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Die Erfindung betrifft einen Zentrifugalkompressor, der einen
Diffusor aufweist, der mit Statorschaufeln versehen ist, die
so arbeiten, daß die kinetische Energie eines von einem
Laufrad abgegebenen Fluids in Druckenergie umgewandelt wird, wobei
die Statorschaufeln Vorderkanten haben, die bei ihrer
Erstreckung weg von einer Seitenplatte zu einer Kernplatte hin
in Stromabrichtung geneigt sind.
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Einige zentrifugalkompressoren haben eine Vielzahl von
Statorschaufeln, die um einen Umfang des um das Laufrad
angeordneten Diffusors mit gleichen Abständen angeordnet sind. Die
Räume zwischen den Statorschaufeln und der Raum zwischen den
Seitenwänden des Diffusors wirken zusammen und bilden einen
Diffusorkanal. In einem Arbeitsbereich, bei welchem die
Drehzahl hoch und der Durchsatz niedrig sind, wird auf den
Negativdruck-Oberflächen der Statorschaufeln ein Trennbereich
erzeugt, wodurch eine ausreichende Druckerhöhung nicht erzielt
werden kann. Dies führt zunächst zu der sogenannten
rotierenden Abreibströmung, bei der der Trennbereich in der
Umfangsrichtung rotiert. Wenn der Durchsatz weiter verringert wird,
tritt das Phänomen des Pumpens auf.
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Um das Phänomen des Pumpens zu der Seite mit geringem
Durchsatz hin zu verschieben, offenbart die JP-1-247798 (A) einen
Zentrifugalkompressor (gattungsgemäße Art), bei welchem von
den Räumen aus, die zwischen den Statorschaufeln in gleichen
Abständen an dem Diffusor angeordnet sind, radial nach innen
gerichtete Zusatzschaufeln vorgesehen sind, und bei welchem
Stator- oder Zusatzschaufeln Vorderkanten haben, die auf ihrer
Erstreckung von der Seitenplatte weg zur Kernplatte hin in der
Stromabrichtung geneigt sind. Bei einem solchen
Zentrifugalkompressor, bei welchem Vorderkanten von Stator- oder
Zusatzschaufeln bei ihrer Erstreckung weg von der Seitenplatte zur
Kernplatte hin in der Stromabrichtung geneigt sind, wird das
Phänomen des Pumpens in einem niedrigen Durchsatzbereich
jedoch nicht ausreichend unterbunden. Da der Kompressor
Statorschaufeln hat, die in gleichen Abständen über dem Umfang
des um das Laufrad angeordneten Diffusors vorgesehen sind,
wurde außerdem der Unterbindung einer rotierenden
Abreißströmung keine ausreichende Beachtung geschenkt.
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Die EP-A-0 040 534 offenbart einen Zentrifugalkompressor mit
einem radialen Diffusor, der gegenüberliegende Seitenwände,
die zwischen sich einen Raum für den Diffusorgasstrom bilden,
und Statorschaufeln hat, die sich von einer Seitenwand zur
anderen über diesen Raum erstrecken und ihn in Kanäle
unterteilen. Die Leitschaufeln sind in zwei Sätzen angeordnet. Die
Vorderkanten der Leitschaufeln des einen Satzes sind von einer
ersten Seitenwand zurückgebogen, während die Vorderkanten der
Leitschaufeln des zweiten Satzes von der zweiten Seitenwand
aus zurückgebogen sind. Die Statorschaufeln des ersten Satzes
sind zwischen denen des zweiten Satzes angeordnet und wechseln
sich mit ihnen ab. Bei einem solchen Diffusor ist es möglich,
den Aufbau einer Grenzschichtströmung und eine Rezirkulation
in das Kompressorlaufrad zu unterbinden oder auf ein Minimum
zu reduzieren, während gleichzeitig Stoßwellen vermieden
werden, die normalerweise beim Einführen von Leitschaufeln in
den Überschallbereich auftreten.
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Es ist das Ziel der Erfindung, einen Zentrifugalkompressor der
gattungsgemäßen Art bereitzustellen, der arbeitet, ohne einem
Pumpen oder einer rotierenden Abreißströmung auch in einem
niedrigen Durchsatzbereich unterworfen zu werden.
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-Gemäß der Erfindung wird dieses Ziel bei dem
Zentrifugalkompressor der gattungsgemäßen Art dadurch erreicht, daß
Zusatzschaufeln vorgesehen werden, von denen jede eine Sehnenlänge
hat, die kürzer ist als die jeder Statorschaufel, daß die
Zusatzschaufeln Vorderkanten haben, die bei ihrer Erstreckung
weg von der Seitenplatte zu der Kernplatte hin in
Stromabrichtung geneigt sind, und daß die Zusatzschaufeln an Positionen
radial einwärts von den Statorschaufeln so angeordnet sind,
daß eine der Oberflächen jeder Zusatzschaufel einer
Statorschaufel zugewandt ist.
