EP0545953B1 - Kennfeldstabilisierung bei einem radialverdichter - Google Patents

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EP0545953B1
EP0545953B1 EP91914047A EP91914047A EP0545953B1 EP 0545953 B1 EP0545953 B1 EP 0545953B1 EP 91914047 A EP91914047 A EP 91914047A EP 91914047 A EP91914047 A EP 91914047A EP 0545953 B1 EP0545953 B1 EP 0545953B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
inlet
rotor
performance characteristics
stabilising
contour
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP91914047A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0545953A1 (de
Inventor
Arno Förster
Berthold Engels
Peter Hauck
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Howden Turbo GmbH
Original Assignee
Siemens Turbomachinery Equipment GmbH
Kuehnle Kopp and Kausch AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Turbomachinery Equipment GmbH, Kuehnle Kopp and Kausch AG filed Critical Siemens Turbomachinery Equipment GmbH
Publication of EP0545953A1 publication Critical patent/EP0545953A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0545953B1 publication Critical patent/EP0545953B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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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
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/02—Surge control
    • 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
    • F04D29/4206—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/4213—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps especially adapted for elastic fluid pumps suction ports
    • 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
    • F04D29/68—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers
    • F04D29/681—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/685—Inducing localised fluid recirculation in the stator-rotor interface
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S415/00—Rotary kinetic fluid motors or pumps
    • Y10S415/914—Device to control boundary layer

Definitions

  • the invention relates to a map stabilization in a radial compressor according to the preamble of claim 1.
  • compressors with a characteristic that have a wide characteristic diagram and wide efficiency shells are required.
  • KSM map-stabilizing measures
  • map-stabilizing measures in the form of circulation chambers have long been known. They work in map areas in which the impeller is blown incorrectly.
  • the map stabilization enables the map to be stabilized in such critical operating points by compensating for such disturbances by the buffer volume in the circulation space. If the disturbance is more pronounced, there is a circulation between the contour grooves and the circulation space. In the area of the surge limit, the flow against the impeller is increasingly smaller and the pressure in the impeller also increases. As a result, air mass is returned to the compressor inlet. More air is sucked in at the impeller inlet than the overall compressor delivers. This improves the flow angle for this operating point and shifts the surge limit to lower throughputs.
  • the stuffing limit is caused by the speed of sound reaching the impeller inlet.
  • EP-A 348674 and EP-B 229 519, GB-OS 2 202 585 and GB-OS 2 220 447 disclose a detour line which leads directly from the suction mouth behind the compressor inlet.
  • the flow rate through the circulation space is determined by the pressure difference before the compressor wheel entry via an opening to the circulation space, which will be called opening 1 below, or from the circulation space to the pressure in an opening on the compressor wheel, which is referred to as opening 2 below .
  • the disadvantage is that the state of the circulation space is not linked to the state in the suction channel, directly before the compressor wheel inlet.
  • the groove can be used for the coordination.
  • a wide groove could significantly shift the stuffing limit, but deteriorate the efficiency considerably in the area of the optimum, so that the limit of this design results from the just tolerable deterioration in the efficiency.
  • the object underlying the invention is derived to create a characteristic curve stabilization for radial compressors, which enables the characteristic field to be broadened without loss of efficiency.
  • the flow through the circulation space serving as a bypass line in the entrance area is practically perpendicular to the main flow on the wall, so that additional vortices at this opening and the associated disadvantages are minimized.
  • this area is more closely linked to the state of the main flow directly before the compressor wheel inlet.
  • the other end of the circulation space opens into the impeller behind the compressor wheel inlet.
  • the control effect is more pronounced.
  • the use of large pressure differences through the flow connection to the impeller is possible in this design. Under stable operating conditions, the invention enables a pressure difference of zero at the circulation space to be set constructively in the optimal operating range, so that the circulation space is then ineffective and there is no loss of efficiency in this working range.
  • the invention also shows that in this embodiment a compressor can be adapted to new conditions by optimizing the entrance area.
  • the design provides for an inlet ring that influences the pressure difference in the circulation space by changing the flow conditions in the inlet.
  • the characteristic curve stabilization can be easily optimized for applications, ie with the size of the inner ring diameter the condition in the circulation space can be adjusted. As the inlet diameter becomes smaller, the state in the circulation space is more closely matched to the flow state or the flow pressure in front of the impeller leading edge.
  • a replaceable inlet as such is known from US-A-4,676,717. However, this interchangeable inlet is not used to stabilize the characteristic.
  • the radial compressor shown in Figure 1 in partial section consists of a compressor housing 1 with an impeller 49, which moves the medium to be compressed in Fig.1 from left to right.
  • the main flow enters the impeller 49 from the inlet area 11, in which an inlet ring 10 partially provided with a conical contour is arranged, and flows from the impeller outlet 46 into the diffuser 44.
  • a detour line with a circulation chamber 31 is attached in the housing wall, which is connected to the inlet area via an inlet groove 22 and opens into the main flow in the area of the impeller contour via a contour groove 38.
  • the inlet groove 22 closes the inlet section and is located with its full opening width 24 in front of the impeller leading edge 2.
  • the depth of the groove extends in the radial direction up to the inner diameter 16 of the inlet ring 10 and is from the diameter 16 of the inlet region 11 to the inner surface of webs 32 interrupted.
