JP2000054996A - ラジアル圧縮機とその運転法 - Google Patents
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Abstract
羽根車と圧縮機ケーシングとの分離隙間内にシールエレ
メントを備えていないラジアル圧縮機において、作動媒
体27の漏れ流29の下流で部分隙間18内へ冷却媒体
25が導入され、この冷却媒体が冷却過程の実施の後に
最終的に再び排出される。そのことのために、圧縮機羽
根車6の背壁16の領域内で圧縮機ケーシングを貫通し
て背壁へ向かって分離隙間18内へ開口した少なくとも
1つの、ガス状の冷却媒体25のための供給通路24
と、冷却媒体25のための少なくとも1つの排出通路2
6とが圧縮機ケーシング5に配置されている。 【効果】 圧縮機羽根車の背壁がガス状の冷却媒体によ
って効果的に冷却され、かつこれによりラジアル圧縮機
の耐用寿命が増大する。
Description
運転のための方法であって、a) 圧縮機ケーシング内
に配置されていて多数の回転羽根を備えた圧縮機羽根車
により作動媒体を吸込み、圧縮し、かつ主流として消費
ユニットへ搬送し、b) 回転羽根の間で行われた圧縮
過程の後に作動媒体の漏れ流を分流し、この漏れ流を、
圧縮機羽根車と圧縮機ケーシングとの間に形成された分
離隙間内へ流入せしめ、c) 圧縮機羽根車の背壁の領
域内では作動媒体の漏れ流の侵入に対して分離隙間をシ
ールしない形式のもの、並びに、主に半径方向に延びる
背壁を有していて軸に配置された圧縮機羽根車と、この
圧縮機羽根車を囲む圧縮機ケーシングとを備えたラジア
ル圧縮機であって、圧縮機羽根車と圧縮機ケーシングと
の間にラジアル圧縮機の作動媒体のための流れ通路が形
成されており、この流れ通路に圧縮機羽根車と圧縮機ケ
ーシングとの分離隙間が連通しており、その場合、圧縮
機羽根車の背壁の領域内では分離隙間がシールエレメン
トなしに形成されている形式のものに関する。
ボ機械構造内に無接触式シール、特にラビリンスシール
が広く使用されている。回転する部分と定置の部分との
間の流体が通流する分離隙間内に、流れ境界層の形成に
もとづき高い摩擦力が生じる。このことにより、分離隙
間内の流体が加熱され、ひいては分離隙間を囲む構成部
分も加熱される。高い材料温度は対応する構成部分の耐
用寿命の減少を招く。
ラジアル圧縮機の軸方向推動に抗して作用する、又はこ
れと同じ方向に作用する、排ガスタービンの軸方向推動
を有している。後者の場合には回転する圧縮機羽根車の
背壁と、これに隣合う定置の圧縮機ケーシングとの間の
分離隙間内の圧力が低下する。それゆえ、この種の分離
隙間の公差は極めて狭い。さらに、この分離隙間は多く
の場合接触式シールを備えている。この種の狭い分離隙
間内には特に高い摩擦が発生する。その上、分離隙間を
流れる作動媒体の偏向及び渦流がシールの絞り箇所にお
いて作動媒体の混合を繰り返し生ぜしめ、これが高いレ
ベルの運動量と熱交換とにつながる。絞り箇所の下流で
は作動媒体は回転する構成部分のところでそれぞれ改め
て周方向に加速されなければならず、このことにより、
この領域内での摩擦力ひいては熱発生がさらに上昇す
る。
からは、圧縮機羽根車の背壁に、それもこの背壁と圧縮
機ケーシングとの間で分離隙間内に配置されたシールエ
レメントを備えたラジアル圧縮機のための冷却装置が公
知である。その場合、圧縮機羽根車の排出口のところに
支配する圧力に比して高い圧力を有する冷えたガスがシ
ールを通して案内される。このガスは圧縮機羽根車の背
