EP0043017A1 - Leitschaufelverstellvorrichtung an Radialturbokompressoren - Google Patents

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EP0043017A1
EP0043017A1 EP81104538A EP81104538A EP0043017A1 EP 0043017 A1 EP0043017 A1 EP 0043017A1 EP 81104538 A EP81104538 A EP 81104538A EP 81104538 A EP81104538 A EP 81104538A EP 0043017 A1 EP0043017 A1 EP 0043017A1
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EP
European Patent Office
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guide vanes
ring
adjusting
adjustable
vane
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Withdrawn
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EP81104538A
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French (fr)
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Klaus Dr. Ing. Saalfeld
Albin Viertler
Widu Dr. Ing. Wittekindt
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Atlas Copco AB
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Atlas Copco AB
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/44—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/46—Fluid-guiding means, e.g. diffusers adjustable
    • F04D29/462—Fluid-guiding means, e.g. diffusers adjustable especially adapted for elastic fluid pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D17/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D17/08—Centrifugal pumps
    • F04D17/10—Centrifugal pumps for compressing or evacuating
    • F04D17/12—Multi-stage pumps
    • F04D17/122—Multi-stage pumps the individual rotor discs being, one for each stage, on a common shaft and axially spaced, e.g. conventional centrifugal multi- stage compressors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/02—Surge control
    • F04D27/0246—Surge control by varying geometry within the pumps, e.g. by adjusting vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/50—Inlet or outlet
    • F05D2250/52—Outlet

