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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen Zentrifugalkompressor mit einer Drehwelle, einem
Laufrad, das an der Drehwelle angebracht ist, und einem ersten Schaufeldiffusor,
der radial außerhalb
des Laufrades vorgesehen ist und zwei gegenüberliegende Wandflächen und
eine Vielzahl von ersten Schaufeln aufweist, die zwischen den Wandflächen im
Abstand zueinander in Umfangsrichtung angeordnet sind.
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Hintergrund
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Diffusoren oder Zentrifugalkompressoren werden
grob in schaufellose Diffusoren und Schaufeldiffusoren unterteilt.
Von diesen ändert
der Schaufeldiffusor die Strömungsrichtung
durch Schaufeln und verlangsamt auch die Strömung durch die Schaufeln, dadurch
ist insgesamt die Effizienz nahe bei einem ausgelegten Strömungsdurchsatz
höher als
im Vergleich mit den schaufellosen Diffusoren. Die Effizienz wird
jedoch bei hohem Strömungsdurchsatz
und niedrigem Strömungsdurchsatz
verringert; da der Schaufelverlust ansteigt und die Strömung durch
die Schaufeln abreißt,
so dass der Betriebsbereich eng ist.
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Es wurde deshalb ein Diffusor mit
einem kleinen Sehnen-Steigungs-Verhältnis vorgeschlagen (im folgenden
als "Schaufeldiffusor mit geringer Dichte" bezeichnet), der in der
nicht geprüften
japanischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 53-119411
offenbart ist, bei dem der Betriebsbereich selbst bei Verwendung
eines Schaufeldiffusors weniger eng ist, und bei dem die Effizienz
bis zu einem gewissen Grade gesteigert werden kann.
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In dem nicht geprüften japanischen Gebrauchsmuster
mit der Veröffentlichungs-Nr. 56-97598
ist ein Beispiel offenbart, in dem in einem stromabwärtig von
einem Schaufeldiffusor mit geringer Dichte gelegenen schaufellosen
Abschnitt die Kanalhöhe
abrupt verengt wird, und die Kanallänge des schaufellosen Abschnitts
verkürzt
wird, um einen Reibungsverlust zu verringern. Weiter ist in der
nicht geprüften
japanischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. 1-125599
ein Beispiel offenbart, in dem in einer Kompressorstufe mit relativ
geringer spezifischer Drehzahl eine Kanalhöhe eines Schaufelabschnitts
eines Schaufeldiffusors in einer stromabwärtigen Richtung zunehmend verringert
wird, um die Effizienz durch Verringerung eines Reibungsverlustes
zu erhöhen.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Falle eines Laufrads für einen
sogenannten Kompressor mit geringer spezifischer Drehzahl, bei dem
die spezifische Drehzahl, die durch eine Drehzahl, einen Strömungsdurchsatz
und eine adiabatische Druckhöhe
eines Kompressors bestimmt wird, nicht höher ist als ca. 250 (Upm,m3/min,m), ist ein Auslassströmungswinkel
des Laufrads, d. h. ein Strömungswinkel
an einem Einlass eines Diffusors, klein, und eine axiale Höhe eines
Strömungskanals ist
gering. Wird also ein schaufelloser Diffusor als Diffusor genutzt,
so ist dies mit dem Nachteil eines zunehmenden Reibungsverlustes
verbunden. Wird andererseits ein schaufelloser Diffusor in einer
Kompressorstufe mit geringer spezifischer Drehzahl genutzt, so tritt
in vielen Fällen
in einem Abschnitt mit schaufellosem Diffusor ein Rotationsabriss
auf. In einem Mehrstufen-Kompressor, bei dem ein Arbeitsfluid einen
hohen Druck annimmt, tritt der Nachteil auf, dass die bei einem
Rotationsabriss auftretende Oszillation des Fluids den Betriebsbereich
verringert.
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Um die Einengung des Betriebsbereichs durch
diesen Rotationsabriss zu verhindern, sind verschiedene Verfahren
vorgeschlagen worden, mit denen bei Verwendung eines schaufellosen
Diffusors das Auftreten eines Rotationsabrisses verzögert wird.
Bei einem dieser Verfahren wird die Höhe des Strömungskanals an einem Einlassabschnitt
eines Diffusors reduziert (das Reduzieren der Kanalhöhe in einem
bestimmten Abschnitt wird im weiteren Text als "verengen" bezeichnet),
wodurch der Strömungsdurchsatz
am Punkt des Einsetzens des Abrisses auf den geringen Strömungsdurchsatz
verändert
wird. Ein so konstruierter Diffusor hat jedoch eine geringere Effizienz
als ein Schaufeldiffusor, zudem ist die Höhe des Strömungskanals des stationären Kanals, einschließlich des
Diffusors, gering, deshalb kommt es zu dem Nachteil, dass ein benetzter
Umfangsbereich zunimmt, so dass ein Reibungsverlust größer wird.
Zudem ist es selbst bei. Gebrauch dieses Diffusors schwierig, den
Rotationsabriss positiv zu verhindern, und die Zuverlässigkeit
ist gering.