壁に衝突し、それと同時にそのところで、圧縮機羽根車
の出口からの熱い圧縮機空気がラビリンス隙間を通流す
るのを妨げるシール空気として作用する。このことによ
り、シールジオメトリを備えたこの種の圧縮機羽根車の
耐用寿命が著しく増大する。この解決手段における欠点
は、特別に構成されたシールが圧縮機の構造全体と組立
てとを複雑にし、かつ高価にすることにある。その上、
分離隙間のギャップ幅が十分の数ミリメータの範囲内に
あるため、回転する圧縮機羽根車が圧縮機ケーシングに
擦れる潜在的な危険も常時存在する。
動に抗して作用する排ガスタービンの軸方向推動では分
離隙間内の圧力低下は不要であり、従ってそのギャップ
幅はミリメータの範囲内にあり、かつ圧縮機羽根車の背
壁の領域内での分離隙間のシールの必要性がない。この
ようなシールエレメントを備えないラジアル圧縮機がド
イツ連邦共和国特許第19548852号明細書から公
知である。このラジアル圧縮機は簡単に構成されてお
り、それゆえコスト的に有利に製作される。回転する圧
縮機羽根車が圧縮機ケーシングに擦れる危険はない。し
かし、この場合も圧縮機羽根車の背壁における流れ剪断
層にもとづいて生じる摩擦熱が圧縮機羽根車の加熱ひい
てはその耐用寿命の減少を生ぜしめる。シールエレメン
トを備えないラジアル圧縮機において圧縮機羽根車の背
壁の領域内で熱の発生を軽減するための解決策はいまだ
知られていない。
回避すべく本発明の課題とするところは、簡単に構成さ
れていて圧縮機羽根車の背壁の領域内で圧縮機羽根車と
圧縮機ケーシングとの分離隙間内にシールエレメント備
えていないラジアル圧縮機を耐用寿命を増大させるよう
に運転する方法を提供すると共に、この方法を実施する
ための装置を製作することにある。
よれば、請求項1に記載したように、冒頭に記載した運
転法において、作動媒体の漏れ流の下流で冷却媒体を分
離隙間内へ導入し、冷却媒体を冷却過程の実施の後に最
終的に再び排出することにより解決される。さらに上記
課題は本発明装置によれば、請求項6に記載したよう
に、冒頭に記載したラジアル圧縮機において、圧縮機羽
根車の背壁の領域内で圧縮機ケーシングを貫通して背壁
へ向かって分離隙間内に開口した少なくとも1つの、ガ
ス状の冷却媒体のための供給通路と、冷却媒体のための
少なくとも1つの排出通路とが圧縮機ケーシングに配置
されていることにより解決される。
縮機とにもとづき、圧縮機羽根車の背壁がガス状の冷却
媒体によって効果的に冷却され、かつこれによりラジア
ル圧縮機の耐用寿命が増大する。このことのためには作
動媒体の熱い漏れ流を冷却媒体により冷却すれば十分で
あるため、分離隙間内への漏れ流の侵入を妨げる必要は
ない。それゆえ、比較的わずかな量の冷却媒体の供給で
十分であり、その結果、供給を簡単に行うことができ
る。
の漏れ流の圧力が作動媒体の主流の圧力に比して減少し
ていることにより、冷却媒体は有利に作動媒体の主流の
圧力に比して比較的高い圧力でも、比較的低い圧力でも
分離隙間内へ導入されることができる。そのことのため
に圧縮機羽根車の背壁の上流で分離隙間内にシールエレ
メントが配置されている。使用済み冷却媒体の排出は圧
縮機ケーシングを通して外向きに又はラジアル圧縮機の
作動媒体の主流内へ行われ、このことのために冷却媒体
の排出通路は周囲空気へ又はラジアル圧縮機の流れ通路
内へ開口する。このようにして、圧縮機羽根車の冷却の
ための多数のバリエーションの可能性が得られ、このこ
とが、ラジアル圧縮機の使用に際しての条件へのラジア
ル圧縮機の最適な適合を許容する。
