DE4106614A1 - Vorrichtung zur kennlinienstabilisierung fuer radialverdichter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kennlinienstabilisierung für Radialverdichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Beim Einsatz heute üblicher Verdichter kommt man mit der Motorbetriebslinie der Pumpgrenze recht nah und bewegt sich in dem der Pumpgrenze teilweise vorgelagerten Geräuschgebiet. Um solche Motoren besser bedienen zu können, sind Verdichter mit einer breiten Charakteristik erforderlich, die ein breites Kennfeld und breite Wirkungsgradmuscheln besitzen. Dazu bietet sich der Einsatz von kennfeldstabilisierenden Maßnahmen (KSM) an, die im Eintrittsbereich des Verdichters arbeiten.

Solche kennfeldstabilisierenden Maßnahmen arbeiten meist mit Zirkulationskammern, die den Eingang des Verdichters mit einem Bereich über dem Laufrad verbinden. Bei Erreichen der Stopfgrenze oder der Pumpgrenze treten Strömungen durch die Zirkulationskammer auf, die ein breiteres Kennfeld und breite Wirkungsgradmuscheln bilden. Zwischen den beiden Grenzbereichen ist die Funktion der Kennlinienstabilisierung mehr oder weniger außer Betrieb. Bei idealer Anströmung und Abstimmung ist sie ohne Wirkung.

Eine abstimmbare Kennfeldstabilisierung für Radialverdichtung ist in einer früheren Patentanmeldung der Anmelderin offenbart. In dieser Druckschrift wird die Zirkulationskammer durch einen Konturring gebildet, der im Abstand gegenüber der Gehäuseaußenwand gehalten wird. Eine Abstimmung des Verdichters wird dadurch erreicht, daß der Einlaufring im Durchmesser variiert wird und sich so der Zustand im Zirkulationsraum enger an den Strömungszustand vor dem Laufrad anpaßt. Weitere Varianten kennfeldstabilisierender Maßnahmen können durch zusätzliche Konturnuten erreicht werden.

Nachteil bei einer derartigen Konstruktion ist, daß Störungen der Hauptströmung nur an bestimmten Stellen an der Laufrad-Außenkontur abgebaut werden können. Dies ermöglicht die Anordnung vom Einlaufring und Konturring mit den entstehenden Bereichen Einlaufnut, Konturnut und Zirkulationsraum. Durch Berechnung und Versuche werden die Stellen ermittelt, die bei kritischen Betriebspunkten die größten Störungen der Hauptströmung abbauen können. Andere Zonen in der Hauptströmung bleiben unberücksichtigt und die Störungen bestehen. Um solche Zonen durch Nuten oder/und Bohrungen zu berücksichtigen, wäre der konstruktive Aufwand zu groß und zu teuer.

Ein weiterer Nachteil sind die zum Halten des Konturrings erforderlichen Stege, die im Zirkulationsraum angeordnet sind. Dies kann zu Schwingungen, Wirbel, Geräuschentwicklungen und einer Herabsetzung des Wirkungsgrades führen. Man kann diese störenden Eigenschaften dadurch verringern, daß man in den Zirkulationsraum Stege einbaut, deren Ecken abgerundet sind. Außerdem verringern die Stege die unerwünschte Effekte nur, können sie aber nicht ganz beseitigen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine wirtschaftlich günstige Kennfeldstabilisierung zu schaffen, bei der Störungen der Hauptströmung lokal abgebaut und die oben angesprochenen Probleme vermieden werden.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Zirkulationsraum im wesentlichen durch einen Körper ersetzt wird, der eine Vielzahl von Hohlräumen enthält. Es kann sich dabei z. B. um einen Einsatz handeln, der aus porösem Material hergestellt ist oder z. B. um ein Gitter, das mit Stahlwolle oder Glaswolle gefüllt ist. Eine solche Vorrichtung ermöglicht einen lokalen Austausch von Energiezuständen zwischen dem genannten Körper und den Laufradkanälen bei Störungen (Pumpen, Stopfen) und bei Bedarf einen Druckausgleich vom Laufradeintritt bis zum Ende des Körpers. Bei Verwendung eines Körpers aus porösem Material ist vor allem eine kompakte homogene Bauform des porösen Einsatzes möglich. Zusätzlich treten aber auch keine störenden Kanten auf, wie z. B. bei Stegen, wie sie im Stand der Technik benutzt werden. Außerdem kann die Durchlässigkeit und damit die Wirkung durch die Zusammensetzung des porösen Materials beeinflußt werden. Das kann man durch Herstellen von Schichten verschiedener durchlässiger Materialien erreichen. Neben solchen Schichtungen können aber auch Mischungen benutzt werden.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß innerhalb des porösen Einsatzes undurchlässige Einlagen eingebracht werden. Die Einlagen sind nicht direkt an der Oberfläche zum Laufrad angeordnet und so können lokale Störungen der Hauptströmung weiterhin auf kürzestem Weg abgebaut werden. Zusätzlich ist im entstandenen Zirkulationsraum (31) der Aufbau einer definierten Strömung zwischen Eingangsöffnung und Konturnut und umgekehrt möglich. Dies kann im maximal kritischen Betriebspunkt des Verdichters von Vorteil sein, da mehr Strömung an einen bestimmten Ort ab- oder zugeführt werden muß.