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Andererseits kann die Effizienz durch
den Einsatz eines Schaufeldiffusors mit hoher Dichte (Schaufeldiffusor
mit großem
Sehnen-Steigungs-Verhältnis)
erhöht
werden. Wird jedoch diese Art von Schaufeldiffusor eingesetzt, so
tritt das Pumpen bei einer geringen Strömungsdurchsatz auf, da ein
Abriss der Schaufeln selbst entsteht, und da zudem die Drosselung
in einem großen
Strömungsdurchsatzbereich
auftritt, hat dies den Nachteil, dass der Betriebsbereich eng und
die Lösung
damit unpraktikabel ist.
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Bekannt ist, dass ein Schaufeldiffusor
mit geringer Dichte mit einem kleinen Sehnen-Steigungs-Verhältnis effizienter ist als ein
schaufelloser Diffusor, und dass ein breiter Betriebsbereich sichergestellt
werden kann. Um jedoch mit diesem Schaufeldiffusor mit geringer
Dichte die Druckgewinnung zu vergrößern, ist es notwendig, stromabwärtig vom Schaufeldiffusor
mit geringer Dichte einen schaufellosen Abschnitt einzufügen. Im
Falle des Einsatzes eines Schaufeldiffusors mit geringer Dichte
wurde bisher die Kanalhöhe
eines stromabwärtig
von den Schaufeln gelegenen schaufellosen Abschnitts mit der Kanalhöhe eines
Schaufelabschnitts gleichgesetzt. Mit dem Schaufeldiffusor mit geringer
Dichte kann die Strömung
nicht genügend
abgelenkt werden. Ist daher ein Einlasswinkel des Fluids in den
Diffusor hinein klein, so kann im schaufellosen Abschnitt ein Rotationsabriss
selbst dann auftreten, wenn die Strömung bis zu einem gewissen
Grad im Schaufelabschnitt des Diffusors abgelenkt wird, und in diesem Falle
ist der Betriebsbereich begrenzt.
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In dem im oben genanntem nicht geprüften japanischen
Gebrauchsmuster mit der Veröffentlichungs-Nr.
56-97598 offenbarten Beispiel, unter Berücksichtigung dessen, dass der
Diffusor in einer Kompressorstufe mit relativ hoher spezifischer
Drehzahl genutzt werden kann, wird die Kanalhöhe stromabwärtig von den Schaufeln des
Diffusors abrupt verengt, wodurch die axiale Höhe des Strömungskanals reduziert wird.
In diesem bekannten Beispiel wird jedoch jegliche Aufmerksamkeit
dem Rotationsabriss gewidmet, und die Erweiterung des Betriebsbereichs des
Kompressors ist nicht immer ausreichend. In diesem bekannten Beispiel
sind die folgenden beiden Punkte, die für das Verhindern des Rotationsabrisses wichtig
sind, nicht berücksichtigt.
Der erste Punkt ist das Verhältnis
der Kanalhöhe
(Verengungsverhältnis)
zwischen dem Schaufelabschnitt und dem schaufellosen Abschnitt.
In dem im nicht geprüften
japanischen Gebrauchsmuster mit der Veröffentlichungs-Nr. 56-97598
offenbarten Beispiel beträgt dieser
Wert 0,6 bis 0,9, dies ist jedoch im Hinblick auf die Rotationsabrissverhinderung
nicht ausreichend.
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Der zweite Punkt ist die Instabilität der Strömung aufgrund
der Ungleichmäßigkeit
der Strömung stromabwärtig von
den Schaufeln des Diffusors. Die Strömung ist stromabwärtig von
der Diffusorschaufel in Umfangsrichtung wegen der Schaufelnachströmung nicht
gleichförmig,
und speziell bei der Kompressorstufe mit geringer spezifischer Drehzahl
ist der Strö mungswinkel.
(in Umfangsrichtung gemessener Winkel) klein, selbst nachdem die
Strömung
den Schaufelabschnitt passiert hat. Es ist schwer, diese ungleichmäßige Strömungsverteilung
gleichförmig zu
machen, da die Strömung
im schaufellosen Abschnitt eine verlangsamte Strömung ist. Weiter wird die Strömung dadurch
instabil, dass der Gradient des statischen Druckes in Radialrichtung
groß ist.
Deshalb wird, wenn der Diffusor in diesem schaufellosen Abschnitt
abrupt oder diskontinuierlich verengt wird, der Gradient des statischen
Druckes in Radialrichtung unregelmäßig, und auch die Strömung wird
in der peripheren Richtung nicht gleichförmig gemacht und wird instabil,
was aus der Sicht der Rotationsabrissverhinderung ein Umkehreffekt
ist.
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In der Kompressorstufe mit geringer
spezifischer Drehzahl ist der Einlasswinkel für das Fluid in den Diffusor
klein, deshalb besteht, wenn die Strömung von den Schaufeln des
Diffusors nicht genügend
abgelenkt wird, oder wenn die Schaufeln des Diffusors lokal abreißen, die
Möglichkeit,
dass dadurch in einem Bereich stromabwärtig vom Schaufelabschnitt
des Diffusors ein Rotationsabriss verursacht wird.