  • a contour ring 26 extends from the inlet groove 22 to the contour groove 38.
  • the impeller leading edge 2 is in a central axial position of the contour ring.
  • the inner diameter 28 of the contour ring corresponds to that of the impeller diameter while maintaining a necessary running gap.
  • the outer diameter of the contour ring 30 can be larger, smaller or equal to the diameter 16. In this embodiment, it is chosen to be smaller.
  • the contour ring is held centrally over the webs 32 to the housing. The webs are cast onto the compressor housing 1 or milled into it. Compressor housing 1 and inlet ring 10 can also be made in one piece.
  • the webs 32 can also be made in one piece with the contour ring 26.
  • the contour ring 26 can also form an assembly unit with the webs 32 and a further outer ring 27. This is particularly advantageous if the unit is made of plastic.
  • the contour ring 26 has an inlet cone on the inside diameter. This is chosen so that the diameter 28 in front of the impeller leading edge 2 is cylindrical.
  • the shape of the contour ring 26 in the radial direction results from the shape of the inlet groove 22 and the contour groove 38.
  • the contour groove 38 is located between the contour ring 26 and the section 42, the shape of which corresponds to the outer contour of the impeller up to the diffuser 44.
  • the diameter 40 of the diffuser-side gate edge is larger than the diameter 28 of the inlet-side gate edge.
  • the contour groove is arranged in the radial direction at an inflow angle 43 between 20 ° and 30 °. The inflow angle usually results from the perpendicular to the tangent to the inner contour, which corresponds to the outer contour of the impeller.
  • the cut edges of the contour groove 38 can be rounded off with a radius of 0 to 4 mm.
  • the radius reduces noise generated by sharp edges.
  • the radius is the same on both cut edges.
  • a further contour groove 138 can be arranged on the section 42 between the contour groove 38 and the diffuser 44. Such is shown in FIG Embodiment shown.
  • the width of this contour groove 138 is significantly smaller than the width 36 of the contour groove 38.
  • the stabilization of the characteristic curve is based on the pressure compensation via the circulation space 31, which is formed by the inlet ring 10, the compressor housing 1 and the contour ring 26 and is connected to the main flow via the connection openings 33 and 45 formed by the contour grooves 22 and 38.
  • the inlet ring delimits the circulation space via a section 15 on the inlet side.
  • the conical inlet ring 10 accelerates the main flow in the direction of the compressor wheel inlet.
  • the wall flow at the inlet ring leads to a change in state, which also influences the state in the circulation space 31 via the contour groove 22.
  • the pressures at the connection openings 33 and 45 can be determined by the dimensioning of the contour grooves 22 and 38 and the corresponding flow conditions.
  • the characteristic curve stabilization must be adapted to the type of compressor, whereby the position of the contour groove over the impeller contour, its width and inclination as well as the volume of the circulation chambers, the design of the inlet and the position of the inlet groove determine the characteristics of the speed lines. If the pressure difference is set to zero in the design range, the effect of the circulation space is canceled. In this area, the performance of the radial compressor is not affected, i.e. there are no losses in efficiency.
  • the webs 32 which hold the contour ring 26, in addition to the central fastening possibility, also perform the task of stabilizing the flow in the axial direction.
  • FIG. 2 an embodiment according to FIG. 2 is preferable.
  • the webs no longer touch the grooves and the web itself is rounded off on the diffuser side.
  • FIG. 3 Another embodiment of the invention is shown in FIG. 3.
  • the contour groove 38 does not protrude far into the circulation space 31 here.
  • the webs 32 are rounded toward the opening of the contour groove 38.
  • the groove has a smaller depth in order to facilitate assembly during series production.
  • a mounting pin 13 which fits into a bore in the housing, serves as an anti-rotation device.
  • the inlet into the circulation space at opening 45 is still sloping.
  • a radial contact surface has formed for section 42, which facilitates the assembly of the contour ring.
  • the pin 13 secures against rotation.
  • the inlet ring 10 is fitted into the entry area and secured with the pins 12.
  • Another version provides the construction according to Figure 4.
  • the insert 110 is screwed directly onto the housing and determines the outer diameter of the circulation space 31. This is a further embodiment for adapting a compressor according to customer requirements.
  • FIG. 1 A further embodiment is shown in FIG.
  • the circulation space extends almost to the end of the impeller.
  • Three contour grooves 22 45 and 38 are provided here for better setting of the characteristic stabilization.
  • FIG. 6 shows an example of an embodiment in which the diameter 16 of the inlet section is smaller than the contour ring.
  • Such an embodiment has the advantage of a higher acceleration in the entrance area and an improvement in the pressure difference ratios in the area of the opening 33 and in the circulation space.
  • the mode of operation of the characteristic stabilization is based essentially on the flow conditions at the contour grooves 22 and 38 and in the circulation space 31 itself.
  • the flow conditions at the connection openings are significantly influenced by the contour grooves.
  • the desired characteristic is obtained by coordinating the overall system, with great emphasis being placed on maintaining the efficiency level in the case according to the invention. From this point of view, coordinating the characteristic stabilization to push the tamping limit out provides the best results. Since the working range of a compressor size with regard to the surge limit is set by varying the hub ratio or by the compressor contour, and because the same circulation device is to be used for a compressor size, the dimensioning of the KSM is expediently based on the outlet surface of the impeller.