Es ist nicht nötig, die Anbringung des porösen Körpers auf den Bereich zwischen Laufradeintritt und Laufrad zu beschränken. Um auch Störungen bis zum Diffusorende abzubauen, sieht eine weitere Ausführung vor, einen Hohlraumreichen Körper bis zum Diffusorende zu erstrecken.

Als Material zur Ausbildung dieses Körpers können Keramiken, geschäumte Metalle, geschäumte Kunststoffe oder Sinterwerkstoffe verwendet werden. Es ist aber auch denkbar, daß man Glaswolle oder Stahlwolle in einer luftdurchlässigen oder mit Löchern versehenen Umhüllung anbringt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, faserartige Materialien wie Glaswolle oder Stahlwolle z. B. durch Tauschen in einem Lack oder Harz zu verfestigen, wodurch den Fasern gegeneinander ein mechanisch fester Halt gegeben wird. Zur Erzeugung der jeweils gewünschten Durchlässigkeit, die ja auch in unterschiedlichen Raumbereichen unterschiedlich erwünscht sein kann, ist es auch möglich, Schichtungen oder Mischungen verschiedener Materialien, wie z. B. die oben angegebenen, zu verwenden.

Die Herstellung einer KSM durch Gießen oder Schäumen eines porösen Körpers bietet große Vorteile. Ein solches Herstellungsverfahren erlaubt die Einbettung der oben geschilderten Einlagen in die zu gießende oder auszuschäumende Form. Dadurch können konstruktiv Halterungen eingespart werden und es ergibt sich durch die erfindungsgemäße Möglichkeit der Gestaltung und Positionierung der Einlagen eine größere Freiheit für Strömungsführungen als bei herkömmlichen Konstruktionen.

Eine weitere Variante der Erfindung besteht darin, einen hohlraumreichen Körper bis in den Diffusorbereich hinein zu erstrecken. Die Verwendung von mit porösen absorbierenden Materialien gefüllten Resonanzkammern im Diffusorbereich von Radialverdichtern ist an sich bereits durch die DE-AS 28 30 294 bekannt und dient der Absorption von Schallwellen sowie aerodynamischer Druckschwankungen, um die Stabilität der Strömung zu erhöhen.

Weitere vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung und den Ansprüchen. Es zeigt

Fig. 1 einen Teilschnitt durch einen Radialverdichter mit einer Kennlinienstabilisierung nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 einen Teilschnitt durch einen Radialverdichter mit einer Kennfeldstabilisierung nach der Erfindung,

Fig. 3 einen Teilschnitt durch einen Radialverdichter mit auswechselbarem Eingangsring und einer Einlage,

Fig. 4 einen Teilschnitt durch einen Radialverdichter mit einer erfindungsgemäßen Kennfeldstabilisierung, bei der auch Druckgradienten im Diffusor gedämpft werden,

Fig. 5 einen Teilschnitt durch einen Radialverdichter mit einer erfindungsgemäßen Kennfeldstabilisierung, bei dem sich ein hohlraumreicher Körper vom Eingangsbereich bis zum Diffusor erstreckt,

Fig. 6 einen Teilschnitt wie in Fig. 5 mit einer durch Einsätze definierten unterschiedlichen Strömungsführung.

Zum besseren Verständnis sei zuerst ein Radialverdichter entsprechend einer herkömmlichen Ausführung beschrieben. Es handelt sich dabei um einen besonders vorteilhaften Radialverdichter, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. In einem Gehäuse 1 sitzt ein durch dickere Striche gekennzeichnetes und schematisches Verdichterrad 49, welches das zu verdichtende Gas durch einen Einlaufbereich 11 fördert und an einen Diffusor 44 abgibt. Die Strömung wird neben der Gehäusewand des Gehäuses 1 auch durch einen Einlaufring 10 und einen Konturring 26 geführt.

Ein Zirkulationsraum 31 ist zwischen dem Konturring 26 und dem Gehäuse 1 ausgebildet. Durch eine Einlaufnut 22 wird eine Eingangsöffnung 33 gebildet, die eine Nebenströmung durch den Zirkulationsraum 31 zuläßt. In gleicher Weise wird durch eine Konturnut 38 eine Öffnung 45 geschaffen. Durch Abstimmen des Einlaufringdurchmessers kann der Verdichter verschiedenen Anwendungen angepaßt werden. Der Zirkulationsraum 31 dient dazu, starke Störungen der Verdichterströmung anzugleichen und dadurch das Kennlinienfeld durch Verbessern der Pump- bzw. Erweitern der Stopfgrenze zu verbreitern.