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In der nicht geprüften japanischen Patentanmeldung
mit der Veröffentlichungs-Nr.
1-125599 ist ein Beispiel offenbart, in dem die Strömung von
den Schaufeln des Diffusors abgelenkt und auch der Kanal verengt
wird, und in dem im Schaufelabschnitt des Diffusors eine relativ
große
Strömungsablenkung ermöglicht wird,
ohne dabei die Schaufeln stark zu belasten. In diesem bekannten
Beispiel ist ein Strömungswinkel
an einem Einlass des stromabwärtig vom
Schaufelbereich des Diffusors gelegenen schaufellosen Abschnitts
groß,
was den Vorteil bringt, dass die Länge des Strömungskanals des schaufellosen
Abschnitts reduziert werden kann. Die Kanalhöhe des gesamten schaufellosen
Abschnitts wird jedoch gering, und der vom Fluid benetzte Umfangsbereich
wird groß.
Die beiden Einflüsse
löschen sich
also gegenseitig aus, und der Effekt des Reduzierens des Reibungsverlustes
im schaufellosen Abschnitt kann nicht genügend dargestellt werden.
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Wie oben beschrieben ist, insbesondere
in der Zentrifugalkompressorstufe mit geringer spezifischer Drehzahl,
zusätzlich
zu der durch Effizienz und Betriebsbereich dargestellten Leistung,
das Verhindern des im Diffusor auftretenden Rotationsabrisses wichtig,
bei den oben beschriebenen herkömmlichen Techniken
wird jedoch zu wenig Aufmerksamkeit darauf verwandt, gleichzeitig
diese Aspekte zu berücksichtigen.
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Die US-A-5 316 441 offenbart einen
Zentrifugalkompressor, der eine Drehwelle, ein an der Drehwelle
angebrachtes Laufrad, und einen mehrreihigen Rippendiffusor umfasst,
der radial außerhalb
des Laufrads vorgesehen ist und zwei gegenüberliegende Wandflächen hat.
Eine Vielzahl von niederen und hohen Rippen sind an einer Wandfläche oder
an beiden Wandflächen
im Abstand zueinander in Umfangsrichtung angeordnet.
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In der CH-A-306 749 ist ein Zentrifugalkompressor
beschrieben, der eine Drehwelle, ein an der Drehwelle angebrachtes
Laufrad, und einen schaufellosen Diffusor umfasst, der radial außerhalb
des Laufrads vorgesehen ist und zwei gegenüberliegende Wandflächen hat.
Der axiale Abstand zwischen den Wänden des schaufellosen Diffusors
verringert sich von einem Einlass zu einem Auslass fortschreitend.
Radial außerhalb
des schaufellosen Diffusors ist ein Bereich mit Schaufeln vorgesehen.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung
besteht darin, einen Zentrifugalkompressor mit einer relativ niedrigen
spezifischen Drehzahl bereitzustellen, bei dem ein Rotationsabriss
im Diffusor verhindert wird, und der eine hohe Effizienz und einen
breiten Betriebsbereich hat und sehr zuverlässig ist.
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Dieses Ziel wird durch einen Zentrifugalkompressor
mit den Merkmalen von Anspruch 1 erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Zentrifugalkompressors
sind die Gegenstände
der Ansprüche
2 bis 13.
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Der zweite Diffusor kann ein schaufelloser Diffusor
oder ein zweiter Schaufeldiffusor mit mehreren zweiten Schaufeln
sein, die zwischen den Wandflächen
im Abstand zueinander in Umfangsrichtung angeordnet sind.
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Vorzugsweise umfasst die Querschnittsform in
einer Meridionalebene jeder der zwei Wandflächen, die den schaufellosen
Diffusor bilden, eine gleichmäßige Linie
mit einer geraden Linie oder einem Bogen.
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Vorzugsweise beträgt ein Einlassschaufelwinkel
der ersten Schaufeln des ersten Schaufeldiffusors, in einer Umfangsrichtung
gemessen, 4° bis
12°.
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Vorzugsweise ist eine axiale Höhe des Auslasses
des schaufellosen Diffusors 0,3 bis 0,6 mal so groß wie eine
axiale Höhe
eines Auslasses des ersten Schaufeldiffusors.
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Eine der gegenüberliegenden Wandflächen, die
den schaufellosen Diffusor bilden, kann in einem Meridionalebenenquerschnitt
radial gerichtet sein, während
die andere Wandfläche
geneigt sein kann, um sich der einen Wandfläche in der stromabwärtigen Richtung
fortschreitend anzunähern.
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Eine Schaufelhöhe am Auslass des Laufrades
kann dem Abstand zwischen den beiden gegenüberliegenden Wandflächen des
ersten Schaufelidffusors gleich sein.
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Die zwei gegenüberliegenden Wandflächen, die
den schaufellosen Diffusor bilden, können beide in Richtung der
Seite, die einer Kernplatte des Laufrades entspricht, fortschreitend
in der stromabwärtigen
Richtung geneigt sein.
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Vorzugsweise beträgt eine spezifische Drehzahl
des Laufrades 80 bis 250, und noch mehr zu bevorzugen ist eine spezifische
Drehzahl des Laufrades von 100 bis 200.