対してほぼ平行に又はほぼダイヤゴナルに、又は圧縮機
羽根車の背壁に対してほぼ接線方向に分離隙間内へ開口
するように配置される。軸の向きに対して平行に冷却媒
体の供給が行われる場合には衝撃冷却(Prallkuehlung)
が実現される。このことにより、圧縮機羽根車の背壁の
特に危険にさらされる箇所が直接的かつ効果的に冷却さ
れる。これに対して冷却媒体が半径方向に噴入される場
合にはフィルム冷却(Filmkuehlung)が実現され、これに
より、圧縮機羽根車の背壁の比較的大きな領域を冷却す
ることができる。冷却媒体のダイヤゴナル方向での噴入
は上述の両解決手段の利点を、比較的わずかな冷却効果
で組み合わせる。この欠点を補償するために、少なくと
も1つの供給通路が、圧縮機羽根車の背壁へ向かって分
離隙間内へ突入した小管を受容している。それぞれの小
管が圧縮機羽根車の背壁の半径方向外側の領域内で分離
隙間内に開口していると特に有利である。この領域内で
は最大の温度負荷が生じるため、冷却媒体の効果的な使
用が達成される。
通路が配置され、かつ、分離隙間へ向いて開いた1つの
環状室又は少なくとも1つの部分環状室が圧縮機羽根車
の背壁に対向して圧縮機ケーシング内に形成され、かつ
供給通路がこの環状室に、もしくは少なくともそれぞれ
2つの供給通路が1つの部分環状室に連通していると有
利である。このことにより、供給通路の数、構成及び配
置に無関係に、圧縮機羽根車の周囲にわたり均一な冷却
媒体の供給が得られる。
本発明の複数の実施例を説明する。
メントのみが示されている。例えば排ガスターボ過給機
の軸受部及びタービン側は図示されていない。作動媒体
の流れ方向は矢印で示されている。
機は軸受ケーシング2内で支持された1つの軸3を介し
て互いに結合されたラジアル圧縮機1と図示しない排ガ
スタービンとから成る。ラジアル圧縮機1は軸3内に位
置する機械軸線4を有している。ラジアル圧縮機1は圧
縮機ケーシング5を備えており、圧縮機ケーシング5内
で圧縮機羽根車6が軸3に回転不能に結合されていて軸
と一緒に回転する。圧縮機羽根車6は多数の回転羽根7
を備えたハブ8を有している。ハブ8と圧縮機ケーシン
グ5との間には流れ通路9が形成されている。回転羽根
7の下流には流れ通路9に続いて半径方向に配置された
羽根付きデイフューザ10が設けられており、この羽根
付きディフューザはラジアル圧縮機1の渦巻ケーシング
11内へ開口している。圧縮機ケーシング5は主として
空気入口ケーシング12と、空気出口ケーシング13
と、ディフューザプレート14と、軸受ケーシング2に
対する中間壁15とから成る。
めの固定用スリーブ17とを備えており、その場合、軸
3と固定用スリーブ17とは互いに結合されている。固
定用スリーブ17は圧縮機ケーシング5の中間壁15に
より受容されている。もちろん、圧縮機羽根車と軸との
その他の適当な結合形式を選択することもできる。同様
に、羽根を備えないディフューザを使用することも可能
である。
グ5の定置の中間壁15との間には種々の隙間領域から
成る分離隙間18が形成されている。第1の隙間領域1
9は機械軸線4に対して平行に延びており、かつ圧縮機
羽根車6の出口と、圧縮機羽根車6の背壁16の領域内
で主に半径方向に延びる第2の隙間領域20とに連通し
ている。第2の隙間領域20は、固定用スリーブ17と
中間壁15との間に形成されていて同様に機械軸線4に
対して平行に延びる第3の隙間領域21に移行してい
る。第3の隙間領域21は図示されていない排出導管に
通じている。圧縮機羽根車8の背壁16は半径方向内側
