EP0046173B1 - Kreiselmaschine, insbesondere Radialverdichter - Google Patents

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EP0046173B1
EP0046173B1 EP81104713A EP81104713A EP0046173B1 EP 0046173 B1 EP0046173 B1 EP 0046173B1 EP 81104713 A EP81104713 A EP 81104713A EP 81104713 A EP81104713 A EP 81104713A EP 0046173 B1 EP0046173 B1 EP 0046173B1
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diffuser
wall
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centrifugal machine
cross
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EP81104713A
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Ulrich Dr. Bolleter
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Gebrueder Sulzer AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/141—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of shiftable members or valves obturating part of the flow path
    • F01D17/143—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of shiftable members or valves obturating part of the flow path the shiftable member being a wall, or part thereof of a radial diffuser
    • 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
    • F04D29/441—Fluid-guiding means, e.g. diffusers 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
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/66—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing
    • F04D29/661—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/663—Sound attenuation
    • F04D29/665—Sound attenuation by means of resonance chambers or interference
    • 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 centrifugal machine, in particular a radial compressor with an unbladed diffuser according to the preamble of the claim.
  • a radial compressor with a non-bladed diffuser is known, with boundary layer suction in a transfer duct.
  • boundary layers forming on the opposite walls of this duct are to be sucked off into annular cavities through slots arranged in the walls and returned behind the impeller.
  • a radial compressor with a bladed diffuser is known from US Pat. No. 4,131,389, the diffuser being surrounded by collecting spaces which are to be connected to the diffuser inlet by slots.
  • the purpose of this device is to reduce the detachment of the boundary layers on the diffuser blades and thereby bring about a reduction in the pumping zone.
  • the invention aims to solve a completely different problem.
  • pressure pulsations occur in the flowing working medium when certain operating states are reached during part-load operation.
  • the stability limit separates the pulsation-free from the pulsation-loaded work area.
  • the object of the invention is to reduce the stability limit to smaller flow values, i. H. to smaller intake volumes to create the largest possible area for pulsation-free operation.
  • a radial compressor is known, the power regulation of which is carried out by means of guide vanes which are arranged in the axial intake port and can be adjusted into a throttle or closed position.
  • the pressure pulsations that occur when the delivery rate is reduced are to be suppressed in that the blade-free diffuser surrounding the impeller has a wall that can be displaced in the axial direction.
  • a diffuser of this type which is variable in cross section, its partition is coupled via an actuator, the cross section of the diffuser only beginning when the guide vanes are already partially closed.
  • the actuator used to adjust the guide vanes should preferably consist of a hydraulically actuated annular piston which is axially displaceable in the compressor housing and which, at the end of its movement serving to close the guide vanes, pushes against the partition of the diffuser and urges it into the position which narrows the diffuser cross section.
  • the known devices require moving parts and are structurally complex. They require constant maintenance.
  • the object of the invention is to achieve the objective described at the outset with simple means without such a design effort.
  • the cross-sectional area of the pressure compensation chamber is selected such that the cross-sectional area of the pressure compensation chamber is dimensioned such that the Heimholtz resonance frequency is at least three times higher than the highest pulsation frequency, and that the passage width is at most 1% of the impeller diameter of the gyroscope.
  • the dimension sizes A, B, and 1 are advantageously determined in such a way that the length 1 of the passage is as small as possible in favor of a larger cross-sectional area A, which is available for the compensating flow.
  • the width B of the passage is advantageously chosen to be as small as possible in order to keep the flow losses in the diffuser low.
  • the overhung impeller 4 of the compressor is driven according to FIG. 1 via the rotor shaft 3 by a motor, not shown.
  • Pre-swirl vanes 2 are arranged in the intake pipe 1 and are adjusted in a manner known per se in accordance with the delivery rate in a manner not shown.
  • the medium to be compressed for. B. the refrigerant of a refrigeration system, sucked in by the impeller 4 in the axial direction and conveyed radially outward by the blades 5.