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Vorzugsweise haben die ersten Schaufeln des
ersten Schaufeldiffusors eine solche Größe, dass eine senkrecht zu
der ersten Schaufel am Einlass verlaufende Linie die angrenzende
erste Schaufel nicht schneidet.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Querschnittansicht in Längsrichtung
eines erfindungsgemäßen Mehrstufen-Zentrifugalkompressors;
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2 ist
eine Querschnittansicht in Längsrichtung
einer mittleren Stufe des in 1 dargestellten
Zentrifugalkompressors, in der hauptsächlich ein Abschnitt des Diffusors
in vergrößertem Maßstab dargestellt
ist;
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3 ist
eine Ansicht entlang des Abschnitts A-A aus 2;
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die 4 bis 8 sind jeweils Querschnittansichten
in Längsrichtung
anderer Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung, in denen hauptsächlich ein Abschnitt des Diffusors
in vergrößertem Maßstab dargestellt
ist;
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9 ist
eine Vorderansicht, die eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaufeldiffusors
zeigt;
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die 10 und 11 sind jeweils Querschnittansichten
in Längsrichtung
anderer Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, in denen hauptsächlich ein Abschnitt des Diffusors
in vergrößertem Maßstab dargestellt
ist; und
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12 ist
eine Querschnittansicht in Längsrichtung
einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Einstufen-Zentrifugalkompressors.
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BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM
DER ERFINDUNG
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Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist eine Darstellung,
in der die Form eines erfindungsgemäßen Mehrstufen-Zentrifugalkompressors
im Längsquerschnitt
gezeigt ist. Kompressorstufen, die in Mehrstufenform von mehreren
Laufrädern 1a bis 1e und
mehreren Diffusoren, die Schaufeldiffusoren 2a bis 2e und
schaufellose Diffusoren 3a bis 3e umfassen, gebildet
werden, sind in einer axialen Richtung zusammengefügt, um einen
Mehrstufen-Zentrifugalkompressor 100 zu
bilden. Die mehreren Laufräder 1a bis 1e sind
in der axialen Richtung auf eine Drehwelle 8 zusammengesetzt,
und gegenüberliegende
Endabschnitte der Drehwelle 8 werden jeweils von Lagern 10 drehbar
gelagert. Die Schaufeldiffusoren 2a bis 2e sind
radial außerhalb
(d. h. an stromabwärtigen
Seiten) des jeweiligen Laufrades 1a bis 1e angebracht,
und die schaufellosen Diffusoren 3a bis 3e sind
radial außerhalb
des jeweiligen Schaufeldiffusors angebracht. Die schaufellosen Diffusoren 3a bis 3d aller
Stufen mit Ausnahme der letzten Stufe sind jeweils mit einem Rückführbogen 4 verbunden,
von denen jeder ein Arbeitsfluid in die nächste Stufe befördert, und
auf einer stromabwärtigen
Seite jedes Rückführbogens 4 ist
ein Rückführkanal 5 gebildet, über den
das Arbeitsfluid radial nach innen geführt wird. Eine Spirale 6 zum
Sammeln des aus dem Laufrad der letzten Stufe fließenden Arbeitsfluids
und zum Ableiten desselben zu einem Ableitrohr (nicht gezeigt) ist
auf einer stromabwärtigen
Seite des schaufellosen Diffusors 3e der letzten Stufe
ausgebildet. Die Schaufeldiffusoren 2a bis 2e,
die schaufellosen Diffusoren 3a bis 3e, die Rückführbögen 4,
die Rückführkanäle 5 und
die Spirale 5 sind die stationären Teile, die auf ein Kompressorgehäuse 7 montiert oder
in diesem angebracht sind. Zwischen zwei benachbarten Stufen des
Kompressors ist jeweils ein Zwischenstufen-Dichtelement 12 zum
Verhindern einer Leckströmung
angebracht. Der schaufellose Diffusor jeder Stufe mit Ausnahme der
letzten Stufe ist hier der Abschnitt, der sich von einer äußeren radialen
Position 60 von Schaufeln des Schaufeldiffusors zu einer
Position 61 des Rückführbogens 4,
bei der die Biegung beginnt, erstreckt, und der schaufellose Diffusor
der letzten Stufe ist der Abschnitt, der sich von einer äußeren radialen
Position des Schaufeldiffusors zu einem Ende einer in ein Spiralgehäuse 6 laufenden
Wandfläche
erstreckt
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Der Betrieb des so aufgebauten Mehrstufen-Zentrifugalkompressors
wird nun beschrieben. Der Druck des durch eine Ansaugöffnung 9 gezogenen
Arbeitsfluids wird vom Laufrad 1a der ersten Stufe erhöht, und
er wird weiter erhöht,
während
das Fluid durch den Schaufeldiffusorabschnitt 2a und den schaufellosen
Diffusorabschnitt 3a läuft,
dann wird die Strömungsrichtung
des Arbeitsfluids durch den Rückführbogen 4 von
radial nach außen
auf radial nach innen geändert,
dann wird das Arbeitsfluid über den
Rückführkanal 5 in
das Laufrad der zweiten Stufe eingespeist. Daraufhin wird eine solche
Strömung
in jeder Stufe wiederholt, so dass der Druck des Arbeitsfluids allmählich erhöht wird,
und nachdem das Arbeitsfluid den Diffusor der letzten Stufe passiert hat,
geht es durch die Ableitspirale 6 und wird in ein Ableitrohr
eingespeist. In diesem Mehrstufen-Zentrifugalkompressor wird die
spezifische Drehzahl von der ersten Stufe bis zur letzten Stufe
allmählich
verringert, und es ist nicht ungewöhnlich. dass die spezifische
Drehzahl in der Nähe
der letzten Stufe weniger als 200 beträgt.