の壁部分22と半径方向外側の壁部分23とを備えてい
る。
圧縮機羽根車6の軸3に対して平行に、圧縮機ケーシン
グ5の中間壁15を貫通した、ガス状の冷却媒体25の
ための複数の供給通路24が開口している。その開口部
は圧縮機羽根車6の背壁16の半径方向外側の壁部分2
3の領域内に位置しており、他面において同様に圧縮機
ケーシング5の中間壁15を貫通した、冷却媒体25の
ための排出通路26が半径方向内側の壁部分22内に配
置されている。
車6が作動媒体として周囲空気を吸込み、この周囲空気
は主流28として流れ通路9とディフューザ10とを介
して渦巻ケーシング11内へ達し、その場所でさらに圧
縮されて最終的には、排ガスターボ過給機に結合された
内燃機関の過給のために使用される。流れ通路9からデ
ィフューザ10までの途上において、ラジアル圧縮機1
内で加熱された作動媒体27の主流28は漏れ流29と
して第1の隙間領域19ひいては分離隙間18内へ侵入
する。しかし、それと同時に、作動媒体27の主流28
の圧力に比して高い圧力でガス状の冷却媒体25が供給
通路24を介して分離隙間18の第2の隙間領域20内
へ導入される。例えば、冷却媒体として図示されていな
い内燃機関の過給空気冷却器の出口からの空気が使用さ
れる。もちろん、その他の冷却媒体の使用並びに外部か
らの冷却媒体の供給も可能である。
に衝突し、その特に負荷される半径方向外側の壁部分2
3内で衝撃冷却を生ぜしめる。さらに、冷却媒体25は
分離隙間18内で分配され、熱い漏れ流29を希釈す
る。冷却媒体25及び漏れ流29の大部分は引き続き排
出通路26を介して分離隙間18から導出される。支配
する圧力比に応じて、冷却媒体25及び漏れ流29の所
定部分が第1の隙間領域19を介してラジアル圧縮機1
の流れ通路9内へ導入されることもある。
4が同様に圧縮機羽根車6の軸3に対して平行に圧縮機
羽根車6の背壁16の半径方向外側の壁部分23の領域
内で分離隙間18内へ開口している。しかし、供給通路
24と分離隙間18との間には、分離隙間18へ向いて
開いていて供給通路24同士を互いに接続せしめる環状
室30が形成されている(図2)。このことにより、背
壁16が冷却媒体25により比較的均一に負荷される。
もちろん、環状室30に対して代替的に、それぞれ少な
くとも2つの隣合う供給通路24を互いに連通せしめる
複数の部分環状室を圧縮機ケーシング5の中間壁15に
形成することもできる(図示せず)。排出通路26は圧
縮機ケーシング5のディフューザプレート14に配置さ
れており、その結果、冷却媒体25はほぼ完全にラジア
ル圧縮機1の流れ通路9を介して排出される。運転時
に、漏れ流29は冷却媒体25により実際に完全に遮断
される。流れ通路9内への冷却媒体25のこの戻し案内
にもとづき、さらに体積効率が改善される。
機羽根車6の軸3に対してダイヤゴナルに分離隙間18
内に開口している。さらに、供給通路24は、分離隙間
18内に突入していて圧縮機羽根車6の背壁16の半径
方向外側の壁部分23へ向けられたそれぞれ1つの小管
31を受容している(図3)。この小管により、冷却媒
体25は背壁16の、最大温度負荷を有する領域へねら
いよく衝突する。冷却媒体25はダイヤゴナル方向での
導入にもとづき、まず衝撃冷却として作用する。さら
に、第1の隙間領域19へ向かって背壁16にフィルム
冷却を生じることができる。冷却媒体25の導出はこの
場合もやはり排出通路26を介して行われる。もちろ
ん、第2実施例と同様にラジアル圧縮機1の流れ通路9
内への冷却媒体25の戻し供給を行うこともできる(図
示せず)。
