EP0601227A1 - Stabilierungseinrichtung zur Kennfelderweiterung eines Verdichters - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a stabilization device for expanding a characteristic map of a compressor.
- the aim is to achieve monotonically falling characteristic curves with no hysteresis as the flow increases, in order to achieve high reliability in part-load operation.
- Such continuous characteristics are called stable.
- stable characteristics are more difficult to achieve the greater the pressure ratio at the design point. That's why you try to generate the desired stable characteristic curves by means of additional stabilizing devices.
- the stabilization device described for example in the patent specification CH 675 279 consists of a recess in the housing of a radial compressor, a stabilization ring being integrated into this recess.
- the recess or the stabilizing ring are arranged in front of the impeller and outside the main flow.
- Stabilizing blades are present on the outer circumference of the stabilizing ring and are anchored to the inner contour of the recess.
- the disadvantage of this solution is the complex design of the housing, the ring and the stabilizing blades.
- the already high vibration load on the rotor blades in the entry area is increased by the stabilizing device.
- This device consists of a ring fixedly connected to the blades, a relatively large radial recirculation channel being arranged between the ring and the housing of the compressor.
- a recirculation flow is made possible, which contributes to the stabilization of the map.
- the ring supports the blade leading edges in both the radial and tangential directions and thereby reduces the blade vibrations.
- the disadvantage of this solution is the necessity of the relatively large recirculation channel and the fact that with some radial compressors an undesirably strong recirculation occurs.
- the invention tries to avoid all these disadvantages. It is based on the task of a compressor in the impeller inlet area to prevent the formation of the harmful gap flow from one blade side to the other and thus to expand the compressor map by stabilizing the flow and at the same time to eliminate the vibration problems in the impeller inlet area.
- the stabilization device consists of a ring fixedly attached to the rotor blades and a recess in the housing of the compressor in the form of a rotationally symmetrical groove, the ring being attached in the inlet area of the impeller such that the ring rotates when the impeller rotates the recess is movable, with only a usual close play between the ring and the wall of the housing.
- the advantages of the invention can be seen, inter alia, in the fact that no vortices or only vortices occur to a reduced extent in the inlet part of the impeller.
- the efficiency of the compressor is increased and the stable range of the compressor characteristic is widened.
- the blades support the blades in the tangential and radial directions, so that the vibration load is reduced. Since the ring is only limited to the inlet part of the impeller and the radius there is smaller than at the impeller outlet, the centrifugal force is relatively small and therefore manageable.
- FIG. 1 An embodiment of the invention is shown using a radial compressor.
- the single figure shows a partial meridian section of the compressor with the stabilization device. Only the elements essential for understanding the invention are shown.
- the direction of flow of the working fluid is indicated by an arrow.
- part of a radial compressor is shown with the stabilization device according to the invention.
- the compressor consists of the housing 4 and the impeller 3.
- the impeller 3 is equipped with a ring 1 fixed to the blades 2 in the form of a short cover plate. This cover plate is only limited to the inlet part of the impeller 3.
- a recess 5 in the form of a rotationally symmetrical groove is present in the housing 4 of the compressor.
- the dimensions of the recess 5 are matched to the dimensions of the ring 1 such that the ring 1 is easily movable in the recess 5 when the impeller 3 rotates, but only the usual close play exists between the ring 1 and the wall of the housing 4, which z. B. is also present between the upper edges of the blades 2 and the wall of the housing 4.
- the ring 1 supports the blade leading edges in the radial and tangential directions. The result is that the blade vibration amplitudes are greatly reduced and the mechanical blade load is reduced. Since the ring 1 is only limited to the inlet part of the impeller 3, where the radius is significantly smaller than at the impeller outlet, the centrifugal force is also significantly smaller and therefore manageable. A destruction of the ring 1 due to excessive centrifugal force thus does not take place.
- the ring 1 rotating in the recess 5 with the impeller 3 prevents the formation of the gap flow over the outer edges of the blades in the impeller region in which the gap flow would contribute to the formation of a harmful vortex.