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2 ist
eine Ansicht, in der der Abschnitt einer Stufe des Mehrstufenkompressors
aus 1, der sich von
einem Auslassabschnitt des Laufrades zur nächsten Stufe erstreckt, in
Einzelheiten dargestellt ist. 3 ist
eine Ansicht in der Richtung A-A aus 2.
Eine axiale Kanalhöhe
b des schaufellosen Diffusorabschnitts 3 jeder Stufe verringert
sich radial nach außen,
vom Auslass 60 des Schaufeldiffusorabschnitts 2 (der
der Einlass des schaufellosen Diffusorabschnitts ist) zum Auslass 61 des
schaufellosen Diffusors, fortschreitend oder gleichmäßig. Eine
Wandfläche 58,
die diesen Schaufeldiffusor 2 und den schaufellosen Diffusor 3 darstellt,
ist auf eine integrale Weise gebildet, ihr Innendurchmesser-Ende
beginnt am Auslassabschnitt des Laufrads, und ihr Außendurchmesser-Ende
befindet sich in einer Position, in der die Beugung des Rückführbogens 4 beginnt.
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In dieser in 2 gezeigten Ausführungsform wird die Strömungsrichtung
des aus dem Laufrad austretenden Arbeitsfluids von den Schaufeln 2z des
Schaufeldiffusors, deren Schaufelhöhe im Wesentlichen gleich der
Höhe der
Flügel
des Laufrads ist, umgekehrt, und dieses Arbeitsfluid fließt in den schaufellosen
Diffusorabschnitt 3. In einer Kompressorstufe mit geringer
spezifischer Drehzahl (die spezifische Drehzahl ist nicht höher als
ungefähr
200) wird die Leistung durch Verkleinerung eines Austrittswinkels
eines Laufrades erhöht.
Durch ein herkömmliches
Verfahren zum Verengen der Kanalbreite am Einlass des Diffusors
nimmt ein Bereich, in dem eine Nachströmung entstehen kann, zu, was
nicht erwünscht
ist; erwünscht
ist, dass ein Winkel α,
in dem die Schaufeln des Diffusors angebracht sind, auf 4° bis 12° reduziert
ist. Wird dieser Montagewinkel α auf ein
bestimmtes Maß vergrößert, dann
wird der Strömungswinkel
durch Ablenkung der Strömung
durch die Schaufeln 2z vergrößert, so dass der Rotationsabriss
unterdrückt
werden kann. Ist jedoch, wie bei dieser Ausführungsform, der Montagewinkel α kleiner
als 12°,
so wird der Winkel für
den Einlass des Arbeitsfluids in den schaufellosen Abschnitt 3 weniger stark
vergrößert, selbst
wenn die Strömung
durch die Schaufeln 2z abgelenkt und verlangsamt wird.
In dem Falle, in dem dieser schaufellose Abschnitt 3 durch
parallele Wände
gebildet wird, verläuft
die Strömung
so wie durch die aus Punkten und Strichen dargestellte Linie in 3 gezeigt. Als Ergebnis
davon wird der durchschnittliche Strömungswinkel des Arbeitsfluids
klein, und die Strömung
wird durch den Einfluss von Nachströmungen 14 der Diffusorschaufeln 2z instabil,
so dass das Auftreten eines Rotationsabrisses wahrscheinlich wird.
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Bei dieser Ausführungsform ist die Wand 31 des
schaufellosen Diffusorabschnitts 3, die einer Seitenplatte
des Laufrades entspricht; zu der Seite hin geneigt, die einer Kernplatte
des Laufrades entspricht, und zwar fortschreitend in der radial
nach außen
führenden
Richtung. In der in 2 gezeigten Ausführungsform
wird die Kanalhöhe
b des schaufellosen Diffusorabschnitts 3 in der radialen
Richtung im Wesentlichen linear verringert, und durch dieses fortschreitende
Verringern der Kanalhöhe
des schaufellosen Diffusorabschnitts 3 kann die in 3 dargestellte Strömung 20 verwirklicht
werden, und der Strömungswinkel
ist im Vergleich mit der Strömung 20a größer. Dadurch
kann die Entwicklung einer Wandflächengrenzschicht unterdrückt werden,
und die Strömung
kann stabilisiert werden, und der Rotationsabriss kann unterdrückt werden.
Bei dieser Ausführungsform
beträgt
das Verengungsverhältnis
b2/b1 ungefähr 0,5.