  • the diameter 16 of the inlet is 0.64 to 1.2 times the impeller outlet diameter 48, the preferred range being between 0.7 and 0.9.
  • the width 36 of the contour groove 38 is 0.55 to 0.7 times the impeller exit width 50.
  • the axial position given by the distance 56 between the contour groove 38 and the rear end of the impeller 49, is 0.15 to 0.3 times the impeller outlet diameter 48.
  • the axial position of the inlet groove 22 is at a distance 58 from the rear end of the impeller, this distance 58 being 0.36 to 0.6 times the impeller outlet diameter 48.
  • the width 24 of the inlet groove 22 is 1 to 1.1 times the width 36 of the contour groove 38.
  • the ratio of the cross-sectional area of the circulation space 31 in the radial direction to the area of the contour groove 38 is between 3.5 and 4.5 times the area which is related to the diameter 40 of the area of the contour groove.
  • the ratio of the inner diameter 30 of the circulation space 31 is approximately 0.8 times the impeller outlet diameter 48.
  • the groove width 36 of the contour groove 38 is 0.03 to 0.05 times the impeller outlet diameter 48.
  • the ratio of the area of the contour groove 38 to the square of the impeller outlet diameter 48 is 0.106 to 0.151 times the hub ratio, the hub ratio being the ratio of the impeller diameter is determined in the inlet 34 to that of the outlet 48 and is for example between 0.64 to 0.74.
  • the volume of the circulation space 31 is between 0.06 and 0.23 times the third power of the impeller outlet diameter 48.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kennfeldstabilisierung bei einem Radialverdichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1.
  • Der Trend in der Entwicklung aufgeladener Motoren geht heute zu höheren Mitteldrücken schon bei niedrigen Motordrehzahlen. Beim Einsatz heute üblicher Verdichter kommt man mit der Motorbetriebslinie der Pumpgrenze recht nahe und bewegt sich in dem der Pumpgrenze teilweise vorgelagerten Geräuschegebiet.
  • Um solche Motoren besser bedienen zu können, sind Verdichter mit einer Charakteristik erforderlich, die ein breites Kennfeld und breite Wirkungsgradmuscheln besitzen.
  • Um den genannten Forderungen mit bestehender Hardware näher zu kommen, bietet sich der Einsatz von kennfeldstabilisierenden Maßnahmen (KSM) im Eintrittsbereich des Verdichters als sehr effektive Methode an.
  • Solche kennfeldstabilisierenden Maßnahmen in Form von Zirkulationskammern sind seit längerem bekannt. Sie wirken in Kennfeldbereichen, in denen das Laufrad falsch angeströmt wird. Die Kennfeldstabilisierung ermöglicht in solchen kritischen Betriebspunkten eine Stabilisierung des Kennfeldes, indem solche Störungen durch das Puffervolumen im Zirkulationsraum kompensiert wird. Ist die Störung ausgeprägter, tritt einen Zirkulation zwischen den Konturnuten und dem Zirkulationsraum ein. Im Bereich der Pumpgrenze wird das Laufrad mit zunehmend kleinerem Anströmwinkel angeströmt und zusätzlich steigt der Druck im Laufrad. Dadurch wird Luftmasse an den Verdichtereintritt zurückgefördert. Am Laufradeintritt wird mehr Luft angesaugt, als der Verdichter insgesamt fördert. Damit wird der Anströmwinkel für diesen Betriebspunkt verbessert und die Pumpgrenze zu kleineren Durchsätzen verschoben. Die Stopfgrenze wird durch Erreichen der Schallgeschwindigkeit am Laufradeintritt verursacht. Hier entsteht Unterdruck und über die Umwegleitung wird Luft ins Laufrad gefördert, womit die Stopfgrenze nach rechts verschoben wird. Dazwischen ist die Funktion der Kennlinienstabilisierung mehr oder weniger außer Betrieb. Bei idealer Anströmung und Abstimmung ist sie ohne Wirkung.
  • Die Technik, den Druck durch Umwegleitungen auszugleichen, die an verschiedenen axialen Bereichen angeschlossen sind und über welche ein Druckausgleich stattfinden kann, ist besonders durch die DE-PS 1428077 bekannt. Die Technik wurde stetig weiterentwickelt, wie in einem Übersichtsartikel von H.-D. Henssler (Kühnle, Kopp & Hausch, Sonderdruck aus VGB Kraftwerkstechnik, 57. Jahrgang, Heft 3, 1977) dargestellt wird.
  • Moderne Einrichtungen für die Kennlinienstabilisierung sind durch die EP-A 348674 und EP-B 229 519, GB-OS 2 202 585 und GB-OS 2 220 447 bekannt. Dabei offenbaren die EP-B 229 519, GB-OS 2 202 585 und die GB-OS 2 220 447 eine Umwegleitung, die direkt vom Saugmund hinter den Verdichtereintritt führt. Der Förderstrom durch den Zirkulationsraum wird durch den Druckunterschied vor dem Verdichterrad-Eintritt über eine Öffnung zum Zirkulationsraum, die im folgenden Öffnung 1 genannt wird, bzw. vom Zirkulationsraum zum Druck in einer Öffnung am Verdichterrad, die im folgenden als Öffnung 2 bezeichnet wird, bestimmt.