- the vortex does not arise at all or only in a reduced scope. This increases the efficiency of the compressor and widens the stable range of the compressor characteristic.
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Stabilisierungseinrichtung zur Kennfelderweiterung eines Verdichters gemäss Oberbegriff des Anspruches 1.
- Es ist bekannt, dass sich bei Rotation eines Verdichterrades im Spalt zwischen den rotierenden Aussenkanten der Laufschaufein und dem ruhenden Gehäuse eine Spaltströmung von der Schaufelseite mit hohem Druck zu der mit niedrigem Druck einstellt. Diese Spaltströmung kann zusammen mit anderen Strömungsvorgängen im Eintrittsteil des Radialrades zu einem Wirbel führen. Durch diesen Wirbel wird der Wirkungsgrad des Verdichters verringert, und der stabile Bereich der Verdichterkennlinie wird schmaler.
- Bei Verwendung von Turboverdichtern wird angestrebt, mit wachsendem Durchfluss monoton fallende Kennlinien ohne Hysterese zu erzielen, um eine hohe Zuverlässigkeit bei Teillastbetrieb zu erreichen. Solche kontinuierliche Kennlinien werden als stabil bezeichnet. Bei Teillast sind jedoch stabile Kennlinien um so schwerer zu erzielen, je grösser das Druckverhältnis im Auslegungspunkt ist. Deshalb versucht man mittels zusätzlicher Stabilisierungseinrichtungen die gewünschten stabilen Kennlinien zu erzeugen.
- Die beispielsweise in der Patentschrift CH 675 279 beschriebene Stabilisierungseinrichtung besteht aus einer Ausnehmung im Gehäuse eines Radialverdichters, wobei in diese Ausnehmung ein Stabilisierungsring intergriert ist. Die Ausnehmung bzw. der Stabilisierungsring sind dabei vor dem Laufrad und ausserhalb der Hauptströmung angeordnet. Am Aussenumfang des Stabilisierungsringes sind Stabilisierungsschaufeln vorhanden, die an der Innenkontur der Ausnehmung verankert sind. Der Nachteil dieser Lösung besteht in der aufwendigen konstruktiven Gestaltung des Gehäuses, des Ringes und der Stabilisierungschaufeln. Ausserdem wird die ohnehin schon grosse Schwingungsbelastung der Laufschaufeln im Eintrittsbereich durch die Stabilisierungsvorrichtung noch verstärkt.
- Der Anmelderin ist eine Stabilisierungseinrichtung bekannt, bei der die eben genannten Nachteile reduziert werden. Diese Einrichtung besteht aus einem fest mit den Laufschaufeln verbundenen Ring, wobei zwischen dem Ring und dem Gehäuse des Verdichters ein relativ grosser radialer Rezirkulationskanal angeordnet ist. Bei starker Drosselung des Verdichters wird dort eine Rezirkulationsströmung ermöglicht, welche zur Kennfeldstabilisierung beiträgt. Der Ring stützt die Schaufeleintrittskanten sowohl in radialer als auch in tangentialer Richtung ab und reduziert dadurch die Schaufelschwingungen. Der Nachteil dieser Lösung besteht in der Notwendigkeit des relativ grossen Rezirkulationskanales und der Tatsache, dass bei manchen Radialverdichtern eine unerwünscht starke Rezirkulation eintritt.
- Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verdichter im Laufradeintrittsbereich die Ausbildung des schädlichen Spaltstromes von einer Schaufelseite zur anderen zu verhindern und damit durch Stabilisierung der Strömung das Verdichterkennfeld zu erweitern und gleichzeitig die Schwingungsprobleme im Laufradeintrittsbereich zu beseitigen.
- Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Stabilisierungseinrichtung aus einem fest auf den Laufschaufeln angebrachten Ring und einer Ausnehmung im Gehäuse des Verdichters in Form einer rotationssymmetrischen Nut besteht, wobei der Ring im Eintrittsbereich des Laufrades so angebracht ist, dass der Ring bei Rotation des Laufrades in der Ausnehmung beweglich ist, wobei zwischen dem Ring und der Wand des Gehäuses nur ein übliches enges Spiel besteht.
- Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass im Eintrittsteil des Laufrades keine Wirbel bzw. nur noch Wirbel in verringertem Umfang entstehen. Das führt dazu, dass der Wirkungsgrad des Verdichters erhöht wird und der stabile Bereich der Verdichterkennlinie verbreitert wird. Gleichzeitig werden durch den Ring die Schaufeln in tangentialer und radialer Richtung abgestützt, so dass die Schwingungsbelastung zurückgeht. Da der Ring nur auf den Eintrittsteil des Laufrades beschränkt ist und dort der Radius kleiner als am Laufradaustritt ist, ist die Fliehkraftbeanspruchung relativ klein und dadurch beherrschbar.
- In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines Radialverdichters dargestellt. Die einzige Figur zeigt einen Teilmeridianschnitt des Verdichters mit der Stabilisierungseinrichtung. Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels ist mit einem Pfeil bezeichnet.
- In der Figur ist ein Teil eines Radialverdichters mit der erfindungsgemässen Stabilisierungseinrichtung dargestellt.
- Der Verdichter besteht aus dem Gehäuse 4 und dem Laufrad 3. Das Laufrad 3 ist mit einem fest mit den Laufschaufeln 2 verbundenen Ring 1 in Form einer kurzen Deckscheibe ausgerüstet. Diese Deckscheibe ist nur auf den Eintrittsteil des Laufrades 3 beschränkt. Im Gehäuse 4 des Verdichters ist eine Ausnehmung 5 in Form einer rotationssymmetrischen Nut vorhanden.
- Die Abmasse der Ausnehmung 5 sind auf die Abmasse des Ringes 1 so abgestimmt, dass der Ring 1 bei Rotation des Laufrades 3 in der Ausnehmung 5 gut beweglich ist, aber zwischen dem Ring 1 und der Wand des Gehäuses 4 nur das übliche enge Spiel besteht, welches z. B. auch zwischen den Oberkanten der Laufschaufeln 2 und der Wand des Gehäuses 4 vorhanden ist.
- Der Ring 1 stützt die Schaufeleintrittskanten in radialer und tangentialer Richtung ab. Das führt dazu, dass die Schaufelschwingungsamplituden stark reduziert werden und die mechanische Schaufelbelastung sinkt. Da der Ring 1 nur auf den Eintrittsteil des Laufrades 3 beschränkt ist, wo der Radius wesentlich kleiner als am Laufradaustritt ist, ist auch die Fliehkraftbeanspruchung wesentlich kleiner und dadurch beherrschbar. Eine Zerstörung des Ringes 1 infolge zu hoher Fliehkraft findet somit nicht statt.
- Der in der Ausnehmung 5 mit dem Laufrad 3 rotierende Ring 1 verhindert die Ausbildung der Spaltströmung über die Schaufelaussenkanten in dem Laufradbereich, in welchem die Spaltströmung zur Ausbildung eines schädlichen Wirbels beitragen würde. Der Wirbel entsteht dadurch gar nicht erst bzw. nur in einem reduzierten Umfang. Dadurch wird der Wirkungsgrad des Verdichters erhöht und der stabile Bereich der Verdichterkennlinie wird verbreitert.
-
- 1
- Ring
- 2
- Laufschaufeln
- 3
- Laufrad
- 4
- Gehäuse
- 5
- Ausnehmung
Claims (1)
- Stabilisierungseinrichtung zur Kennfelderweiterung eines Verdichters, bestehend aus einem fest auf den Laufschaufeln (2) angebrachten Ring (1) und einer Ausnehmung (5) im Gehäuse (4) des Verdichters in Form einer rotationssymmetrischen Nut, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (1) im Eintrittsbereich des Laufrades (3) so angebracht ist, dass der Ring (1) bei Rotation des Laufrades (3) in der Ausnehmung (5) beweglich ist, wobei zwischen dem Ring (1) und der Wand des Gehäuses (4) nur ein übliches enges Spiel besteht.
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