  • the medium arrives in the non-bladed diffuser 7 and flows between the walls 7a and 7b of the outlet spiral 8.
  • the impeller diameter is labeled D.
  • two pressure compensation chambers 9 are arranged, each of which is connected to the diffuser channel via passages designed as annular gaps 10.
  • FIG. 2 shows an enlarged section of FIG. 1, namely a pressure compensation chamber 9 arranged in the diffuser housing 6 behind the wall 7a of the diffuser channel 7 with a cross section A and a passage 10 with the width B and length 1 designed as an annular gap.
  • the invention also includes cases in which a pressure compensation chamber is connected to the diffuser channel via a plurality of passages designed as bores and distributed over the circumference. Furthermore, it is possible to provide only one or more than two pressure compensation chambers, it being possible for these pressure compensation chambers to be arranged both behind one of the two diffuser walls and, if appropriate, behind both diffuser walls.
  • the pulsation frequency is determined experimentally and then the dimensioning of the pressure compensation chambers and pressure passages is carried out with respect to width and length.
  • the design is based on the rule described above, i. H. such that the Helmholtz resonance frequency is at least three times the maximum pulsation frequency.
  • FIG. 3 shows a diagram as it was determined from tests, namely the characteristic curves of a single-stage radial compressor for the angles (11- (16 of the pre-twist blades.
  • the characteristic curves which show the pressure conditions as a function of the throughput of the compressor are for the known embodiment without pressure compensation chambers with I-VI and for the embodiment according to the invention with I'-VI '.
  • the surge limit is shown as a dash-dotted curve P and the stability limits S and S 'are shown as dashed curves.
  • the diagram clearly shows that when the measures according to the invention are used, the stability limit is shifted to the area of smaller throughputs or intake volumes. A much larger area for pulsation-free operation for a rotary machine is thus achieved.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kreiselmaschine, insbesondere Radialverdichter mit einem unbeschaufelten Diffusor gemäss dem Oberbegriff des Anspruches.
  • Aus der CH-A-409 223 ist ein Radialverdichter mit einem unbeschaufelten Diffusor bekannt, mit Grenzschichtabsaugung in einem Ueberleitkanal. Hierzu sollen nach dem Diffusor in dem Ueberleitkanal sich an den gegenüberliegenden Wandungen dieses Kanals ausbildende Grenzschichten durch in den Wandungen angeordnete Schlitze in ringförmige Hohlräume abgesaugt und hinter das Laufrad zurückgeführt werden. Durch diese Massnahmen sollen Druckverluste im Ueberleitkanal reduziert werden.
  • Aus der US-A-4 131 389 ist ein Radialverdichter mit einem beschaufelten Diffusor bekannt, wobei der Diffusor von Sammelräumen umgeben ist, welche durch Schlitze mit dem Diffusoreintritt verbunden sein sollen. Diese Einrichtung hat den Zweck, eine Ablösung der Grenzschichten an den Diffusorschaufeln zu vermindern und hierdurch eine Reduktion der Pumpzone herbeizuführen.
  • Demgegenüber hat sich die Erfindung die Lösung eines völlig anderen Problems zum Ziel gesetzt.
  • Bekanntlich treten bei Maschinen, wie sie die Erfindung betrifft, beim Erreichen gewisser Betriebszustände während des Teillastbetriebes Druckpulsationen im strömenden Arbeitsmittel auf.
  • Im Kennfeld einer Kreiselmaschine trennt die Stabilitätsgrenze das pulsationsfreie vom pulsationsbelasteten Arbeitsgebiet.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Stabilitätsgrenze zu kleineren Durchflusswerten, d. h. zu kleineren Ansaugvolumen zu verschieben, um ein möglichst grosses Gebiet für pulsationsfreien Betrieb zu schaffen.
  • Aus der DE-PS 1 503 658 ist beispielsweise ein Radialverdichter bekannt, dessen Leistungsregelung mittels im axialen Ansaugstutzen angeordneten, in eine Drossel- oder Schliessstellung verstellbaren Leitschaufeln vorgenommen wird. Die bei verminderter Förderleistung auftretenden Druckpulsationen sollen dadurch unterdrückt werden, dass der das Laufrad umschliessende schaufellose Diffusor eine in axialer Richtung verschiebbare Wand aufweist. Bei einem derartigen querschnittsveränderlichen Diffusor wird dessen Stellwand über ein Stellglied gekuppelt, wobei die Querschnittsverminderung des Diffusors erst beginnt, wenn die Leitschaufeln schon teilweise geschlossen sind. Das zum Verstellen der Leitschaufeln dienende Stellglied soll hierbei vorzugsweise aus einem im Verdichtergehäuse axial verschiebbaren, hydraulisch betätigten Ringkolben bestehen, der gegen Ende seiner zum Schliessen der Leitschaufeln dienenden Bewegung gegen die Stellwand des Diffusors stösst und sie in die den Diffusorquerschnitt verengende Stellung drängt.
  • Zur Beseitigung der bei verminderter Förderleistung auftretenden Druckpulsationen, welche pulsierende Stösse im Laufrad hervorrufen, die Vibrationen und störende Geräusche verursachen, ist es weiterhin bekannt, in einem Radialverdichter einen Drosselring anzuordnen, der in Abhängigkeit von der Einstellung der Leitschaufeln, ebenfalls den Diffusorquerschnitt entsprechend verengt. Auch hierbei sind Stellglieder erforderlich, die pneumatisch betätigt werden.