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Die Statorschaufeln können gleichförmig oder nicht
gleichförmig in dem Diffusor angeordnet sein.
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Vorzugsweise sind die Statorschaufeln und die Zusatzschaufeln
so angeordnet, daß die Schaufeln in der Nähe eines
Zungenabschnitts eines schneckenförmigen Strömungskanals in dünner
Anordnung und in dem Teil des Kanals, der von dem
Zungenabschnitt entfernt liegt, in dichter Anordnung vorgesehen sind.
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Die Nähe des Zungenabschnitts ist vorzugsweise ein Bereich,
der den Zungenabschnitt einschließt und nicht mehr als der
Hälfte des gesamten Umfangs entspricht.
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Gemäß der Erfindung haben sowohl Statorschaufeln als auch
Zusatzschaufeln Vorderkanten angrenzend an die Seitenplatte,
die an Stellen angeordnet sind, die näher zum Laufrad als
entsprechende Positionen in einem herkömmlichen
Zentrifugalkompressor liegen. Als Folge können die Ströme, die in
Richtungen fließen, die sich der Tangentialrichtung annähern, in
starkem Maße in die Richtungen der Statorschaufeln geführt
werden. Dies wirkt dahingehend, daß die Erzeugung eines
Gegenstroms
auf ein Minimum reduziert oder unterbunden wird,
wodurch ein Pumpen auch in dem Niederdurchsatzbereich verhindert
wird.
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Außerdem sind Zusatzschaufeln zusammen mit Statorschaufeln mit
Schaufelabständen angeordnet, die unterschiedlich sind, um
sowohl einen ausgedünnten Bereich als auch einen dichten
Bereich zu schaffen, so daß die Statorschaufeln zusammen mit
den Zusatzschaufeln nicht gleichförmig angeordnet sind. Als
Folge tritt eine Abreißströmung erst in einem bestimmten Teil
des Kanals ein, wo die Schaufelabstände eine dünne Anordnung
haben, und nicht in dem anderen Teil des Kanals mit der
dichten Schaufelanordnung. Dadurch nimmt der Durchsatz durch den
Zwischenschaufelkanal, wo ein Abreißen der Strömung auftrat,
unter den Durchsatz durch den Zwischenschaufelkanal ab, wo
noch kein Abreißen der Strömung erfolgte, um den Durchsatz
durch den Zwischenschaufelkanal in dem zweiten Teil des
Zwischenschaufelkanals zu erhöhen, wo noch kein Abreißen der
Strömung erfolgte, wodurch das Auftreten einer rotierenden
Abreißströmung auf ein Minimum reduziert wird.
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Der erfindungsgemäße Zentrifugalkompressor hat somit einen
hohen Wirkungsgrad und einen weiten Betriebsbereich.
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Es werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf
die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen
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Fig. 1 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines
Zentrifugalkompressors in Richtung der Drehachse des
Laufrads ist,
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Fig. 2 ein Teillängsschnitt eines Diffusorabschnitts des
Zentrifugalkompressors von Fig. 1 ist,
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Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer Anordnung einer
Statorschaufel und einer Zusatzschaufel ist,
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Fig. 4 eine Schnittansicht wie Fig. 1 einer zweiten
Ausführungsform eines Zentrifugalkompressors ist,
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Fig. 5 eine Schnittansicht wie Fig. 1 einer dritten
Ausführungsform eines Zentrifugalkompressors ist,
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Fig. 6 eine Schnittansicht wie Fig. 1 einer vierten
Ausführungsform eines Zentrifugalkompressors ohne Gehäuse
ist,
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Fig. 7 eine Schnittansicht wie Fig. 6 einer fünften
Ausfürhrungsform eines zentrifugalkompressors ist,
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Fig. 8 eine Schnittansicht wie Fig. 6 einer sechsten
Ausfürhrungsform eines Zentrifugalkompressors ist, und
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Fig. 9 eine Schnittansicht wie Fig. 6 einer siebten
Ausfürhrungsform eines Zentrifugalkompressors ist.
