EP0601227B1 - Stabilierungseinrichtung zur Kennfelderweiterung eines Verdichters - Google Patents

Stabilierungseinrichtung zur Kennfelderweiterung eines Verdichters Download PDF

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EP0601227B1
EP0601227B1 EP92120867A EP92120867A EP0601227B1 EP 0601227 B1 EP0601227 B1 EP 0601227B1 EP 92120867 A EP92120867 A EP 92120867A EP 92120867 A EP92120867 A EP 92120867A EP 0601227 B1 EP0601227 B1 EP 0601227B1
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compressor
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stabilizing device
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ABB AB
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ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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    • 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
    • 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
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/28—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/284—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps for 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
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a stabilizing device for expanding a characteristic map of a compressor according to the preamble of claim 1.
  • 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.
  • On the outer circumference of the stabilizing ring there are stabilizing blades which are anchored to the inner contour of the recess, so that the ring and the stabilizing blades are part of the housing. Due to the relatively large groove in the housing, the vortex formed as a result of the gap flow is sucked off.
  • 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.
  • a stabilizing device (EP-A-0 593 797) in which the disadvantages just mentioned are reduced.
  • This device consists of a ring fixedly connected to the rotor 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 some radial compressors have an undesirably strong recirculation.
  • the invention tries to avoid all these disadvantages. It is based on the task of preventing the formation of the harmful gap flow from one blade side to the other in a compressor in the impeller inlet area and thus expanding the compressor map by stabilizing the flow and at the same time eliminating the vibration problems in the impeller inlet area.
  • the stabilizing device consists of a ring which is arranged in a recess in the housing of the compressor, which has the shape of a rotationally symmetrical groove, the ring being fixedly connected to the rotor blades and arranged only in the entry region of the impeller, and the dimensions of the ring and the recess are matched to one another such that when the impeller rotates about the impeller axis between the ring and the wall of the housing there is only such play that is sufficient to ensure that the ring and the housing come into contact during operation avoid.
  • 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 so that the ring 1 can rotate well in the recess 5 around the impeller axis when the impeller 3 rotates, but only such a narrow one between the ring 1 and the wall of the housing 4 There is play, which is sufficient to avoid contact of ring 1 and housing 4 during operation.
  • This game is e.g. B. as great as the game between the upper edges of the blades 2 and the wall of the housing 4th
  • 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 only on the entry part the impeller 3 is limited, 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. As a result, the vortex does not arise at all or only to a reduced extent. This increases the efficiency of the compressor and widens the stable range of the compressor characteristic.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine Stabilisierungseinrichtung zur Kennfelderweiterung eines Verdichters gemäss Oberbegriff des Anspruches 1.
    • Stand der Technik
  • 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, so dass der Ring und die Stabilisierungsschaufeln ein Teil des Gehäuses sind. Durch die relativ grosse Nut im Gehäuse wird der sich infolge der Spaltströmung bildende Wirbel abgesaugt. 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 (EP-A-0 593 797) 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.
    • Darstellung der Erfindung
  • 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 Ring besteht, welcher in einer Ausnehmung im Gehäuse des Verdichters, die die Form einer rotationssymmetrischen Nut hat, angeordnet ist, wobei der Ring fest mit den Laufschaufeln verbunden und nur im Eintrittsbereich des Laufrades angeordnet, und wobei die Abmasse des Ringes und der Ausnehmung so aufeinander abgestimmt sind, dass bei Rotation des Laufrades um die Laufradachse zwischen dem Ring und der Wand des Gehäuses nur ein solches Spiel besteht, welches ausreichend ist, um im Betrieb die Berührung von Ring und Gehäuse zu vermeiden.
  • 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.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • 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.
    • Weg zur Ausführung der Erfindung
  • 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 um die Laufradachse gut rotieren kann, aber zwischen dem Ring 1 und der Wand des Gehäuses 4 nur ein solches enges Spiel besteht, welches ausreichend ist, um im Betrieb eine Berührung von Ring 1 und Gehäuse 4 zu vermeiden. Dieses Spiel ist z. B. ebenso gross wie das Spiel zwischen den Oberkanten der Laufschaufeln 2 und der Wand des Gehäuses 4.
  • 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.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Ring
    2
    Laufschaufeln
    3
    Laufrad
    4
    Gehäuse
    5
    Ausnehmung

Claims (1)

  1. Stabilisierungseinrichtung zur Kennfelderweiterung eines mit Laufschaufeln (2) bestückten Verdichters, bestehend aus einem Ring (1), welcher in einer Ausnehmung (5) im Gehäuse (4) des Verdichters, die die Form einer rotationssymmetrischen Nut hat, angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (1) fest mit den Laufschaufeln (2) verbunden und nur im Eintrittsbereich des Laufrades (3) angeordnet ist, wobei die Abmasse des Ringes (1) und der Ausnehmung (5) so aufeinander abgestimmt sind, dass bei Rotation des Laufrades (3) um die Laufradachse zwischen dem Ring (1) und der Wand des Gehäuses (4) nur ein solches Spiel besteht, welches ausreichend ist, um im Betrieb die Berührung von Ring (1) und Gehäuse (4) zu vermeiden.
EP92120867A 1992-12-08 1992-12-08 Stabilierungseinrichtung zur Kennfelderweiterung eines Verdichters Expired - Lifetime EP0601227B1 (de)

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