  • Die bekannten Vorrichtungen benötigen bewegliche Teile und sind konstruktiv aufwendig. Sie bedürfen einer ständigen Wartung.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ohne einen derartigen konstruktiven Aufwand mit einfachen Mitteln, das eingangs beschriebene Ziel zu erreichen.
  • Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Massnahmen gelöst, wie experimentell bestätigt werden kann.
  • Erfindungsgemäss wird die Querschnittsfläche der Druckausgleichskammer derart gewählt, dass die Querschnittsfläche der Druckausgleichskammer so bemessen ist, dass die Heimholtz-Resonanzfrequenz mindestens dreimal höher als die höchste Pulsationsfrequenz ist, und dass die Durchtrittsbreite höchstens 1 % des Laufraddurchmessers der Kreiselmaschine beträgt.
  • Die Helmholtz-Resonanzfrequenz F wird nach der Formel
    Figure imgb0001
    bestimmt.
    Hierbei ist
    • c die Schallgeschwindigkeit des kompressiblen Arbeitsmittels,
    • A die Querschnittsfläche der Druckausgleichskammer,
    • B die Breite des Durchtritts und
    • 1 die Länge des Durchtritts.
  • Bei der vorstehend beschriebenen Anwendung der Bemessungsvorschrift kann ein praktisch verzögerungsfreier Druckausgleich bewirkt werden.
  • Es sei noch darauf hingewiesen, dass die Dimensionsgrössen A, B, und 1 vorteilhaft so bestimmt werden, dass die Länge 1 des Durchtritts möglichst klein ist zugunsten einer grösseren Querschnittsfläche A, die für die Ausgleichsströmung zur Verfügung steht. Die Breite B des Durchtritts wird vorteilhaft möglichst klein gewählt, um die Strömungsverluste im Diffusor gering zu halten.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert.
    • Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen einstufigen Radialverdichter und
    • Figur 2 ein Detail in vergrössertem Massstab in schematischer Darstellungsweise.
    • Figur 3 zeigt ein Diagram, in dem das Druckverhältnis eines einstufigen Radialverdichters über dem Durchsatz aufgetragen ist und zwar einmal mit und einmal ohne die erfindungsgemässen Massnahmen und mit verschiedenen Vordrallstellungen der Vordrallschaufeln.
  • Das fliegend gelagerte Laufrad 4 des Verdichters wird gemäss Fig. 1 über die Rotorwelle 3 von einem nicht dargestellten Motor angetrieben. Im Ansaugrohr 1 sind Vordrallschaufeln 2 angeordnet, die entsprechend der Förderleistung in nicht dargestellter, an sich bekannter Weise eingestellt werden.
  • Aus dem Ansaugrohr 1 wird das zu verdichtende Medium, z. B. das Kältemittel einer Kälteanlage, von dem Laufrad 4 in Achsrichtung angesaugt und durch die Laufschaufeln 5 radial nach aussen gefördert.
  • Vom Laufradaustritt aus gelangt das Medium in den unbeschaufelten Diffusor 7 und strömt zwischen dessen Wänden 7a und 7b der Austrittsspirale 8 zu.
  • Der Laufraddurchmesser ist mit D bezeichnet.
  • Hinter der Diffusorwand 7a und dem Diffusorgehäuse 6 sind zwei Druckausgleichskammern 9 angeordnet, die jeweils über als Ringspalte 10 ausgebildete Durchtritte mit dem Diffusorkanal in Verbindung stehen.
  • In Fig. 2 ist ein vergrösserter Ausschnitt der Fig. 1 dargestellt, und zwar eine im Diffusorgehäuse 6 hinter der Wand 7a des Diffusorkanals 7 angeordnete Druckausgleichskammer 9 mit einem Querschnitt A und einem als Ringspalt ausgebildeten Durchtritt 10 mit der Breite B und Länge 1.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch solche Fälle umfasst, bei denen eine Druckausgleichskammer über mehrere, als Bohrungen ausgeführte Durchtritte, die über den Umfang verteilt sind, mit dem Diffusorkanal verbunden ist. Weiterhin ist es möglich, nur eine oder mehr als zwei Druckausgleichskammern Vorzusehen, wobei diese Druckausgleichskammern sowohl hinter einer der beiden Diffusorwände als auch gegebenenfalls hinter beiden Diffusorwänden angeordnet sein können.
  • Die Pulsationsfrequenz wird experimentell bestimmt und danach die Bemessung der Druckausgleichskammern und Druckdurchtritte bezüglich Breite und Länge vorgenommen.
  • Hierbei wird der Bemessung die vorstehend beschriebene Vorschrift zugrundegelegt, d. h. derart, dass die Helmholtz-Resonanzfrequenz mindestens das dreifache der höchstens Pulsationsfrequenz ist.
  • Fig. 3 zeigt ein Diagramm, wie es aus Versuchen ermittelt wurde, und zwar Kennlinien eines einstufigen Radialverdichters für die Winkel (11-(16 der Vordrallschaufeln. Die Kennlinien, welche die Druckverhältnisse in Abhängigkeit vom Durchsatz des Verdichters zeigen, sind für die bekannte Ausführung ohne Druckausgleichskammern mit I-VI und für die erfindungsgemässe Ausführung mit I'-VI' bezeichnet.
  • Die Pumpgrenze ist als strichpunktierte Kurve P und die Stabilitätsgrenzen S bzw. S' sind als gestrichelte Kurven dargestellt.
  • Aus dem Diagramm geht klar hervor, dass bei Anwendung der erfindungsgemässen Massnahmen die Stabilitätsgrenze in das Gebiet kleinerer Durchsätze bzw. Ansaugvolumen verschoben wird. Somit wird ein wesentlich grösseres Gebiet für einen pulsationsfreien Betrieb für eine Kreiselmaschine erreicht.