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Gemäß Fig. 1 bis 3 bildet ein Raum zwischen einem Laufrad 1
und einem Gehäuse 5 den Innenraum eines Diffusors zum
Umwandeln der kinetischen Energie eines von dem Laufrad 1
abgegebenen Stroms in Druck. Der Diffusor ist mit einer Vielzahl von
Schaufeln versehen. Insbesondere hat eine Statorschaufel 2
eine Vorderkante, die ein Stück mit einem
Statorschaufelfortsatz 3 bildet. Der Statorschaufelfortsatz 3 hat eine Höhe, die
einer Höhe der Statorschaufel 2 entspricht oder kleiner ist
als diese Höhe, sowie eine Vorderkante, die bei ihrer
Erstreckung weg von einer Seitenplatte 7 zu einer Kernplatte 8
hin in Stromabrichtung geneigt ist. Zwischen einem
benachbarten Paar von Statorschaufeln 2 ist eine Zusatzschaufel 4
mit einer Sehnenlänge und einer Höhe angeordnet, die kleiner
als eine Höhe jeder Statorschaufel 2 ist, wobei nur eine der
Oberflächen der Zusatzschaufel 4 einer Statorschaufel 2
zugewandt ist. Jede Zusatzschaufel 4 hat eine Vorderkante, die bei
ihrer Erstreckung von der Seitenplatte 7 weg zu der Kernplatte
8 hin in Stromabrichtung geneigt ist. In einem
schneckenförmigen Strömungskanal (der eine Schnecke mit einem wendelförmigen
Strömungskanal, dessen Breite allmählich abnimmt, oder ein
Kollektor mit einem wendelförmigen Strömungskanal mit
konstanter Breite sein kann) sind die Vielzahl der
Statorschaufeln 2 und die Vielzahl der Zusatzschaufeln 4 so angeordnet,
daß die Schaufeln in der Nähe eines Zungenabschnitts 6 des
Gehäuses 5 (d.h. in einem Bereich, der annähernd nicht mehr
als einer Hälfte des vollständigen Umfangs entspricht) eine
dünne Anordnung haben und daß sie in dem nicht in der Nähe des
Zungenabschnitts 6 befindlichen Bereich dicht angeordnet sind.
In dem Fall, in welchem die Statorschaufeln 2 mit
Zusatzschaufeln 4 kombiniert sind, die nur in dem Teil des
Strömungskanals angeordnet sind, der nicht dem Teil entspricht, der an
den Zungenabschnitt 6 angrenzt (der annähernd nicht mehr als
einer Hälfte des vollständigen Umfangs entspricht), wird die
Wirkung hinsichtlich der Unterbindung einer rotierenden
Abreißströmung weiter gesteigert.
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In einem Zustand, in dem der Betriebsdurchsatz des Kompressors
hoch ist strmt von dem Laufrad 1 abgegebenes Fluid in einem
Winkel, der annähernd gleich dem Eintrittswinkel ist, der
durch die Statorschaufeln 2, die Statorschaufelfortsätze 3 und
die Zusatzschaufeln 4 gebildet wird. Als Folge wird die
kinetische Energie der Strömung wirkungsvoll in Kanälen zwischen
den Statorschaufeln 2 in Druck umgewandelt. Da bei diesem
Vorgang nur eine der Oberflächen jeder Zusatzschaufel 4 der
entsprechenden Statorschaufel 2 zugewandt ist, wird die Breite
des Kanals zwischen zwei benachbarten Paaren von
Statorschaufeln
2 durch die Zusatzschaufel 4 nicht reduziert, wodurch
eine wirksame Umwandlung der kinetischen Energie der Strömung
in Druck sichergestellt ist.
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Wenn der Betriebsdurchsatz des Kompressors abgenommen hat,
strömt das von dem Laufrad 1 abgegebene Fluid nicht mit einem
Winkel, der annähernd dem Eintrittswinkel gleich ist, der von
den Schaufeln 2, 3 und 4 gebildet wird, sondern strömt mit
einem Winkel, der von der Radialrichtung des Laufrades 1
abweicht. Als Folge hat die Strömung die starke Tendenz, sich
nicht längs der Statorschaufeln 2 zu bewegen, die eine starke
Wirkung hinsichtlich der Umwandlung der kinetischen Energie
der Strömung in Druck haben. Diese Neigung ist auf der Seite
der Seitenplatte 7 bedeutend. Wenn sich die Strömung nicht
längs der Statorschaufeln 2 bewegt, bildet ein Teil der
Strömung einen Gegenstrom, der eine Abreißströmung verursacht,
wodurch die Umwandlung der kinetischen Energie in Druck
schwierig wird. Die Abreißströmung kann auch ein Auftreten von
anormalen Erscheinungen, wie rotierende Abreißströmung und
Pumpen, hervorrufen, die den Kompressorbetrieb schwierig
gestalten würden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung führen die
Statorschaufelfortsätze 3 die Strömungskornponenten an den Vorderkanten der
Statorschaufeln 2 und angrenzend an die Seite der Seitenplatte
7 zu den Statorschaufeln 2 hin, während die Zusatzschaufeln 4
die Strömungskornponenten in den Zwischenabschnitten der
Statorschaufeln 2 zu den den Statorschaufeln 2 leiten. Die
Statorschaufelfortsätze 3 und die Zusatzschaufeln 4 wirken somit
miteinander dahingehend zusammen, daß die Strömungskomponenten
angrenzend an die Vorderkanten der Statorschaufeln 2 in
starkem Ausmaß zu den Statorschaufeln 2 hin geführt werden. Auf
diese Weise wird das Auftreten einer Abreißströmung
eingeschränkt. Demzufolge können anomale Erscheinungen, wie eine
rotierende Abreißströmung und ein Pumpen, nicht leicht
auftreten. Es ist deshalb möglich, den Betriebsbereich des
Kompressors in dem Durchsatzbereich zu verbessern.
