gestrichelt angedeuteter Keilschaufeln,

Fig. 13 einen Querschnitt nach Fig. 8, jedoch mit Keilschaufeln und

Fig. 14 eine ausschnittsweise Darstellung des Neigungswinkels ε der Austrittsfläche zwischen Keilschaufeln mit Angabe der Kanalweite h_D und Formel für die Austrittsfläche des Diffusors.

Nach den Fig. 1 und 2, die den Stand der Technik darstellen, wird über einen im allgemeinen symmetrisch zur Laufradachse angeordneten Ansaugstutzen (1) das Gas in Radiallaufrädern (2) teilweise verdichtet. Die restliche Energieumsetzung von Geschwindigkeit in Druck erfolgt in nachgeschalteten Scheibendiffusoren (3), in die Leitschaufeln (4) eingebaut sind, ferner einem schaufellosen Ringraum (5), einem nachgeschalteten Rückführring (6) zu nachfolgenden Stufen bzw. in der Endstufe einem Sammelgehäuse (7), aus dem das Gas den Kompressor über den Austrittsstutzen (8) verläßt. Dieser Austrittsstutzen ist bei Ausführungen des Standes der Technik so an das Sammelgehäuse (7) angeschlossen, daß das Gas, in Drehrichtung des Laufrades betrachtet, tangential das Sammelgehäuse (7) verläßt, wie in Fig. 2 dargestellt.

Erfindungsgemäß steigen (gem. Fig. 3) die Diffusor-Leitschaufeln (4) in Drehrichtung des Laufrades (2) von ihrem inneren zum äußeren Begrenzungsdurchmesser an und der Austrittsstutzen (8) ist tangential entgegen der Drehrichtung des Laufrades (2) an das Sammelgehäuse (7) angeschlossen.

Dadurch wird bewirkt, daß die Strömung mit gleichmäßiger peripherer Druckverteilung aus dem Laufrad austritt, am Diffusoreintritt in bekannter Weise stoßfrei aufgenommen und zwischen den Diffusor-Leitschaufeln (4) verzögert wird. Die Umlenkung in die entgegengesetzte Umfangsrichtung erfolgt erst im Endbereich des Sammelgehäuses (7) bei so niedriger Strömungsgeschwindigkeit, daß die Austrittsverluste im Rahmen bleiben.

Eine besonders vorteilhafte Lösung (Fig. 4) besteht darin, die Kante (9) im Umlenkbereich der Strömung vom Sammelgehäuse zum Austrittsstutzen (8) abzurunden.

Die Obergrenze der Abrundung ist durch die Wandstärke des vorhandenen Sammelgehäuses (7) vorgegeben.

Als vorteilhaft haben sich Abrundungsradien zwischen 10 und 30% des Laufraddurchmessers erwiesen, vorzugsweise ca. 20%.

Gemäß Fig. 5 unterstützt eine Sperrschaufel (10) im Sammelgehäuse die positive Wirkung der Abrundung an der Kante (9). Eine weitere Verbesserung ist gem. Fig. 5 und 6 durch ein daran anschließendes Formstück (13) gegeben, das im vorhandenen Austrittsstutzen (8) befestigt wird.

Die Verwendung des Formstückes (13) ist nicht zwingend, wie aus Fig. 8 ersichtlich. Ohne das Formstück (13) kann der bauliche Aufwand reduziert werden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Diffusor-Leitschaufeln (4) in bekannter Weise (nach Anspruch 16 und Fig. 3) als Profile mit verjüngter Ein- und Austrittskante ausgebildet.

Wenn diese nur einen Teil des im allgemeinen parallelwandigen Scheibendiffusors (3), in radialer Richtung betrachtet, überdecken, ist die Strömungsgeschwindigkeit am Austritt an den Leitschaufeln (4) noch verhältnismäßig hoch, doch besteht ein größerer Freiraum zur Anpassung der Strömungsrichtung an die im Austrittsstutzen (8), der für die entgegengesetzte Drehrichtung konzipiert ist, was zu entsprechend kleineren Austrittsverlusten führt.

Vorteilhaft ist gem. Anspruch 18 und 19 dabei eine radiale Erstreckung dieser Leitschaufeln (4) bis zu einer radialen Erstreckung (L) des Scheibendiffusors (3) von 40 bis 60%, vorzugsweise 50%, gerechnet vom Innen-Durchmesser (D) des Scheibendiffusors.

Eine Verlängerung von zwei Leitschaufeln (gem. Fig. 5) durch Verlängerungsschaufeln (16, 17) bis zum Austritt des schaufellosen Ringraumes (5) verbessert die Abströmbedingungen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn hierbei der durch die Verlängerungsschaufeln abgegrenzte Strömungsanteil, gekennzeichnet durch die Zahl der abgegrenzten Strömungskanäle zwischen den Leitschaufeln (4), bezogen auf die gesamten Strömungskanäle, dem Verhältnis der Innenbreite b_D des schaufellosen Ringraumes (5) zur Gesamtbreite b_S des Austrittsquerschnittes (19) entspricht (Fig. 6 und 7).