  • Nachteilig ist, daß der Zustand des Zirkulationsraumes nicht an den Zustand im Saugkanal, direkt vor Verdichterrad-Eintritt, angebunden ist. Für die Abstimmung ist als wesentliche Regelstelle nur die Nut nutzbar. So könnte eine breite Nut die Stopfgrenze deutlich verschieben, verschlechtert aber im Bereich des Optimums den Wirkungsgrad beträchtlich, so daß sich mit der gerade noch tolerierbaren Verschlechterung des Wirkungsgrades die Grenze dieser Ausführung ergibt.
  • Diese negativen Eigenschaften werden in EP-A 348674 dadurch umgangen, daß sowohl Eingang als auch Ausgang nahezu senkrecht zur Hauptströmung liegen. Die Umwegeleitung wird also nicht mehr direkt angeblasen. Dadurch ergibt sich eine Umwegströmung, die von den Druckunterschieden am Eingang und Ausgang der Umwegleitung erzeugt wird.
  • Der Nachteil dieser Konstruktion ergibt sich daraus, daß beide Seiten der Umwegeleitung vor dem Verdichterrad liegen. Das heißt der Druckunterschied an der Umwegeleitung ist in jedem Fall sehr gering, wodurch diese Konstruktion nur wirksam wird, wenn extreme Druckgradienten vor dem Verdichterrad auftreten. Es ist aber wünschenswert die Stabilisierung viel früher einsetzen zu lassen, da dann die Kennlinie schon im Bereich hoher geförderter Volumina verbreitert wird. Für den Nennleistungspunkt eines Antriebsmotors bedeutet dies einen besseren Wirkungsgrad bei niedrigerem Drehzahlniveau bzw. größere Höhenbetriebsreserven.
  • Ein weiterer Nachteil bisheriger Konstruktionen besteht darin, daß die Stabilisierungseinrichtung auf den Verdichtertyp angepaßt werden muß. Unterschiede in der Verdichterschaufelauslegung, von Konturvariationen und daraus resultierende unterschiedlichen Lagen und Intensitäten von Störungs- bzw. Abreißbereichen, erlauben es bisher nicht, eine klare technische Richtlinie zur Auslegung einer Stabilisierungseinrichtung zu geben. Es kann bisher nicht sicher vorhergesagt werden, ob überhaupt und mit welcher Stabilisierungsmaßnahme bei einem gegebenen Verdichter, insbesondere bei einem Radialverdichter, eine stabile Kennlinie zu erreichen ist. Es wäre beim gegenwärtigen Stand der Technik äußerst wünschenswert, wenn eine Anpassung mit möglichst wenigen Parameter möglich wird.
  • Aus diesen Nachteilen leitet sich die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ab, eine Kennlinienstabilisierung für Radialverdichter zu schaffen, die eine Verbreiterung des Kennlinienfeldes ohne Wirkungsgradverluste ermöglicht.
  • Ausgehend von einer Einrichtung der Kennlinienstabilisierung der eingangs genannten Art, wird diese Aufgabe durch eine Kennlinienstabilisierung nach den Kennzeichen des Anspruch 1 gelöst.
  • Nach den Merkmalen des Anspruchs 1 verläuft die Strömung durch den als Umwegleitung dienenden Zirkulationsraum im Eingangsbereich praktisch senkrecht zur Hauptströmung an der Wand, sodaß zusätzliche Wirbel an dieser Öffnung und die damit verbundenen Nachteile minimiert sind. Durch den Einlaufring ist dieser Bereich stärker an den Zustand der Hauptströmung direkt vor Verdichterrad- Eintritt gekoppelt. Das andere Ende des Zirkulationsraums mündet hinter dem Verdichterrad-Eintritt ins Laufrad. Das bedeutet, die Kennlinienstabilisierung arbeitet bei höherer Druckdifferenz und reagiert damit wesentlich empfindlicher auf Druckänderungen zwischen Eingang und Ausgang des Zirkulationsraumes als bei einer Konstruktion nach EP-OS 0348674. Die Regelwirkung setzt stärker ein. Die Ausnutzung großer Druckdifferenzen durch die strömungsmäßige Verbindung zum Laufrad ist in dieser Konstruktion möglich. Die Erfindung ermöglicht bei stabilen Betriebsbedingungen, daß eine Druckdifferenz Null am Zirkulationsraum im optimalen Betriebsbereich konstruktiv eingestellt werden kann, sodaß dann der Zirkulationsraum wirkungslos ist und keine Wirkungsgradeinbußen an diesem Arbeitsbereich auftreten.
  • Nach dem oben Gesagten ergibt sich für die Erfindung auch, daß man bei dieser Ausführung einen Verdichter auf neue Bedingungen anpassen kann, indem man den Eingangsbereich optimiert. Die Ausführung sieht dafür einen Einlaufring vor, der über Veränderung der Strömungsverhältnisse im Eingang die Druckdifferenz im Zirkulationsraum beeinflußt. Daraus resultierend wird eine einfache Optimierung der Kennlinienstabilisierung auf Anwendungen möglich, d.h. mit der Größe des Einlaufring-Innendurchmessers kann der Zustand im Zirkulationsraum abgestimmt werden. Mit kleiner werdendem Einlaufdurchmesser wird der Zustand im Zirkulationsraum enger an den Strömungszustand bzw. den Strömungsdruck vor der Laufradeintrittskante angepaßt.