Ist dieses Verengungsverhältnis
b2/b1 klein, dann
wird der durchschnittliche Strömungswinkel
des Arbeitsfluids im schaufellosen Diffusorabschnitt 3 groß, und der
Effekt der Rotationsabrissverhinderung wird verstärkt, und
auch die Zuverlässigkeit,
dass kein Rotationsabriss auftritt, wird verstärkt. Wird jedoch das Verengungsverhältnis b2/b1 verkleinert,
dann nimmt auch die Kanalhöhe
stromabwärtig vom
schaufellosen Diffusorabschnitt 3a bis 3e ab, und
der benetzte Umfangsbereich wird größer, so dass der Reibungsverlust
zunimmt. Deshalb ist es wünschenswert,
dass das Verengungsverhältnis b2/b1 0,3 bis 0,6
beträgt
und vorzugsweise bei 0,5 liegt.
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Wie oben beschrieben ist es notwendig,
zwischen je zwei benachbarten Stufen des Mehrstufenkompressors das
Dichtelement 12 einzufügen,
deshalb beträgt
die Dicke L einer Innenwand des Rückführbogens 4 unvermeidlich
mehr als eine vorherbestimmte Länge.
Deshalb wird in einer Stufe mit geringer spezifischer Drehzahl der
Radius r der Krümmung
des Rückführbogens 5 unnötig groß, und die Kanallänge nimmt
zu, so dass der Reibungsverlust größer wird. Bei dieser Ausführungsform
ist die Wand 31 des Diffusors nahe zur vorangegangenen
Stufe (d. h. an der Seite, die der Seitenplatte des Laufrades entspricht)
geneigt, und die Kanalhöhe
des schaufellosen Abschnitts nimmt in stromabwärtiger Richtung fortschreitend
ab. Bei dieser Konstruktion kann der Krümmungsradius r der Innenwand
des Rückführbogens 5 kleiner
gemacht werden, als in dem Falle, in dem die Wand 32, die
der Kernplatte des Laufrades entspricht, geneigt ist, und der Reibungsverlust
im Rückführbogen 5 kann
verringert werden.
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4 ist
die Ansicht eines Längsquerschnitts
durch eine andere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Diffusors
und entspricht 2. Diese
Ausführungsform
unterscheidet sich von der in 2 gezeigten
Ausführungsform
dadurch, dass die Wandfläche 34 eines
schaufellosen Diffursorabschnitts 3, die einer Kernplatte
eines Laufrades entspricht, zu der Seite hin geneigt ist, die einer
Seitenplatte des Laufrades entspricht. Bei dieser Ausführungsform
sind die beiden Wandflächen 33 und 34 des
schaufellosen Diffusorabschnitts geradlinig und geneigt ausgebildet,
und eine Kanalhöhe
wird in stromabwärtiger
Richtung fortschreitend kleiner, so dass ein Kanal insgesamt im
gleichen Ausmaß durch die
gegenüberliegenden
Wandflächen
verengt wird, dadurch ist das Ausmaß, in dem eine Grenzfläche entwickelt
wird, bei den beiden Wandflächen
insgesamt gleich, und eine Strömungsverteilung
in Richtung der Kanalhöhe
kann gleichmäßiger gemacht werden,
und die Gewinnung des statischen Drucks im schaufellosen Diffusorabschnitt 3 kann
verbessert werden.
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In 5 ist
ein modifiziertes Beispiel der in 4 dargestellten
Ausführungsform
gezeigt, und der Abschnitt jeder von zwei Wänden 35 und 36 eines
schaufellosen Diffusorabschnitts 3, der sich nahe bei einem
Schaufeldiffusor befindet, wird von einer gekrümmten Fläche mit einem Krümmungsradius R1 gebildet,
während
der Abschnitt jeder der beiden Wände,
der sich nahe bei einem Rückführbogen
befindet, von einer gekrümmten
Fläche
mit einem Krümmungsradius R2 gebildet
wird, und die beiden Wände
haben im Wesentlichen die gleiche Ausbildung, und eine Kanalhöhe wird
in einer stromabwärtigen
Richtung fortschreitend verengt. In diesem modifizierten Beispiel
wird ein Kanal gleichmäßig verengt,
und dadurch kann die Strömung
im Diffusor gleichmäßiger gemacht
werden, was den Effekt bewirken kann, dass ein Strömungsverlust
im schaufellosen Diffusor weiter reduziert wird.