Definitions

  • the invention relates to a device for adjusting the ring-shaped pivotable diffuser guide vanes of a radial turbo compressor, the guide vanes each having a crown pin parallel to the crown axis and are rotatably mounted about this pin in the housing and handlebar levers are arranged on the blade pin and are pivotally connected to an adjusting ring rotatably mounted on the housing are.
  • the operating range for turbocompressors is defined by two limits with regard to the volume to be pumped. As the volume flow increases, the so-called swallowing limit is reached at some point, and when the volume flow drops, the turbo compressor reaches the so-called instability limit, at which the compressor begins to pump and controlled operation is no longer possible. This is made even more difficult when it comes to turbo-compressors that require a high pressure ratio. In an effort to expand the operating range of the individual compressors as much as possible, a wide variety of solutions have been developed to shift the instability limit.
  • the invention has for its object to find a control in a radial pressure compressor having a high pressure ratio, which allows the passage of a large range of different volume flows at constant pressure and constant efficiency.
  • This adjustable multiple guide device allows the optimum adjustment of the operating range of the radial turbo compressor to the required values in a simple manner, namely through the free adjustability of the individual guide devices with respect to one another, the different aerodynamic adjustment laws of the individual guide devices being taken into account by different articulation radii. It is not necessary to dismantle the machine. Furthermore, the individual radial compressor stages can thus be precisely adapted to one another. Surprisingly, practical tests with the control device according to the invention showed an approximately 40% increase in the stable working range at the instability limit. A corresponding radial turbo compressor with an adjustable inlet guide served as a basis for comparison.
  • an embodiment of the invention provides that the individual actuating rings of two steps standing back to back are adjustable with respect to one another and connected to one another in a rotationally fixed manner. An individually adjustable and reliably functioning control device has thus become possible.
  • the invention is illustrated using an exemplary embodiment and is described in more detail below.
  • the two radial impellers 2, 3 with the impeller rear sides are arranged on a common shaft 1.
  • the impellers 2, 3 are followed by diffuser vanes 4, 5, with a blade journal 6, 7 being attached in each of their first flowed thirds, around which the diffuser vanes can be pivoted and with which they are mounted in the housing 8.
  • adjustable control levers 9 are attached, which are movably connected to adjusting rings 10, 11 which are rotatably attached to the housing 8.
  • the adjusting ring 10 is firmly connected to an actuating ring 12 which ensures the synchronous adjustment, while the adjusting ring 11 is adjustably connected to the actuating ring 12.
  • the radial turbo compressor can be set precisely for the respective operating conditions.
  • a central servo drive 13 enables a synchronous adjustment in a simple manner with simultaneous individual adjustability of all control devices. It is no problem to take into account the different adjustment laws of the individual guide devices by appropriately dimensioning the handlebar levers or the adjusting rings.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Verstellen von kranzförmig angeordneten schwenkbaren Diffusorleitschaufeln 4, 5 eines Radialturbokompressors, wobei die Diffusorleitschaufeln 4, 5 je einen kranzachsparallelen Schaufelzapfen 6,7 aufweisen und um diesen Zapfen 6, 7 drehbar im Gehäuse 8 gelagert sind sowie an dem Schaufelzapfenlenkerhebel 9 angeordnet sind, die mit einem am Gehäuse 8 drehbar gelagerten Stellring 10, 11 schwenkbar verbunden sind. Der Radialturbokompressor ist mehrstufig. Die Laufräder 2, 3 zweier aneinander benachbarter Stufen sind jeweils mit den Laufradrückseiten zueinander angeordnet. Jede Stufe weist verstellbare Diffusorleitschaufein 4, 5 auf, wobei die Schaufelzapfen 6, 7 im ersten Drittel der angeströmten Diffusorleitschaufel 4, 5 angebracht sind. Die Stellringe 10, 11 der mit den Laufradrückseiten zueinander angeordneten Stufen sind mit einem Betätigungsring 12 einstellbar verbunden. So sind alle Diffusorleitschaufeln 4, 5 synchron verstellbar, wobei die Verstellung von einem Servoantrieb 13 gesteuert werden kann. Man erreicht so eine Steuerung, die bei konstantem Druck und weitgehend konstantem Wirkungsgrad das Durchfahren eines großen Bereiches unterschiedlicher Volumenströme gestattet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verstellen von kranzförmig angeordneten schwenkbaren Diffusorleitschaufeln eines Radialturbokompressors, wobei die Leitschaufeln je einen kranzachsparallelen Schaufelzapfen aufweisen und um diesen Zapfen drehbar im Gehäuse gelagert sind und an dem Schaufelzapfen Lenkerhebel angeordnet sind, die mit einem am Gehäuse drehbar gelagerten Stellring schwenkbar verbunden sind.
  • Unabhängig von der Bauart wird bei Turbokompressoren der Betriebsbereich in bezug auf das zu fördernde Volumen durch zwei Grenzen festgelegt. Bei größer werdendem Volumenstrom stellt sich irgendwann die sog. Schluckgrenze ein und bei abfallendem Volumenstrom erreicht der Turbokompressor die sog. Instabilitätsgrenze, bei der der Kompressor zu pumpen anfängt und ein geregelter Betrieb nicht mehr möglich ist. Dies wird noch erschwert, wenn es sich um Turbokompressoren handelt, denen ein hohes Druckverhältnis abverlangt wird. In dem Bestreben, den jeweiligen Betriebsbereich der einzelnen Kompressoren so weit wie möglich auszudehnen, sind zur Verlagerung der Instabilitätsgrenze die unterschiedlichsten Lösungen entwickelt worden.
  • Dies reicht von der Drehzahlregelung über die unwirtschaftliche Abblaseregelung bis hin zu den aerodynamischen Maß- nahmen in Form von verstellbaren, vor dem Laufrad angeordneten Eintrittsleitapparaten. Letztere weisen zwar den Vorteil eines weiten Regelbereiches bei sehr guten Wirkungsgraden auf, sie bedingen jedoch, insbesondere bei mehrstufigen Verdichtern, einen wesentlich erhöhten konstruktiven und apparativen Aufwand. Z. B. ist es bei den in der Luftfahrt Anwendung findenden Axialverdichtern relativ leicht, die Leitschaufeln mehrerer Stufen zu verstellen. Dies ist auch noch bei einstufigen Radialverdichtern möglich. Es erfordert jedoch bei mehrstufigen Radialverdichtern einen nicht mehr vertretbaren Aufwand, weshalb hier vor dem Verdichter Drosselorgane zur Dichteabsenkung erfolgreich eingesetzt werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem ein hohes Druckverhältnis aufweisenden Radialturbokompressor eine Regelung zu finden, die bei konstantem Druck und möglichst konstantem Wirkungsgrad das Durchfahren eines großen Bereiches unterschiedlicher Volumenströme gestattet.
  • Die Lösung dieser Aufgabe sieht vor, daß bei einem mehrstufigen Radialturbokompressor die Laufräder zweier einander benachbarter Stufen jeweils mit den Laufradrückseiten zueinander angeordnet sind (back-to-back-Prinzip), daß jede Stufe verstellbare Diffusorleitschaufeln aufweist, wobei die Schaufelzapfen im ersten Drittel der angeströmten Diffusorleitschaufel angebracht sind, daß die Stellringe der mit den Laufradrückseiten zueinander angeordneten Stufen mit einem Betätigungsring einstellbar verbunden sind und daß alle Diffusorleitschaufeln synchron verstellbar sind und von einem Servoantrieb gesteuert werden.
  • Dieser verstellbare Mehrfachleitapparat ermöglicht in einfacher Weise die jeweils optimale Anpassung des Betriebsbereiches des Radialturbokompressors an geforderte Werte, und zwar durch die freie Einstellbarkeit der einzelnen Nachleitapparate zueinander, wobei die unterschiedlichen aerodynamischen Verstellgesetze der einzelnen Nachleitapparate durch unterschiedliche Anlenkradien berücksichtigt werden. Eine Demontage der Maschine ist dazu nicht erforderlich. Desweiteren können somit die einzelnen Radialverdichterstufen einander genau angepaßt werden. Praktische Versuche mit der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung zeigten überraschender- i weise eine ungefähr 40%ige Vergrößerung des stabilen Arbeits- bereiches an der Instabilitätsgrenze. Als Vergleichsgrundlage diente ein entsprechender Radialturbokompressor mit verstellbarem Eintrittsleitapparat.
  • Zur Verbesserung der Anpaßbarkeit eines derartigen Radialturboverdichters sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, daß die einzelnen Betätigungsringe von jeweils zwei Rücken an Rücken stehenden Stufen zueinander einstellbar und miteinander drehfest verbunden sind. Somit ist eine individuell einstellbare und zuverlässig funktionierende Regeleinrichtung möglich geworden.
  • Zur Erlangung eines nahezu konstanten Wirkungsgrades über einen sehr weiten Kennfeldbereich sieht eine andere Ausgestaltung der Erfindung vor, daß bei den verwendeten Laufrädern der Laufradaustrittswinkel im Bereich von 90 0 liegt.
  • Die Erfindung ist an einem Ausführungsbeispiel dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Bei dem hier gewählten zweistufigen Radialkompressor sind auf einer gemeinsamen Welle 1 die beiden Radiallaufräder 2, 3 mit den Laufradrückseiten zueinander angeordnet. Den Laufrädern 2, 3 sind Diffusorleitschaufeln 4, 5 nachgeschaltet, wobei in deren ersten angeströmten Drittel je ein Schaufelzapfen 6, 7 angebracht ist, um den die Diffusorleitschaufeln schwenkbar sind und mit dem sie im Gehäuse 8 gelagert sind. An den Schaufelzapfen 6, 7 wiederum sind einstellbare Lenkerhebel 9 angebracht, die beweglich mit drehbar am Gehäuse 8 befestigten Stellringen 10, 11 verbunden sind. Z. B. ist hier der Stellring 10 mit einem die synchrone Verstellung sichernden Betätigungsring 12 fest verbunden, während der Stellring 11 einstellbar mit dem Betätigungsring 12 verbunden ist. Mittels dieser Maßnahmen kann der Radialturbokompressor für die jeweiligen Betriebsbedingungen genau eingestellt werden. Ein zentraler Servoantrieb 13 ermöglicht in einfacher Weise eine synchrone Verstellung bei gleichzeitiger individueller Einstellbarkeit aller Leitapparate. Es bereitet keinerlei Probleme, die unterschiedlichen Verstellgesetze der einzelnen Leitapparate durch entsprechende Dimensionierung der Lenkerhebel bzw. der Stellringe zu berücksichtigen.