フューザプレート14を貫通して配置されており、かつ
その圧縮機羽根車6に向いた領域内で圧縮機羽根車6の
背壁16に対して接線方向に分離隙間18内へ開口して
いる(図4)。冷却媒体25のための排出通路26は圧
縮機ケーシング5の中間壁15に配置されている。冷却
媒体25の接線方向での導入により、たんに圧縮機羽根
車6の背壁16の純粋なフィルム冷却だけが実現され
る。圧縮機羽根車6冷却媒体の導出はたんに排出通路2
6だけを介して行われる。圧縮機の推動と圧縮機羽根車
6の背壁16に生じる摩擦にもとづく機械的な損失はこ
の構成では冷却媒体25の軸線平行な噴入の場合に比し
てわずかである。もちろん、ディフューザプレート14
はその半径方向内側の端部のところにスリットを備える
ことができる。その場合には、供給通路24はディフュ
ーザプレート14の図示されていないこのスリット内に
開口する。
の背壁16の上流にシールエレメント32が分離隙間1
8内に、要するにその第1の隙間領域19内に配置され
ている(図5)。これまで説明したすべての実施例のた
めに適したこの解決手段によれば、流入する冷却媒体2
5の圧力が有利には圧縮機羽根車6の出口のところの作
動媒体27の圧力を下回ることができるように、残留す
る漏れ流29の圧力を低減させることが可能である。こ
のようにすれば、比較的わずかな量の冷却媒体25によ
り圧縮機羽根車6の効果的な冷却が保証される。
出装置を備えたラジアル圧縮機の部分縦断面図である。
縦断面図である。
縦断面図である。
の部分縦断面図である。
の特に第1の隙間領域を拡大して示す部分縦断面図であ
る。
軸、 4 機械軸線、5 圧縮機ケーシング、 6 圧
縮機羽根車、 7 回転羽根、 8 ハブ、9 流れ通
路、 10 ディフューザ、 11 渦巻ケーシング、
12 空気入口ケーシング、 13 空気出口ケーシ
ング、 14 ディフューザプレート、 15 中間
壁、 16 背壁、 17 固定用スリーブ、 18
分離隙間、 19 分離隙間の第1の隙間領域、 20
分離隙間の第2の隙間領域、21 分離隙間の第3の
隙間領域、 22 半径方向内側の壁部分、 23 半
径方向外側の壁部分、 24 供給通路、 25 冷却
媒体、 26 排出通路、 27 作動媒体(周囲空
気)、 28 作動媒体の主通路、 29 作動媒体の
漏れ通路、 30 環状室、 31 小管、 32 シ
ールエレメント
Claims (14)
- 【請求項1】 ラジアル圧縮機の運転のための方法であ
って、 a) 圧縮機ケーシング(5)内に配置されていて多数
の回転羽根(7)を備えた圧縮機羽根車(6)により作
動媒体(27)を吸込み、圧縮し、かつ主流(28)と
して消費ユニットへ搬送し、 b) 回転羽根(7)の間で行われる圧縮過程の後に作
動媒体(27)の漏れ流(29)を分流し、この漏れ流
(29)を、圧縮機羽根車(6)と圧縮機ケーシング
(5)との間に形成された分離隙間(18)内へ流入せ
しめ、 c) 圧縮機羽根車(6)の背壁(16)の領域内で
は、作動媒体(27)の漏れ流(29)の侵入に対して
分離隙間(18)をシールしない形式のものにおいて、 d) 作動媒体(27)の漏れ流(29)の下流で冷却
媒体(25)を分離隙間(18)内へ導入し、冷却媒体
を冷却過程の実施の後に最終的に再び排出することを特
徴とするラジアル圧縮機の運転のための方法。 - 【請求項2】 作動媒体(27)の主流(28)の圧力
に比して高い圧力で冷却媒体(25)を分離隙間(1
8)内へ導入する請求項1記載の方法。 - 【請求項3】 冷却媒体(25)を冷却過程実施後に作