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In 6 ist
ein modifiziertes Beispiel der in 2 dargestellten
Ausführungsform
gezeigt, und die Wandfläche 37 eines
schaufellosen Diffusors 3, die einer Seitenplatte eines
Laufrades entspricht, wird von einem Bogen mit einem Krümmungsradius R1 gebildet,
und ein Kanal des schaufellosen Diffusors 3 wird in einer
stromabwärtigen
Richtung fortschreitend verengt. In diesem modifizierten Beispiel gibt
es im Vergleich zu der in 2 dargestellten Ausführungsform
die Nachteile, dass die Bearbeitung etwas schwerfälliger ist,
und dass ein benetzter Umfangsbereich zunimmt. Die Verengungsrate
einer vorderen Hälfte
des Kanals des schaufellosen Diffusorabschnitts 3 wird
jedoch erhöht,
um eine Drehzahl in der Meridionalebene in der vorderen Hälfte des schaufellosen
Diffusorabschnitts 3 zu erhöhen, so dass der Strömungswinkel
des schaufellosen Diffusorabschnitts 3 früh verkleinert
werden kann, wodurch ein deutlicher Rotationsabrissverhinderungseffekt
erzielt wird. Dieses modifizierte Beispiel ist geeignet, wenn der
Rotationsabrissverhinderung größere Bedeutung
beigemessen wird als der Leistung. Bei diesem modifizierten Beispiel
kann, obwohl die Wandfläche
des schaufellosen Diffusors, die der Seitenplatte des Laufrades
entspricht, durch einen Bogen zu einer gleichmäßigen Fläche geformt wird, diese Wandfläche durch
das Verbinden mehrerer Bögen zu
einer gekrümmten
Fläche
geformt werden, oder sie kann zu einer gleichmäßigen gekrümmten Fläche geformt werden, indem ein
Bogen und eine gerade Linie miteinander verbunden werden. Bei dieser
Anordnung kann die gleichmäßigere Wandfläche leicht durch
eine NC-Werkzeugmaschine
oder ähnliches geformt
werden.
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In 7 ist
ein weiteres modifiziertes Beispiel der in 2 dargestellten Ausführungsform gezeigt, bei dem
die Wand 39 eines schaufellosen Diffusors 3 nahe
zu einem Schaufeldiffusor 2 zu einer gekrümmten Fläche geformt
wird, indem zwei Bögen R1 und R2 miteinander
verbunden werden. Bei diesem modifizierten Beispiel werden Effekte
erzielt, die den mit der in 2 dargestellten
Ausführungsform erzielten ähnlich sind,
und auch die Bearbeitung des Diffusors wird im Vergleich zu der
in 2 dargestellten Ausführungsform
etwas schwerfälliger,
es wird jedoch der Effekt erzielt, dass im Vergleich zu der in 2 dargestellten Ausführungsform
ein Strömungsverlust
im schaufellosen Diffusorabschnitt 3 verringert wird.
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In 8 ist
eine weitere Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung in einem Querschnitt in Längsrichtung dargestellt, und 9 zeigt eine transversale
Querschnittansicht dieser Aus führungsform.
An Stelle eines schaufellosen Diffusors ist stromabwärtig von
einem Schaufeldiffusor 2 ein zweiter Schaufeldiffusor 50 vorgesehen,
der drei Führungsplatten 40 zur
Verhinderung einer Drehbewegung hat, und eine Kanalhöhe dieses
zweiten Schaufeldiffusors 50 wird in einer stromabwärtigen Richtung
fortschreitend verengt.
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Entwickelt sich in einem schaufellosen
Diffusor eine lokale Rückströmung einer
Grenzschicht, so löst
dies das Erscheinen einer Abrisszelle aus, und diese Abrisszelle
rotiert im Diffusor, so dass ein Rotationsabriss auftritt. Bei dieser
Ausführungsform
wird, selbst wenn sich im zweiten Schaufeldiffusorabschnitt, der
an Stelle des üblichen
schaufellosen Diffusors vorgesehen ist, eine kleine Rückströmung entwickelt,
die Rotation von den Führungsplatten
zur Verhinderung einer Drehbewegung gestoppt, und dadurch kann die
Entwicklung zu einer Abrisszelle von großem Ausmaß verhindert werden. Aus diesem Grunde
sind vorzugsweise mehrere Drehungsverhinderungsplatten 40 vorgesehen;
und bei dieser Ausführungsform
beträgt
die Anzahl dieser Platten 3. Mit dieser Bauweise kann der
Rotationsabriss positiver verhindert werden, und es kann ein Kompressor
mit höherer
Zuverlässigkeit
bereitgestellt werden. In dem Falle, in dem die Drehungsverhinderungsplatten 40 vorhanden
sind, kann das Verengungsverhältnis b2/b1 des zweiten
Schaufeldiffusorabschnitts 40 über 0,3 bis 0,6 hinaus vergrößert werden.
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In den 10 und 11 sind jeweils weitere Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Diffusors
dargestellt, und zwei Wandflächen 41 und 42, die
einen schaufellosen Diffusorabschnitt 3 bilden, sowie zwei
Wandflächen 44 und 45,
die einen zweiten Schaufeldiffusor 50 bilden, sind zu der
Seite hin geneigt, die einer Kernplatte eines Laufrades entspricht.
Zudem wird eine Kanalhöhe
sowohl des schaufellosen Diffusorabschnitts 3 als auch
des zweiten Schaufeldiffusorabschnitts 50 in einer stromabwärtigen Richtung
fortschreitend verengt. Mit dieser Bauweise kann, während eine
axiale Länge
L sichergestellt ist, die für
das Anbringen eines Zwischenstufen-Dichtelements 12 nötig ist,
ein Krümmungsradius r
einer Innenwand eines Rückführbogens 4 verkleinert
werden.