Claims (3)

1. Vorrichtung zum Verstellen von kranzförmig angeordneten schwenkbaren Diffusorleitschaufeln eines Radialturbokompressors, wobei die Diffusorleitschaufeln je einen kranzachsparallelen Schaufelzapfen aufweisen und um diesen Zapfen drehbar im Gehäuse gelagert sind und an dem Schaufelzapfen Lenkerhebel angeordnet sind, die mit einem am Gehäuse drehbar gelagerten Stellring schwenkbar verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,
a) daß bei einem mehrstufigen Radialturbokompressor die Laufräder (2, 3) zweier einander benachbarter Stufen jeweils mit den Laufradrückseiten zueinander angeordnet sind,
b) daß jede Stufe verstellbare Diffusorleitschaufeln (4, 5) aufweist, wobei die Schaufelzapfen (6, 7) im ersten Drittel der angeströmten Diffusorleitschaufel (4, 5) angebracht sind,
c) daß die Stellringe (10, 11) der mit den Laufradrückseiten zueinander angeordneten Stufen mit einem Betätigungsring (12) einstellbar verbunden sind und
d) daß alle Diffusorleitschaufeln (4, 5) synchron verstellbar sind und von einem Servoantrieb (13) gesteuert werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Betätigungsringe (12) von jeweils zwei Rücken an Rücken stehenden Stufen zueinander einstellbar und miteinander drehfest verbunden sind.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei den verwendeten Laufrädern (2, 3) der Laufradaustrittswinkel im Bereich von 90 0 liegt.
EP81104538A 1980-06-25 1981-06-12 Leitschaufelverstellvorrichtung an Radialturbokompressoren Withdrawn EP0043017A1 (de)

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DK277781A (da) 1981-12-26
ES503331A0 (es) 1982-05-01
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BR8103981A (pt) 1982-03-09

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Inventor name: WITTEKINDT, WIDU, DR. ING.

Inventor name: SAALFELD, KLAUS, DR. ING.

Inventor name: VIERTLER, ALBIN