  • Ein auswechselbarer Einlauf als solcher ist durch die US-A-4 676 717 bekannt. Dieser auswechselbare Einlauf dient jedoch nicht der Kennlinienstabilisierung.
  • Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung. Es zeigen
    • Fig.1:
    ein Teilschnitt durch einen Radialverdichter mit Kennlinienstabilisierung;
    Fig.2:
    einen Teilschnitt durch einen Radialverdichter mit einer weiteren Kennlinienstabilisierung;
    Fig.3:
    einen Teilschnitt durch einen Radialverdichter mit einer weiteren konstruktiv veränderten Ausführung der Kennlinienstabilisierung;
    Fig.4:
    einen weiteren Teilschnitt einer anderen Ausführungsform;
    Fig.5:
    einen Teilschnitt durch eine Ausführungsform mit einer weiteren Konturnut;
    Fig.6:
    einen Teilschnitt durch eine Ausführungsform mit einem verändertem Einlaufring.
  • Der in Fig.1 im Teilschnitt dargestellte Radialverdichter besteht aus einem Verdichtergehäuse 1 mit einem Laufrad 49, welches das zu verdichtende Medium in Fig.1 von links nach rechts bewegt. Die Hauptströmung tritt vom Einlaufbereich 11, in dem ein teilweise mit konischer Kontur versehener Einlaufring 10 angeordnet ist, in das Laufrad 49 ein und strömt vom Laufradaustritt 46 in den Diffusor 44.
  • In der Gehäusewandung ist eine Umwegleitung mit einer Zirkulationskammer 31 angebracht, die über eine Einlaufnut 22 mit dem Einlaufbereich verbunden ist, und über eine Konturnut 38 im Bereich der Laufradkontur in die Hauptströmung mündet. Die Einlaufnut 22 schließt die Einlaufstrecke ab und befindet sich mit ihrer vollen Öffnungsbreite 24 vor der Laufradeintrittskante 2. Die Tiefe der Nut reicht in radialer Richtung bis an den Innendurchmesser 16 des Einlaufringes 10 und wird vom Durchmesser 16 des Einlaufbereichs 11 bis zur Gehäuseinnenfläche von Stegen 32 unterbrochen.
  • Ein Konturring 26 erstreckt sich von der Einlaufnut 22 bis zur Konturnut 38. Die Laufradeintrittskante 2 befindet sich in einer mittleren axialen Lage des Konturrings. Der Innendurchmesser 28 des Konturringes entspricht dem des Laufraddurchmessser unter Wahrung eines notwendigen Laufspaltes. Der Außendurchmesser des Konturrings 30 kann größer, kleiner oder gleich dem Durchmesser 16 sein. In diesem Ausführungsbeispiel ist er kleiner gewählt. Der Konturring wird über die Stege 32 zum Gehäuse zentrisch gehalten. Die Stege sind an das Verdichtergehäuse 1 angegossen oder in dieses eingefräst. Verdichtergehäuse 1 und Einlaufring 10 können auch aus einem Stück gefertigt sein.
  • Bei einer anderen Ausführungsform können die Stege 32 auch einstückig mit dem Konturring 26 ausgeführt sein. Des weiteren kann der Konturring 26 auch mit den Stegen 32 und einem weiteren äußeren Ring 27 eine Montageeinheit bilden. Das ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Einheit aus Kunststoff gefertigt ist.
  • Der Konturring 26 besitzt einen Einlaufkegel am Innendurchmesser. Dieser wird so gewählt, daß der Durchmesser 28 vor der Laufradeintrittskante 2 zylindrisch ist. Die Form des Konturringes 26 in radialer Richtung ergibt sich aus der Form der Einlaufnut 22 und der Konturnut 38.
  • Die Konturnut 38 befindet sich zwischen dem Konturring 26 und dem Abschnitt 42, der in seiner Form der Außenkontur des Laufrades bis zum Diffusor 44 entspricht. Der Durchmesser 40 der diffusorseitigen Anschnittkante ist größer als der Durchmesser 28 der einlaufseitigen Anschnittkante. Die Konturnut ist in radialer Richtung unter einem Zuströmwinkel 43 zwischen 20° und 30° angeordnet. Üblicherweise ergibt sich der Zuströmwinkel durch die Senkrechte auf die Tangente an der Innenkontur, die der Außenkontur des Laufrades entspricht.
  • Die Anschnittkanten der Konturnut 38 können mit einem Radius von 0 bis 4 mm abgerundet sein. Mit dem Radius wird eine von scharfen Kanten ausgelöste Geräuschentwicklung verringert. Der Radius ist an beiden Anschnittkanten gleich.
  • Auf dem Abschnitt 42 zwischen der Konturnut 38 und dem Diffusor 44 kann eine weitere Konturnut 138 angeordnet sein. In Figur 5 ist eine solche Ausführungsform dargestellt. Die Breite dieser Konturnut 138 ist deutlich kleiner als die Breite 36 der Konturnut 38.