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Um den Betriebsbereich des Kompressors in einem Bereich mit
niedrigerem Durchsatz zu vergrößern, ist es erforderlich, eine
rotierende Abreißströmung zu unterbinden. Eine rotierende
Abreißströmung ist eine Erscheinung, die bei einem
Durchsatzwert auftritt, der höher ist als der Wert, bei dem ein Pumpen
eintritt. Bei dem Phänomen des Abreißens der rotierenden
Strömung tritt das Abreißen an einem Teil der Statorschaufeln
2 auf und bewegt sich in Umfangsrichtung, wodurch viel Lärm
und Vibration erzeugt werden, was den Betrieb des Kompressors
schwierig gestaltet. Bei einem Zentrifugalkompressor mit einem
schneckenförmigen Strömungskanal ist der Druck an der
Abgabeöffnung des Diffusors nicht gleichförmig in Umfangsrichtung,
wenn der Durchsatz niedrig ist. Insbesondere ist der Druck in
der Nähe des Zungenabschnitts 6 hoch und am gegenüberliegenden
Abschnitt niedrig. Dadurch besteht für die Statorschaufeln 2
in der Nähe des Zungenabschnitts 6 eine größere Gefahr, daß
ein Abreißen auftritt, als bei den Statorschaufeln 2 in dem
gegenüberliegenden Teil. Wenn die Statorschaufelfortsätze 3
der ersten Gruppe von Statorschaufeln 2 angrenzend an den
Zungenabschnitt 6 entfernt werden, was bei der Ausführungsform
von Fig. 1 gezeigt ist, ist das Ausmaß der Gefahr für die
erste Gruppe von Statorschaufeln 2, daß ein Abreißen der
Strömung auftritt, größer als für die zweite Gruppe von
Statorschaufeln 2 in dem gegenüberliegenden Teil. Auch wenn bei
diesem Aufbau bei den Statorschaufeln 2 der ersten Gruppe in
der Nähe des Zungenabschnitts 6 ein Abreißen der Strömung
auftritt, sind die Statorschaufeln 2 der zweiten Gruppe im
gegenüberliegenden Teil frei von einem solchen Strömungsabrei-
Ben. Als Folge bewegt sich das Abreißen der Strömung nicht
leicht in Umfangsrichtung, wodurch das Auftreten einer
rotierenden
Abreißströmung eingeschränkt wird. Auch wenn an einem
Teil der Statorschaufeln 2 ein Abreißen der Strömung auftritt,
erhöhen sich die Pegel des erzeugten Geräusches und der
erzeugten Vibration nicht wesentlich, wenn keine Umfangsbewegung
der Abreißströmung vorhanden ist. Dadurch kann der Kompressor
bei niedrigerem Durchsatz arbeiten.
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Bei der Ausführungsform von Fig. 4 ist ein Teil der
Zusatzschaufeln 4, die in zugewandter Beziehung zu einigen der
Statorschaufeln 2 in der Nähe des Zungenabschnitts 6
angeordnet sind, entfernt.
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Bei der Ausführungsform von Fig. 5 sind ein Teil der
Statorschaufelfortsätze 3 sowie ein Teil der Zusatzschaufeln 4
entfernt. Die Ausführungsform von Fig. 5 hat eine größere
Wirkung hinsichtlich Unterbindung einer rotierenden
Abreißströmung als die Ausführungsformen, wie sie in Fig. 1 und 4
gezeigt sind.
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Die Ausführungsformen von Fig. 6 bis 8 sind dann geeignet,
wenn der Strömungskanal stromab vom Diffusor symmetrisch
bezüglich der Achse ist. Bei der Ausführungsform von Fig. 6
ist ein Teil der Statorschaufelfortsätze 3 für die
Statorschaufeln 2 über den gesamten Umfang entfernt. Bei der
Ausführungsform von Fig. 7 ist ein Teil der Zusatzschaufeln 4 für
die Statorschaufeln 2 über den gesamten Umfang weggelassen.
Bei der Ausführungsform von Fig. 8 sind ein Teil des
Statorschaufelfortsatzes 3 und ein Teil der Zusatzschaufeln 4
über den gesamten Umfang entfernt.
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Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform, die zur Unterbindung des
Pumpens sowie zur Reduzierung des radialen Schubs geeignet
ist, während die Symmetrie des Strömungskanals bezüglich der
Achse gewährleistet ist.