Claims (1)

  1. Kreiselmaschine, insbesondere Radialverdichter mit einem unbeschaufelten Diffusor, wobei im unbeschaufelten Diffusorkanal (7) mindestens in einer Wand (7a, 7b) ein zusammenhängender Durchtritt (10) oder über den Umfang verteilte Durchtritte angeordnet sind, welche den Diffusorkanal (7) mit mindestens einer hinter der Diffusorwand (7a, 7b) angeordneten ringförmigen Kammer verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer als Druckausgleichskammer (9) ausgebildet ist, und ihre Querschnittsfläche (A) derart bemessen ist, dass die Helmholtz-Resonanzfrequenz mindestens dreimal höher als die höchste Pulsationsfrequenz ist, und dass die Durchtrittsbreite (B) höchstens 1 % des Laufraddurchmessers (D) der Kreiselmaschine beträgt.
EP81104713A 1980-08-20 1981-06-19 Kreiselmaschine, insbesondere Radialverdichter Expired EP0046173B1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

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CH628180A CH646757A5 (de) 1980-08-20 1980-08-20 Radialverdichter.
CH6281/80 1980-08-20

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EP0046173A1 EP0046173A1 (de) 1982-02-24
EP0046173B1 true EP0046173B1 (de) 1984-04-11

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ID=4307080

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EP81104713A Expired EP0046173B1 (de) 1980-08-20 1981-06-19 Kreiselmaschine, insbesondere Radialverdichter

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DE (2) DE3031848A1 (de)
DK (1) DK151495C (de)
ES (1) ES268526Y (de)
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