  • Die Kennlinienstabilisierung beruht auf dem Druckausgleich über den Zirkulationsraum 31, der durch Einlaufring 10, das Verdichtergehäuse 1 und den Konturring 26 gebildet ist und über die von den Konturnuten 22 und 38 gebildeten Verbindungsöffnungen 33 und 45 mit der Hauptströmung in Verbindung steht.
  • Der Einlaufring begrenzt den Zirkulationsraum über einen Abschnitt 15 an der Einlaufseite. Durch den konischen Einlaufring 10 wird die Hauptströmung in Richtung Verdichterradeintritt beschleunigt.
  • Die Wandströmung am Einlaufring führt zu einer Zustandsänderung, die über die Konturnut 22 auch den Zustand im Zirkulationsraum 31 beeinflußt. Die Drucke an den Verbindungsöffnungen 33 und 45 können durch die Dimensionierung der Konturnuten 22 und 38 und der entsprechenden Strömungsverhältnisse festgelegt werden. Außerdem muß die Kennlinienstabilisierung an den Verdichtertyp angepaßt werden, wobei die Lage der Konturnut über der Laufradkontur, deren Breite und Schrägstellung ebenso wie die Volumen der Zirkulationskammern, die Gestaltung des Einlaufs und die Lage der Einlaufnut die Charakteristik der Drehzahllinien bestimmen. Bei Festlegung der Druckdifferenz auf Null im Auslegungsbereich wird die Wirkung des Zirkulationsraumes aufgehoben. In diesem Bereich wird die Leistung des Radialverdichters nicht beeinflußt, d.h. es treten keine Wirkungsgradverluste auf.
  • Entstehen nun Druckabweichungen gegenüber diesem eingestellten Idealfall, können sich diese über den Zirkulationsraum ausgleichen. Das hat eine Kennlinienstabilisierung links vom Optimum und eine Erhöhung des Durchsatzbereiches rechts vom Optimum zur Folge, insgesamt eine Verbreiterung des Arbeitsbereiches.
  • Da die Wirkungsweise der Kennlinienstabilisierung wesentlich von den Strömungsverhältnissen im Einlaufbereich abhängt, ist eine einfache Optimierung durch Austausch des Einlaufrings 10 möglich, der mit Montagestiften 12 befestigt ist und bei entsprechender Ausführung der Befestigung leicht ausgewechselt werden kann.
  • Die Stege 32, die den Konturring 26 halten, erfüllen zusätzlich zu der zentrischen Befestigungsmöglichkeit, die Aufgabe, die Strömung in axialer Richtung zu stabilisieren.
  • Bei großen Verdichtern, insbesondere in Verbindung mit großen Nabenverhältnissen, verursachen die relativ breiten Stege vor allem bei einer Strömung von Öffnung 33 zu Öffnung 45 eine ausgeprägte Nachlaufströmung. Die Folge ist ein deutlich höheres, lauteres Klangbild. Eine deutliche Verbesserung des Klangbildes erreicht man in solchen Fällen durch Kürzen der Stege im Zirkulationsraum (Fig.2). Der Strömung wird so mehr Weg gegeben, die Nachlaufströmung der Stege abzubauen.
  • Zur Vermeidung dieser Nachteile ist eine Ausführung nach Figur 2 vorzuziehen. Dabei berühren die Stege nicht mehr die Nuten und der Steg selbst ist diffusorseitig ausgerundet.
  • Eine andere Ausführung der Erfindung ist in Figur 3 dargestellt. Im Gegensatz zu Figur 1 ragt hier die Konturnut 38 nicht weit in den Zirkulationsraum 31 hinein. Die Stege 32 sind zur Öffnung der Konturnut 38 hin abgerundet. Gegenüber der Ausführungsform gemäß Fig.1, in der die ideale Ausführung einer Konturnut unter einem Zuströmungswinkel 43 dargestellt ist, hat die Nut eine geringere Tiefe, um die Montage bei der Serienfertigung zu erleichtern. Beim Einsetzen des Konturrings 26 dient ein Montagestift 13, der in eine Bohrung im Gehäuse paßt als Verdrehsicherung. Der Einlauf in den Zirkulationsraum an der Öffnung 45 ist nach wie vor schräg. Zum Abschnitt 42 hat sich eine radiale Anlagefläche gebildet, die die Montage des Konturrings erleichtert. Gegen Verdrehung sichert der Stift 13.
  • Der Einlaufring 10 ist in den Beispielen der Figuren 1 bis 3 in den Eintrittsbereich eingepaßt und mit den Stiften 12 gesichert. Eine andere Version sieht die Konstruktion nach Figur 4 vor. Dabei wird der Einsatz 110 direkt am Gehäuse angeschraubt und bestimmt den Außendurchmesser des Zirkulationsraumes 31. Dies ist eine weitere Ausführung um einen Verdichter entsprechend den Kundenwünschen abzustimmen.
  • In Figur 5 ist eine weiter Ausführungsform gezeigt. Der Zirkulationsraum erstreckt sich hier fast bis zum Laufradende. Zur besseren Einstellung der Kennlinienstabilisierung sind hier drei Konturnuten 22 45 und 38 vorgesehen.