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Der Schaufeldiffusor 2 und
der schaufellose Diffusor 3 verlangsamen die Strömung, der
Radius eines Einlasses des Rückführbogens 5 unterscheidet sich
jedoch nicht vom Radius eines Auslasses desselben. Deshalb wird
in einer Kompressorstufe mit kleiner spezifischer Drehzahl, in der
eine Peripheriekomponente groß ist,
die Strömung
weniger verlangsamt, und je größer die
Kanallänge
ist, desto größer ist
ein Reibungsverlust. Deshalb kann durch Verklei nern des Krümmungsradius
der Innenwand des Rückführbogens,
wie bei dieser Ausführungsform, der
Effekt erzielt werden, dass der Reibungsverlust im Abschnitt des
Rückführbogens
verkleinert wird.
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In 12 ist
ein Einstufen-Zentrifugalkompressor dargestellt, und ein Laufrad 1 ist
an einer Drehwelle 8a angebracht, und die Strömung geht durch
das Laufrad 1, einen Schaufeldiffusorabschnitt 2 und
einen schaufellosen Diffusorabschnitt 3, und wird durch
ein Spiralgehäuse 6 abgeführt. Der
schaufellose Diffusorabschnitt 3 ist hier der Abschnitt,
der von einer äußeren radialen
Position von Schaufeln des Schaufeldiffusorabschnitts 2 zu
einem Ende einer Wandfläche 46,
das sich in ein Spiralgehäuse 6 hinein
erstreckt, reicht. Bei dieser Ausführungsform ist die Wandfläche 46 (eine
der beiden Wandflächen, die
den schaufellosen Diffusorabschnitt 3 bilden), die einer
Seitenfläche
des Laufrades entspricht, radial nach außen geneigt, und die Wandfläche 47,
die einer Kernplatte des Laufrades entspricht, ist in Richtung der
Wandfläche 46 geneigt.
Bei dieser Bauweise wird die Strömung
in einer stromabwärtigen
Richtung fortschreitend verengt. Die Spirale 6 ist stromabwärtig vom
Diffusorabschnitt angebracht, und sie sammelt das aus dem Laufrad 1 austretende
Arbeitsfluid und speist es in ein Ableitungsrohr (nicht gezeigt)
ein. Der schaufellose Diffusorabschnitt wird verengt, und mit dieser
Anordnung kann das Auslassgehäuse
frei gewählt
werden, ohne dass dadurch die Leistung des Fluids und der Rotationsabrissunterdrückungseffekt
beeinflusst werden. Bei dieser Ausführungsform wird der Rotationsabrissverhinderungseffekt
unabhängig
von der spezifischen Drehzahl des Laufrades erzielt, dieser Effekt
ist jedoch ausgeprägt,
wenn die spezifische Drehzahl klein ist und insbesondere nicht mehr
als 200 beträgt.
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Der Schaufeldiffusor ist in keiner
der obigen Ausführungsformen
auf die Schaufelform beschränkt,
es kann jede beliebige Art von Diffusor verwendet werden. Der Effekt
ist jedoch beim Schaufeldiffusor mit geringer Dichte ausgeprägter. Der
Ausdruck "Schaufeldiffusor mit geringer Dichte" bezeichnet hier
einen Diffusor, dessen Schaufeln so kurz sind, dass eine senkrecht
zu einem Einlasswinkel der Diffusorschaufel verlaufende Linie nicht
die angrenzende Schaufel schneidet, und ein Wert, der durch Dividieren
des Durchschnittswerts der Steigung der Einlasse der Diffusorschaufeln
und der Steigung der Auslasse der Diffusorschaufeln durch die Sehnenlänge der
Diffusorschaufel gewonnen wird, nicht größer ist als ungefähr 1.
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Wie oben beschrieben werden bei der
vorliegenden Erfindung in der Stufe mit geringer spezifischer Drehzahl
(die spezifische Drehzahl beträgt
80 bis 250, und vorzugsweise 100 bis 200) des Mehrstufen-Zentrifugalkompressors
die beiden Wandflächen, die
den schaufellosen Diffusorabschnitt oder den zweiten Schaufeldiffusorabschnitt
bilden, der stromabwärtig
vom Schaufeldiffusor vorgesehen ist, in stromabwärtiger Richtung fortschreitend
verengt, und mit dieser Bauweise wird der Effekt der Rotationsabrissverhinderung
erzielt. In der Stufe mit geringer spezifischer Drehzahl (die spezifische
Drehzahl beträgt
80 bis 250, und vorzugsweise 100 bis 200) des Einstufen-Zentrifugalkompressors
wird der schaufellose Diffusorabschnitt, der stromabwärtig vom
Schaufeldiffusor vorgesehen ist, in stromabwärtiger Richtung fortschreitend
verengt, und mit dieser Bauweise kann ein Kompressor gebildet werden,
bei dem der Rotationsabriss verhindert wird und dessen Betriebsbereich
breit ist.
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Die hier beschriebenen bevorzugten
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind Beispiele und stellen nicht die
Begrenzung des Umfangs der Erfindung dar, der Umfang der Erfindung
wird durch die nachfolgenden Ansprüche angezeigt, und jegliche
Modifikationen, die innerhalb des Umfangs dieser Ansprüche liegen,
liegen auch innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung.