EP0635643A2 - Kältemittel-Turboverdichter - Google Patents

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EP0635643A2
EP0635643A2 EP94108502A EP94108502A EP0635643A2 EP 0635643 A2 EP0635643 A2 EP 0635643A2 EP 94108502 A EP94108502 A EP 94108502A EP 94108502 A EP94108502 A EP 94108502A EP 0635643 A2 EP0635643 A2 EP 0635643A2
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EP
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blade
impeller
refrigerant
hub
blades
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EP94108502A
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EP0635643A3 (de
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Peter Dr.-Ing. Albring
Rainer Dipl.-Ing. Apley
Klaus Dr.-Ing.habil. Döge
Günter Prof. Dr.-Ing. Heinrich
Ernst Prof. Dr.-Ing. Lindner
Norbert Müller
Reinhardt Dr.-Ing. Pauer
Eberhard Pilling
Rainer Dipl.-Ing. Rudischer
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Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
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Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
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    • 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
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
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    • F04D29/023—Selection of particular materials especially adapted for elastic fluid pumps
    • 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
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/603—Composites; e.g. fibre-reinforced

Definitions

  • the invention relates to a refrigerant turbocompressor, preferably of a radial type, for the compression of water vapor under vacuum conditions, which has a large number of blades.
  • the density of water vapor in refrigeration systems is up to 3 orders of magnitude lower than that in vapor compression and also in the compression of classic refrigerants. Due to the extremely low density of water vapor, very large volume flows have to be pumped in refrigeration systems. Process conditions also require pressure ratios of ⁇ 5.
  • Displacement compressors such as known screw compressors, indeed achieve the required pressure ratio, but are severely limited in the maximum flow rate and are considerably too expensive.
  • Flow compressors for example turbo compressors of radial design, do not reach the required pressure ratio in one stage for the conditions of refrigeration systems.
  • These compressors are expensive because they are almost always designed for the compression of gases or vapors of a much higher density (eg air) and thus designed for a comparatively significantly higher specific drive power.
  • the blades of known radial impellers are usually connected to the supporting disk by welding or riveting, and the rivets can be inserted or milled through the blade.
  • the difficulties increase because the flow cross section is blocked by the blades, the supporting disk is weakened and the structure is changed during welding.
  • Radial compressor impellers that are subjected to high mechanical loads are mainly cast from steel or duralumin, forged and machined by milling and thus consist of one piece. To achieve a bumpless entry, the bending of the blade entry area in the circumferential direction or the use of a mostly cast front runner have proven effective. These face rotors form the blade entry area, have a small diameter in relation to the outer diameter and are therefore comparatively little mechanically loaded. The subsequent radial blade (radial fiber blade) is superior to all others in terms of strength. It is used where a large static pressure increase with the smallest dimensions and without particularly high efficiencies is required for large pressure ratios. Circumferential speeds of up to 600 m / s are carried out.
  • Centrifugal compressors of radial design for high-performance steam chillers have very high centrifugal forces due to the extraordinarily high peripheral speeds (in the range around 500 m / s). These are the main load for the impeller, since the forces that have to be transferred to the pumped medium are comparatively low.
  • the object of the invention is to design the impeller of a radial turbocompressor in such a way that, given the low density of the conveying medium, preferably water vapor, the necessary high volume flows can be conveyed at the required pressure conditions and that the strength problems resulting from the high peripheral speeds are effectively solved .
  • the conveying medium preferably water vapor
  • turbocompressors can be produced that meet the above technical requirements.
  • the higher pressure ratios that can be achieved are sufficient for all refrigeration applications with evaporation temperatures ⁇ 0 ° C, single-stage or max. two-stage turbo compressor radial design.
  • this leads to a significant reduction in the cost of the compressor compared to conventional designs, the impellers of which are made of stainless steel or titanium.
  • further savings result from the fact that the turbocompressor can be driven directly and no costly gear is required.
  • the connecting line between the blade 1 and the impeller segment 2 is, as can be seen from FIG. 1, purely radially or displaced in the circumferential direction, as shown in FIG. 2.
  • the centrifugal forces acting on the blades 1 are transmitted via the shoulders 3 from the impeller segments 2 to the blade-carrying elements 4, 5 and to the hub 6.
  • the connection of the inner blade-carrying element 4 to the hub 6 is also non-positive and positive.
  • An adjustment of the impeller segments 2 is carried out with the outer blade-carrying element 5.
  • the reinforcing material made of carbon fibers is oriented radially in the blades 1 and the impeller segments 2 and in the blade-bearing elements 4 and 5 in the circumferential direction.
  • the lugs 3 on the impeller segments 2 also contain reinforcing material.
  • the blades 1 and the impeller segments 2 can be divided into elements.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a radial refrigerant turbocompressor in axial section.
  • the blades 1 are connected to the impeller segments 2.
  • the impeller segments 2 have lugs 3, via which they are non-positively and positively connected to the hub 6.
  • the blade-carrying elements 4 are partially arranged axially next to one another and partially radially one above the other.
  • the reinforcing material lies in the blades 1 and in the impeller segments 2 in accordance with the stress, preferably radially and in the blade-carrying elements 4 in the circumferential direction.
  • the fibers are oriented both radially and in the circumferential direction in accordance with the stress.
  • impeller segments 2 can also be subdivided in such a way that elements thereof form a continuous disk.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kältemittel-Turboverdichter, vorzugsweise radialer Bauart, für die Verdichtung von Wasserdampf unter Vakuumbedingungen, der eine Vielzahl von Schaufeln besitzt.
Aufgabe ist es, das Laufrad eines radialen Turboverdichters so zu gestalten, daß bei der geringen Dichte des Fördermediums, vorzugsweise Wasserdampf, die notwendig hohen Volumenströme bei den erforderlichen Druckverhältnissen gefördert werden können und daß die sich aus den hohen Umfangsgeschwindigkeiten ergebenden Festigkeitsprobleme effektiv gelöst werden.
Erfindungsgemäß besteht das Laufrad aus Schaufeln bzw. Schaufelelementen, Laufradsegmenten, schaufeltragenden Elementen und der Nabe. Diese Teile bestehen in ihrer Gesamtheit oder einzeln aus polymeren Verbundmaterial, dessen Verstärkungsmaterialien vorzugsweise Kohlenstoffasern sind. Die sich radial erstreckenden Elemente sind einzeln mit der Nabe verbunden.
Die Kohlenstoffasern sind beanspruchungsgerecht im Verbundwerkstoff eingebettet.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kältemittel-Turboverdichter, vorzugsweise radialer Bauart, für die Verdichtung von Wasserdampf unter Vakuumbedingungen, der eine Vielzahl von Schaufeln besitzt.
  • Auf der aus Umweltschutzgründen dringend erforderlichen Suche nach neuen Kältemitteln ist Wasser eine beachtenswerte, bisher aber wenig genutzte Alternative. Der physikalische Prozeß ist schon seit sehr langer Zeit bekannt. So hat z.B. der Schotte W. Cullen im Jahre 1755 Wasser mit Hilfe einer Vakuumpumpe zum Verdampfen gebracht und damit eine mechanische Kälteerzeugung realisiert.
  • Seit Jahrzehnten ist der Einsatz von Wasser als Kältemittel im Zusammenhang mit Absorptions- und Dampfstrahlkälteanlagen bekannt. Ebenfalls sind seit langer Zeit Anlagen zur Brüdenverdichtung bekannt, bei denen Wasserdampf zum Zweck der Heizdampfgewinnung vorwiegend durch Turbokompressoren radialer Bauart verdichtet und damit auf ein höheres Energieniveau gehoben wird. Diese Arbeitsmaschinen sind jedoch für Kälteanlagen mit dem Arbeitsstoff Wasser nicht wirtschaftlich einsetzbar, da sich die Temperaturbereiche beider Einsatzfälle wesentlich unterscheiden. Bei der Brüdenkompression liegen die Verdichteransaugtemperaturen im Bereich von ca. 80...120 °C. Bei Kälteanlagen mit Wasser als Kältemittel sind Ansaugtemperaturen zwischen 0...50 °C erforderlich. Diese Temperaturen werden zwar auch mit Dampfstrahlkälteanlagen erreicht, jedoch mit geringerer Energieeffektivität als bei Kälteanlagen mit mechanischer Verdichtung. Die Dichte des Wasserdampfes bei Kälteanlagen ist bis zu 3 Zehnerpotenzen kleiner als die bei der Brüdenverdichtung und auch bei der Verdichtung von klassischen Kältemitteln. Auf Grund der außerordentlich geringen Dichte des Wasserdampfes müssen in Kälteanlagen sehr große Volumenströme gefördert werden. Zusätzlich sind verfahrenstechnisch bedingt Druckverhältnisse von π∼5 erforderlich.
  • Verdrängerverdichter, wie z.B. bekannte Schraubenverdichter, erreichen zwar das erforderliche Druckverhältnis, sind aber im maximalen Fördervolumenstrom stark begrenzt und wesentlich zu teuer. Strömungsverdichter, z.B. Turboverdichter radialer Bauart, erreichen einstufig für die Bedingungen von Kälteanlagen nicht das geforderte Druckverhältnis. Diese Verdichter sind teuer, da sie fast immer für die Verdichtung von Gasen oder Dämpfen wesentlich höherer Dichte (z.B. Luft) konzipiert und damit für vergleichsweise erheblich höhere spezifische Antriebsleistungen ausgelegt wurden.
  • Die Schaufeln bekannter Radiallaufräder werden mit der Tragscheibe überlicherweise durch Schweißen oder Nieten verbunden, wobei die Niete durch die Schaufel gesteckt oder angefräst sein können. Mit großer Schaufelzahl und Schaufelbreite, dem für die Wasserdampfverdichtung zutreffenden Fall, wachsen die Schwierigkeiten, weil der Strömungsquerschnitt durch die Schaufeln versperrt, die Tragscheibe geschwächt und beim Schweißen das Gefüge verändert wird.
  • Mechanisch hochbelastete Radialverdichterlaufräder (Grenzleistungslaufräder) werden vorwiegend aus Stahl oder Duraluminium gegossen, geschmiedet und durch Fräsen bearbeitet und bestehen somit aus einem Stück. Zur Erzielung eines stoßfreien Eintritts haben sich das Umbiegen des Schaufeleintrittsbereiches in Umfangsrichtung oder die Verwendung eines meist gegossenen Vorsatzläufers bewährt. Diese Vorsatzläufer bilden den Schaufeleintrittsbereich, haben einen im Verhältnis zum Außendurchmesser kleinen Durchmesser und sind deshalb vergleichsweise wenig mechanisch belastet. Die sich anschließende radiale Schaufel (Radialfaserschaufel) ist hinsichtlich Festigkeit allen anderen überlegen. Sie wird dort eingesetzt, wo bei großen Druckverhältnissen eine große statische Druckerhöhung bei kleinsten Abmessungen und ohne besonders hohe Wirkungsgrade gefordert werden. Ausgeführt werden Umfangsgeschwindigkeiten bis 600 m/s.
  • Der Einsatz von Faser-Verbundstoffen ist bei Laufrädern von Ventilatoren und von Schaufeln von Axialventilatoren und Schiffspropellern bekannt. Diese Ausführungsformen sind jedoch nur für Umfangsgeschwindigkeiten bis max. 100 m/s geeignet und kommen deshalb für Grenzleistungsverdichter nicht in Frage.
  • Für die Wasserdampfverdichtung im kältetechnisch relevanten Temperatur- und Leistungsbereich sind spezielle Turboverdichter erforderlich, die große Volumenströme bei hohen Druckverhältnissen fördern können, eine hohe Energieeffektivität aufweisen und preislich gegenüber herkömmlichen Kältemittelverdichtern konkurrenzfähig sind.
  • Bei Turboverdichtern radialer Bauart für Wasserdampfkältemaschinen großer Leistung treten auf Grund der außerordentlich hohen Umfangsgeschwindigkeiten (im Bereich um 500 m/s) sehr hohe Zentrifugalkräfte auf. Diese sind für das Laufrad die Hauptbelastung, da die Kräfte, die auf das Fördermedium übertragen werden müssen, vergleichsweise niedrig sind.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, das Laufrad eines radialen Turboverdichters so zu gestalten, daß bei der geringen Dichte des Fördermediums, vorzugsweise Wasserdampf, die notwendig hohen Volumenströme bei den erforderlichen Druckverhältnissen gefördert werden können und daß die sich aus den hohen Umfangsgeschwindigkeiten ergebenden Festigkeitsprobleme effektiv gelöst werden.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst. Dadurch wird erreicht, daß Turboverdichter hergestellt werden können, die den o.g. technischen Forderungen entsprechen. Durch die erreichbaren höheren Druckverhältnisse reichen für alle kältetechnischen Anwendungsfälle mit Verdampfungstemperaturen ≧ 0 °C einstufige bzw. max. zweistufige Turboverdichter radialer Bauart aus. Das führt neben der möglichen Leichtbaukonstruktion zu einer wesentlichen Verbilligung des Verdichters gegenüber herkömmlichen Konstruktionen, deren Laufräder aus Edelstahl oder auch Titan gefertigt sind. In der Folge ergeben sich weitere Einsparungen dadurch, daß der Turboverdichter direkt angetrieben werden kann und kein kostenaufwendiges Getriebe erforderlich ist.
  • An nachfolgenden Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert:
    • Fig. 1
    zeigt den Axialschnitt eines erfindungsgemäßen Laufrades
    Fig. 2
    zeigt die axiale Ansicht einer Schaufel mit Laufradsegment
    Fig. 3
    zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform einer Schaufel mit axial und radial angeordneten schaufeltragenden Elementen

    Gemäß den Abbildungen sind die Schaufeln 1 mit Laufradsegmenten 2 verbunden, die nach dem Zusammenfügen der Segmente die Tragscheibe des Laufrades bilden. In Fig. 1 ist dargestellt, daß an den Laufradsegmenten 2 Ansätze 3 vorhanden sind, die der form- und kraftschlüssigen Befestigung an den schaufeltragenden Elementen 4 dienen. Die schaufeltragenden Elemente 4 sind in Fig. 1 als Tragringe ausgebildet.
  • Die Verbindungslinie zwischen der Schaufel 1 und dem Laufradsegment 2 ist, wie aus Fig. 1 ersichtlich, rein radial, oder in Umfangsrichtung verschoben, wie in Fig. 2 dargestellt.
  • Die auf die Schaufeln 1 wirkenden Zentrifugalkräfte werden über die Ansätze 3 von den Laufradsegmenten 2 auf die schaufeltragenden Elemente 4, 5 und auf die Nabe 6 übertragen. Die Verbindung des innenliegenden schaufeltragenden Elementes 4 mit der Nabe 6 erfolgt ebenfalls kraft- und formschlüssig. Mit dem äußeren schaufeltragenden Element 5 wird eine Justierung der Laufradsegmente 2 vorgenommen.
  • Das Verstärkungsmaterial aus Kohlenstoffasern ist in den Schaufeln 1 und den Laufradsegmenten 2 radial und in den schaufeltragenden Elementen 4 und 5 in Umfangsrichtung orientiert. Die Ansätze 3 an den Laufradsegmenten 2 enthalten ebenfalls Verstärkungsmaterial.
  • In nicht dargestellter Weise können die Schaufeln 1 und die Laufradsegmente 2 in Elemente unterteilt sein.
  • Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines radialen Kältemittelturboverdichters im Axialschnitt. Die Schaufeln 1 sind mit den Laufradsegmenten 2 verbundenl. Die Laufradsegmente 2 haben Ansätze 3, über die sie kraft- und formschlüssig mit der Nabe 6 verbunden sind. Die schaufeltragenden Elemente 4 sind zum Teil axial nebeneinander und zum Teil radial übereinander angeordnet. Das Verstärkungsmaterial liegt in den Schaufeln 1 und in den Laufradsegmenten 2 der Beanspruchung entsprechend, vorzugsweise radial und in den schaufeltragenden Elementen 4 in Umfangsrichtung. In den Ansätzen 3 und in dem sich von der Nabe bis zum Laufradaußendurchmesser erstreckenden schaufeltragenden Element sind die Fasern beanspruchungsgerecht sowohl radial als auch in Umfangsrichtung orientiert.
  • In nicht dargestellter Weise können die Laufradsegmente 2 auch so unterteilt werden, daß Elemente davon eine durchgehende Scheibe bilden.

Claims (8)

  1. Kältemittel-Turboverdichter, vorzugsweise radialer Bauart, für die Verdichtung von Wasserdampf unter Vakuumbedingungen, der eine Vielzahl von Schaufeln besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad aus Schaufeln bzw. Schaufelelementen, Laufradsegmenten, schaufeltragenden Elementen und der Nabe zusammengesetzt ist und daß diese Teile in ihrer Gesamtheit oder einzeln aus polymeren Verbundmaterial, dessen Verstärkungsmaterialien vorzugsweise Kohlenstoffasern sind, bestehen und daß die sich radial erstreckenden Elemente einzeln mit der Nabe verbunden sind.
  2. Kältemittel-Turboverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Teilen das Verstärkungsmaterial, vorzugsweise Kohlenstoffasern, beanspruchungsgerecht im Verbundwerkstoff eingebettet ist.
  3. Kältemittel-Turboverdichter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmaterial an den Verbindungsstellen zum Zwecke des Verbindens aus dem Verbundwerkstoff herausragt.
  4. Kältemittel-Turboverdichter nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Fußbereich der Schaufeln Einlegeteile zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung zwischen Schaufel und Nabe vorhanden sind, um die das Verstärkungsmaterial herumgelegt wird.
  5. Kältemittel-Turboverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das radial geführte Verstärkungsmaterial einer Schaufel oder eines Laufradsegmentes ohne Unterbrechung zum jeweils gegenüber liegenden Bauteil geführt wird.
  6. Kältemittel-Turboverdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern des Verstärkungsmaterials im Bereich der Drehachse gekreuzt sind.
  7. Kältemittel-Turboverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als schaufeltragende Elemente ein oder mehrere Ringe axial und/oder radial angeordnet sind, mit denen die Schaufeln bzw. Schaufelelemente und Laufradsegmente befestigt werden.
  8. Verfahren zur Verbindung der Schaufeln bzw. Laufradsegmente mit der Nabe, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte
    - Laminieren und Aushärten der Bauteile des Laufrades in der Weise, daß an den jeweiligen Verbindungsstellen Fasern des Vertstärkungsmaterials herausragen
    - Zusammenfügen der vorgefertigten Bauteile derart, daß sich die herausragenden Fasern an den Verbindungsstellen mit dem Verstärkungsmaterial der Nabe kreuzen
    - Aushärten des Laminates der Nabe zusammen mit den Fasern des Schaufelfußes.
EP94108502A 1993-06-25 1994-06-03 Kältemittel-Turboverdichter. Withdrawn EP0635643A3 (de)

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