  • In Figur 6 ist ein Beispiel einer Ausführungsform gezeigt, in der der Durchmesser 16 der Einlaufstrecke kleiner ist, als der Konturring. Eine solche Ausführungsform hat den Vorteil einer höheren Beschleunigung im Eingangsbereich und eine Verbesserung der Druckdifferenzverhältnisse im Bereich der Öffnung 33 und im Zirkulationsraum.
  • Wie vorstehend ausgeführt wurde, beruht die Wirkungsweise der Kennlinienstabilisierung wesentlich auf den Strömungsverhältnissen an den Konturnuten 22 und 38 und in dem Zirkulationsraum 31 selbst. Die Strömungsverhältnisse an den Verbindungsöffnungen werden wesentlich von den Konturnuten beeinflußt.
  • Die gewünschte Charakteristik erhält man durch Abstimmung des Gesamtsystems, wobei im erfindungsgemäßen Fall größter Wert auf die Beibehaltung des Wirkungsgradniveaus gelegt wird. Eine Abstimmung der Kennlinienstabilisierung zum Hinausschieben der Stopfgrenze liefert unter diesem Gesichtspunkt die besten Ergebnisse. Da der Arbeitsbereich einer Verdichterbaugröße bezüglich der Pumpgrenze durch die Variation des Nabenverhältnisses bzw. durch die Verdichterkontur eingestellt wird, und weil für eine Verdichterbaugröße die gleiche Zirkulationseinrichtung verwendet werden soll, bezieht man die Dimensionierung der KSM sinnvollerweise auf die Austrittsfläche des Laufrades.
  • Bei der Abstimmung sind grundsätzlich folgende Punkte zu beachten;
    • 1) Die Dimensionierung der Fläche des Zirkulationsraumes 31.
    • 2) Der Zustand in diesem Zirkulationsraum ist zusätzlich durch einen Einlaufring 10 abzustimmen, der den Zirkulationsraum im Saugmund mehr oder weniger verdeckt.
    • 3) Die Fläche und die Lage der Konturnut 38 über dem Laufrad.
    • 4) Der Zuströmwinkel 43 der Konturnut 38 über dem Laufrad.
  • Nachfolgend werden Konstruktionsmerkmale zur Optimierung dieser Größen gegeben.
  • Der Durchmesser 16 des Einlaufs ist das 0,64 bis 1,2fache des Laufradaustrittsdurchmessers 48, wobei der bevorzugte Bereich zwischen 0,7 und 0,9 liegt.
  • Die Breite 36 der Konturnut 38 beträgt das 0,55 bis 0,7 fache der Laufradsaustrittsbreite 50.
  • Bei Anbringung weiterer Konturnuten sollten ihre Breiten nicht mehr als zu einem Viertel der Laufradaustrittsbreite 50 entsprechen.
  • Die axiale Lage, gegeben durch den Abstand 56 zwischen Konturnut 38 und hinterem Ende des Laufrads 49, beträgt das 0,15 bis 0,3 fache des Laufradaustrittsdurchmessers 48.
  • Die axiale Lage der Einlaufnut 22 befindet sich im Abstand 58 zum hinteren Ende des Laufrads, wobei dieser Abstand 58 das 0,36 bis 0,6 fache des Laufradaustrittssdurchmessers 48 ist.
  • Die Breite 24 der Einlaufnut 22 ist das 1 bis 1.1 fache der Breite 36 der Konturnut 38.
  • Das Verhältnis der Querschnittsfläche des Zirkulationsraums 31 in radialer Richtung zur Fläche der Konturnut 38 liegt zwischen dem 3,5 und 4,5 fachen der Fläche, die auf den Durchmesser 40 der Fläche der Konturnut bezogen ist.
  • Das Verhältnis des Innendurchmessers 30 des Zirkulationsraumes 31 ist ungefähr das 0,8 fache des Laufradaustrittsdurch-messers 48.
  • Die Nutbreite 36 der Konturnut 38 ist das 0,03 bis 0,05 fache des Laufradaustrittsdurchmessers 48.
  • Das Verhältnis von der Fläche der Konturnut 38 zum Quadrat des Laufradaustrittsdurchmessers 48 ist das 0,106 bis 0,151 fache des Nabenverhältnisses, wobei das Nabenverhältnis durch das Verhältnis des Laufraddurchmessers im Eintritt 34 zu dem des Austritts 48 bestimmt ist und beispielsweise zwischen 0,64 bis 0,74 liegt.
  • Das Volumen des Zirkulationsraums 31 liegt zwischen dem 0.06 und dem 0.23 fachen der dritten Potenz des Laufradaustrittsdurchmessers 48.
  • Die engen Intervalle dieser Verhältnisse machen deutlich, auf welche Größen bei der Konstruktion eines Radialverdichters mit Kennfeldstabilisierung genauer zu achten ist. Die angegebenen Einstellbereiche zeigen an, in welchem Wertebereich die angegebenen Werte eingehalten werden müssen. Die in den Angaben enthaltene Lehre erlaubt es, eine Kennlinienstabilisierung für Radialverdichter zu konstruieren, die den Wirkungsgrad nicht beeinträchtigt und das Kennfeld verbreitert.