動媒体(27)の主流(28)内へ導入する請求項2記
載の方法。 - 【請求項4】 作動媒体(27)の漏れ流(29)の圧
力を、分離隙間(18)内への漏れ流(29)の供給時
に作動媒体(27)の主流(28)の圧力に比して低減
させる請求項1記載の方法。 - 【請求項5】 作動媒体(27)の主流(28)の圧力
に比して低い圧力で冷却媒体(25)を分離隙間(1
8)内へ導入する請求項4記載の方法。 - 【請求項6】 主に半径方向に延びる背壁(16)を有
していて軸(3)に配置された圧縮機羽根車(6)と、
この圧縮機羽根車(6)を囲む圧縮機ケーシング(5)
とを備えたラジアル圧縮機であって、圧縮機羽根車
(6)と圧縮機ケーシング(5)との間にラジアル圧縮
機(1)の作動媒体(27)のための流れ通路(9)が
形成されており、この流れ通路(9)に圧縮機羽根車
(6)と圧縮機ケーシング(5)との分離隙間(18)
が連通しており、その場合、圧縮機羽根車(6)の背壁
(16)の領域内では分離隙間(18)がシールエレメ
ントなしに形成されている形式のものにおいて、圧縮機
羽根車(6)の背壁(16)の領域内で圧縮機ケーシン
グ(5)を貫通して背壁(16)へ向かって分離隙間
(18)内に開口した少なくとも1つの、ガス状の冷却
媒体(25)のための供給通路と、冷却媒体(25)の
ための少なくとも1つの排出通路(26)とが圧縮機ケ
ーシング(5)に配置されていることを特徴とするラジ
アル圧縮機。 - 【請求項7】 供給通路(24)が少なくともほぼ圧縮
機羽根車(6)の軸(3)に対して平行に分離隙間(1
8)内に開口している請求項6記載のラジアル圧縮機。 - 【請求項8】 供給通路(24)が圧縮機羽根車(6)
の軸(3)に対して少なくともほぼダイヤゴナルに分離
隙間(18)内に開口している請求項6記載のラジアル
圧縮機。 - 【請求項9】 圧縮機ケーシング(5)に複数の供給通
路(24)が配置されており、かつ、分離隙間(18)
へ向かって開いた1つの環状室(30)又は少なくとも
1つの部分環状室が圧縮機羽根車(6)の背壁(16)
に対向して圧縮機ケーシング(5)に形成されており、
かつ、供給通路(24)がこの環状室(30)に連通し
ており、又は少なくともそれぞれ2つの供給通路(2
4)が1つの部分環状室に連通している請求項7又は8
記載のラジアル圧縮機。 - 【請求項10】 少なくとも1つの供給通路(24)
が、圧縮機羽根車(6)の背壁(16)へ向かって分離
隙間(18)内に突入した小管(31)を受容している
請求項8記載のラジアル圧縮機。 - 【請求項11】 圧縮機羽根車(6)の背壁(16)
が、半径方向内側の壁部分(22)と、半径方向外側の
壁部分(23)とを有しており、かつ、それぞれの小管
(31)が半径方向外側の壁部分(23)の領域内で分
離隙間(18)内に開口している請求項10記載のラジ
アル圧縮機。 - 【請求項12】 排出通路(26)がラジアル圧縮機
(1)の流れ通路(9)内へ開口している請求項6から
11までのいずれか1項記載のラジアル圧縮機。 - 【請求項13】 供給通路(24)が圧縮機羽根車
(6)の背壁(16)に対して少なくともほぼ接線方向
に分離隙間(18)内に開口している請求項6記載のラ
ジアル圧縮機。 - 【請求項14】 圧縮機羽根車(6)の背壁(16)の
上流で分離隙間(18)内にシールエレメント(32)
が配置されている請求項6から13までのいずれか1項
記載のラジアル圧縮機。
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