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung (gem. Fig. 8) ist die Verwendung von sogenannten Keilschaufeln (20), die vorzugsweise miteinander geradachsige Strömungskanäle (21) mit einem Erweiterungswinkel δ von ca. 8° bis 14° (vorzugsweise 12°) bilden. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn die Keilschaufeln (20) in radialer Richtung den größten Teil des im allgemeinen parallelwandigen Scheibendiffusors (3) überdecken, um die Strömung weitgehend gut geführt zu verzögern.

Die Diffusor-Leitschaufeln in der Ausbildung als Keilschaufeln (20) werden vorzugsweise als gerade Schaufeln eingesetzt oder evtl. als Schaufeln mit geringer Krümmung.

Es steht zwar dann weniger Freiraum zur Anpassung der Strömungsrichtung an die im Austrittsstutzen (8) zur Verfügung, jedoch sind die Austrittsverluste bei dem dann niedrigeren Geschwindigkeitsniveau auch nicht so hoch.

Vorteilhaft ist dabei (nach den Ansprüchen 9 und 10) eine radiale Erstreckung dieser Keilschaufeln (20) bis zu einer radialen Erstreckung des Scheibendiffusors (3) von ca. 80 bis 100%, vorzugsweise 90%.

Eine gute Anpassung der Abströmung aus diesen Keilschaufeln wird erzielt, wenn eine oder beide Austrittskanten (22, 23) der Keilschaufeln (20) abgerundet sind (Fig. 11).

Als vorteilhaft hat sich erwiesen, den Abrundungsradius R₁ an der druckseitigen Austrittskante (22) mit ca. 5% bis 15%, vorzugsweise 10%, des Laufraddurchmessers, und/oder den Abrundungsradius R₂ an der saugseitigen Austrittskante (23) ca. 0,5 bis 1%, vorzugsweise mit ca. 0,6%, des Laufraddurchmessers auszuführen.

Von besonderer Bedeutung ist auch, daß die Austrittsfläche aus den Leitschaufeln (4) bzw. Keilschaufeln (20) in einem bestimmten Verhältnis zur radialen Querschnittsfläche des Sammelgehäuses (7) steht.

Dabei spielen der Neigungswinkel ε gegen die radiale Richtung und die radiale Lage der Leitschaufelaustrittsfläche zu der radialen Querschnittsfläche A_S des Sammelgehäuses (7) eine Rolle.

Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn (nach Anspruch 22 und 23) die radiale Querschnittsfläche A_S des Sammelgehäuses bei Leitschaufeln (4) ca. 100 bis 150% (vorzugsweise ca. 135%), bei Keilschaufeln (20) (wie in den Ansprüchen 24 und 25 angegeben) ca. 45 bis 75% (vorzugsweise ca. 60%) größer als die Austrittsfläche A_D der Diffusorleit- (4) bzw. Keilschaufeln (20) ist.

Der Neigungswinkel ε beträgt dann bei Leitschaufeln (4) im Scheibendiffusor (3), die als Profile mit am Ein- und Austritt verjüngter Dicke s ausgeführt sind (gem. Fig. 3), ca. 50-70° (vorzugsweise ca. 60°), bei Keilschaufeln (20) (gem. Fig. 8) ca. 30-50° (vorzugsweise ca. 40°).

Die Leitschaufeln (4) bzw. Keilschaufeln (20) können fest eingebaut oder in der Winkellage einstellbar ausgeführt werden.

Claims

1. Ein- oder mehrstufiger Turbokompressor radialer Bauart, wobei dem Laufrad ein Scheibendiffusor mit darin angeordneten Diffusor-Leitschaufeln nachgeschaltet ist, dem ein Sammelgehäuse mit tangentialem Austrittsstutzen folgt und wobei die Scheibendiffusor-Leitschaufeln in Drehrichtung des Laufrades von ihrem inneren zu ihrem äußeren Begrenzungsdurchmesser ansteigen, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittsstutzen (8) tangential entgegen der Drehrichtung des Laufrades (2) und der Abströmrichtung der Leitschaufeln (4) an das Sammelgehäuse (7) angeordnet und der Austrittsstutzen (8) an der Kante (9) zum Sammelgehäuse (7) abgerundet ist.

2. Turbokompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abrundungsradius (R) 10 bis 30% des Laufraddurchmessers (D) beträgt.

3. Turbokompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abrundungsradius (R) 20% des Laufraddurchmessers (D) beträgt.

4. Turbokompressor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sperrschaufel (10) im Sammelgehäuse (7) angeordnet ist und diese Sperrschaufel (10) von der in radialer Richtung inneren Begrenzung (11) des Sammelgehäuses (7) bis zur inneren Begrenzung (12) des Austrittsstutzens (8), der Kante (9) gegenüberliegend, verläuft, und daß im Anschluß an die Sperrschaufel (10) im Austrittsstutzen (8) ein Formstück (13) angeordnet ist.