Claims (15)

  1. Einrichtung zur Kennfeldstabilisierung bei einem Radialverdichter, der einen Einlaufbereich (11), ein Laufrad (49) und einen Austrittsbereich (46, 44) besitzt, wobei sich das Laufrad (49) zwischen Einlaufbereich (11) und Austrittsbereich (46, 44) befindet und durch Rotation des Laufrades ein Fördermedium vom Einlaufbereich (11) zum Austrittsbereich (46, 44) befördert, das Laufrad entlang seiner Achse eine Kontur besitzt, die sich vom Eintrittsdurchmesser (34) zum Austrittsdurchmesser (48) entsprechend dem Profil der es umgebenden Konturwand (42) verändert und wobei die Kennlinienstabilisierung einen Zirkulationsraum (31) aufweist, der mit einer Verbindungsöffnung (33) mit der Hauptströmung im Eingangsbereich (11) und mit einer Verbindungsöffnung (45) an der Konturwand (42) zwischen Laufradeintritt (2) und Laufradaustritt (46) mit der Hauptströmung in Verbindung steht,dadurch gekennzeichnet,
    daß sich im Einlaufbereich (11) ein die Hauptströmung einengender und beschleunigender und den Zirkulationsraum (31) gegenüber der Hauptströmung über einen Abstand (15) abdeckender Einlaufring (10) befindet, durch den ein kontinuierlich in Strömungsrichtung sich verengender Einlaufbereich ausgebildet ist, und
    daß die Verbindungsöffnung (33) in dem Verlauf des sich kontinuierlich verengenden Einlaufbereichs angeordnet ist, so daß die Strömung durch den Zirkulationsraum (31) in einem Bereich an die Hauptströmung angebunden ist, in dem die Hauptströmung beschleunigt ist,
  2. Einrichtung zur Kennfeldstabilisierung bei einem Radialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß die teilweise Abdeckung des Zirkulationsraumes (31) aus einem auswechselbaren und anpaßbaren Einlaufring (10) besteht.
  3. Einrichtung zur Kennfeldstabilisierung bei einem Radialverdichter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Einlaufdurchmesser (16) das 0,64 bis 1,2 fache des Laufradaustrittsdurchmessers (48) beträgt und der bevorzugte Bereich zwischen 0,7 bis 0,9 liegt.
  4. Einrichtung zur Kennfeldstabilisierung bei einem Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
    daß eine Konturnut (38), welche die Strömung zum Laufrad (49) führt, einen Zuströmwinkel (43) in radialer Richtung zwischen 20° und 30° aufweist.
  5. Einrichtung zur Kennfeldstabilisierung bei einem Radialverdichter, nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Breite (36) der Konturnut (38) das 0,55 bis 0,7 fache der Laufradsaustrittsbreite (50) beträgt.
  6. Einrichtung zur Kennfeldstabilisierung bei einem Radialverdichter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
    daß mindestens eine weitere Konturnut (138) vorhanden ist, deren Breite bis zu einem Viertel der Laufradsaustrittsbreite (50) entspricht.
  7. Einrichtung zur Kennfeldstabilisierung bei einem Radialverdichter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
    daß die axiale Lage, gegeben durch den Abstand (56) der Konturnut (38) vom hinteren Ende des Laufrads (49), das 0,15 bis 0,3 fache des Laufradaustrittsdurchmessers (48) ist.
  8. Einrichtung zur Kennnfeldstabilisierung bei einem Radialverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
    daß sich die Lage der Einlaufnut (22) im Abstand (58) zum hinteren Ende des Laufrads befindet, welche das 0,36 bis 0,6 fache des Laufradaustrittsdurchmessers (48) beträgt.
  9. Einrichtung zur Kennfeldstabilisierung bei einem Radialverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
    daß das Verhältnis der Breite (24) der Einlaufnut (22) zur Breite (36) der Konturnut (38) das 1 bis 1,1 fache ist.
  10. Einrichtung zur Kennfeldstabilisierung bei einem Radialverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
    daß das Verhältnis der Querschnittsfläche des Zirkulationsraumes (31) zur radialen Fläche der Konturnut (38) zwischen 3,5 und 4,5 ist.
  11. Einrichtung zur Kennfeldstabilisierung bei einem Radialverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
    daß das Verhältnis des Innendurchmessers (30) des Zirkulationsraumes (31) ungefähr das 0,8 fache des Laufradaustrittsdurchmessers (48) ist.
  12. Einrichtung zur Kennfeldstabilisierung bei einem Radialverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Nutbreite (36) der Konturnut (38) das 0,03 bis 0,05 fache des Laufradaustrittsdurchmessers (48) beträgt.
  13. Einrichtung zur Kennfeldstabilisierung bei einem Radialverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
    daß das Verhältnis der Fläche der Konturnut (38) zum Quadrat des Laufradaustrittsdurchmessers zwischen 0,106 bis 0,151 des Nabenverhältnisses liegt, wobei das Nabenverhältnis durch das Verhältnis des Laufraddurchmessers im Eintritt (34) zu dem des Austritts (48) bestimmt ist.
  14. Einrichtung zur Kennfeldstabilisierung bei einem Radialverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
    daß das Volumen des Zirkulationsraumes (31) zwischen dem 0,06 und dem 0,23 fachen der dritten Potenz des Laufradaustrittsdurchmessers (48) ist.
  15. Einrichtung zur Kennfeldstabilisierung bei einem Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Stirnseiten der den Konturring (26) tragenden Stege abgerundet sind.
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