5. Turbokompressor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusor-Leitschaufeln als Keilschaufeln (20) ausgebildet sind.

6. Turbokompressor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (21) zwischen den Keilschaufeln (20) einen Erweiterungswinkel (δ) von 8 bis 14° aufweisen.

7. Turbokompressor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (21) zwischen den Keilschaufeln (20) einen Erweiterungswinkel (δ) von 12° aufweisen.

8. Turbokompressor nach Anspruch 5 und einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Keilschaufeln (20) in radialer Richtung den größten Teil des Scheibendiffusors (3) überdecken.

9. Turbokompressor nach Anspruch 5 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Keilschaufeln (20) bei 80 bis 100% der radialen Erstreckung (L) des Scheibendiffusors (3) enden.

10. Turbokompressor nach Anspruch 5 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Keilschaufeln (20) bei 90% der radialen Erstreckung (L) des Scheibendiffusors (3) enden.

11. Turbokompressor nach Anspruch 5 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Austrittskanten (22, 23) der Keilschaufeln (20) abgerundet sind.

12. Turbokompressor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abrundungsradius (R₁) an der druckseitigen Austrittskante (22) 5% bis 15% des Laufraddurchmessers (D) beträgt.

13. Turbokompressor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abrundungsradius (R₁) an der druckseitigen Austrittskante (22) 10% des Laufraddurchmessers (D) beträgt.

14. Turbokompressor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abrundungsradius (R₂) an der saugseitigen Austrittskante (23) 0,5 bis 1,0% des Laufraddurchmessers (D) beträgt.

15. Turbokompressor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abrundungsradius (R₂) 0,6% des Laufraddurchmessers (D) beträgt.

16. Turbokompressor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusor-Leitschaufeln (4) im Scheibendiffusor (3) als Profile mit am Ein- und Austritt verjüngter Dicke (s) ausgebildet sind.

17. Turbokompressor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusor-Leitschaufeln (4) in radialer Richtung nur einen Teil des Scheibendiffusors (3) überdecken, so daß den Diffusor-Leitschaufeln (4) ein schaufelloser Ringraum (5) folgt.

18. Turbokompressor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusor-Leitschaufeln (4) bei 40 bis 60% der radialen Erstreckung (L) des Scheibendiffusors (3) enden.

19. Turbokompressor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusor-Leitschaufeln (4) bei 50% der radialen Erstreckung (L) des Scheibendiffusors (3) enden.

20. Turbokompressor nach Anspruch 16 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an zwei Diffusor-Leitschaufeln (14, 15) Verlängerungsschaufeln (16, 17) bis zum Austritt des schaufellosen Ringraumes (5) anschließen, so daß die Verlängerungsschaufel (16, 17) die zwischen diesen Diffusor-Leitschaufeln (14, 15) austretende Strömung im schaufellosen Ringraum (5) abgrenzen, und daß die Verlängerungsschaufeln (16, 17) im Bereich der Kanten (9 und 12) enden.

21. Turbokompressor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der durch die Verlängerungsschaufeln (16, 17) abgegrenzten Leitschaufelkanäle (18), bezogen auf die gesamte Diffusor-Leitschaufelzahl, etwa dem Verhältnis der Innenbreite (b_D) des schaufellosen Ringraumes (5) zur Gesamtbreite (b_S) des Austrittsquerschnittes (19) entspricht.

22. Turbokompressor nach den Ansprüchen 1 bis 4 und den Ansprüchen 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Querschnittsfläche (A_S) des Sammelgehäuses (7) 100% bis 150% größer als die Austrittsfläche (A_D) der Diffusor-Leitschaufeln (4) ist.

23. Turbokompressor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Querschnittsfläche (A_S) des Sammelgehäuses (7) 135% größer als die Austrittsfläche (A_D) der Diffusor-Leitschaufeln (4) ist.

24. Turbokompressor nach den Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Querschnittsfläche (A_S) des Sammelgehäuses 45 bis 75% größer als die Austrittsfläche (A_D) der Keilschaufeln (20) ist.

25. Turbokompressor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Querschnittsfläche (A_S) des Sammelgehäuses (7) 60% größer als die Austrittsfläche (A_D) der Keilschaufeln (20) ist.

26. Turbokompressor nach den Ansprüchen 1 bis 4 und 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel (ε) bei Leitschaufeln (4) im Scheibendiffusor (3), ausgebildet als Profile mit am Ein- und Austritt verjüngter Dicke, 50 bis 70° beträgt.

27. Turbokompressor nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel (ε) 60° beträgt.

28. Turbokompressor nach den Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel (ε) bei Keilschaufeln (20) 30 bis 50° beträgt.

29. Turbokompressor nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel (ε) der Keilschaufeln (20) 40° beträgt.