Der Zirkulationsraum 31 erlaubt einen Druckausgleich in axialer Richtung. Die eingebrachten Stege 32 erfüllen die Aufgabe, den Konturring 26 zentrisch festzuhalten und zusätzlich wird die Strömung durch den Zirkulationsraum in axialer Richtung stabilisiert. Diese Stege 32 besitzen aber auch gleichzeitig den Nachteil, daß durch eine ausgeprägte Nachlaufströmung ein deutlich höheres Klangbild entsteht. Bei einer Ausführung gemäß der Erfindung werden die Stege 32 nicht mehr benötigt, was eine freie Gestaltung von Einlagen jeder Art und in jeder Lage ermöglicht. Es sind keine abstützenden Elemente (Stege 32) erforderlich, deren Nachteile nicht vollständig ausgeschlossen werden können.

Für die Herstellung eines porösen Füllmaterials lassen sich geschäumter Kunststoff, geschäumtes Metall, spezielle Keramiken oder aber auch Sintermaterialien einsetzen. Da solche Materialien die Zustände von der Hauptströmung in die porösen Kanäle beeinflussen, kann es wünschenswert sein, innerhalb des Zirkulationsraums ein Material unterschiedlicher Porositätsgrade zu benutzen. Dies läßt sich durch Mischung oder Schichtung von verschiedenen porösen oder auch faserartigen Materialien, wie Glaswolle oder Stahlwolle, erreichen.

In einem Verdichter nach dem Stand der Technik ist vorgesehen, daß der Einlaufring 10 einen Einlaufkonus 18 enthält, der die Hauptströmung einengt und dadurch beschleunigt, so daß an der Öffnung 33 ein Druck entsteht. So wird im Arbeitsbereich ein Druck an der Öffnung 33 erzeugt, der mit dem Druck an der Öffnung 45 übereinstimmt, so daß der Zirkulationsraum 31 bei optimalem Auslegungspunkt wirkungslos ist.

Bei den folgenden Ausführungsbeispielen ist in den zugehörigen Fig. 2 bis 6 das Verdichterrad 49 weggelassen worden.

In Fig. 2 ist eine Ausführung gemäß der erfinderischen Idee gezeigt. Der gesamte Bereich von Fig. 1, der den Einlaufring 10, den Konturring 26, den Zirkulationsraum 31 und die Stege 32 umfaßt, wird dabei durch einen hohlraumreichen Körper 251 ersetzt. Bei dieser Ausführungsform wird der hohlraumreiche Körper bevorzugt aus einem porösen Material hergestellt. Er weist wieder einen einengenden Konusmantel 18 auf, mit dem die Strömungsverhältnisse und damit die Druckverhältnisse im Eingang 11 eingestellt werden. Über den porösen Körper kann durch die in ihm enthaltenen Hohlräume ein Druckausgleich zwischen dem Eingangsbereich 11 und dem Laufrad auf kürzestem Weg, lokal, über den gesamten Bereich des Körpers 251 hergestellt werden, wodurch die Stopfgrenze und die Pumpgrenze verschoben werden, was eine Kennlinienfeldstabilisierung zur Folge hat.

Es ist auch möglich, den porösen Körper 251 aus Kunststoffschaum oder Metallschaum einstückig herzustellen.

Während Fig. 2 einen Radialverdichter zeigt, der Störungen der Hauptströmung an jeder Stelle abbauen kann, zeigt Fig. 3 einen Radialverdichter, der auch Eigenschaften des Verdichters nach Fig. 1 miteinschließt. Es ist ein separater Einlaufring 10 vorgesehen, der wieder mit einem Montagestift oder einer Schraube 12 befestigt ist. Das hat den Vorteil, daß man zur Anpassung des Radialverdichters für verschiedene Anwendungen nur den Einlaufring 10 abstimmen muß, und so der Druck am Eingang des Zirkulationsraums 31 bestimmt ist, wodurch die Charakteristik der Kennfeldstabilisierung einstellbar ist. Weiterhin besteht eine Variante in Fig. 3 gegenüber der Fig. 2 darin, daß eine Einlage 60 in einem hohlraumreichen Körper 351 eingelegt ist. Diese Einlage 60 hat eine ähnliche Funktion und Wirkungsweise, wie der Konturring 26 von Fig. 1. Er legt den Zirkulationsraum 31 fest, und es kann die Funktion des KSM in bestimmten Bereichen gefördert bzw. eingeschränkt werden. Das heißt, Schaffung einer oder mehrerer Vorteilsrichtungen für eine Kanalströmung.

Außerdem liegt mit dem Körper 351, welcher die Einlage 60 einschließt, ein integriertes Teil vor, das eventuell bei speziellen Anforderungen gegen ein anderes Teil mit anderen Strömungseigenschaften ausgewechselt werden kann. Die Erfindung bietet also auch den Vorteil einer variablen Anpassung der Kennfeldstabilisierung und die Optimierung des Arbeitsbereiches eines Radialverdichters für spezielle Anwendungen, ohne daß größere konstruktive Modifikationen vorgenommen werden müssen.

Für Änderungen der Kennfeldstabilisierung zur Abstimmung an unterschiedliche Anwendungen bietet eine Ausführung nach Fig. 4 ebenfalls Vorteile. Die Vorteile des Einlaufrings werden hier durch einen schrägen Einlaufkonus 18 am hohlraumreichen Körper 451 verwirklicht und das gesamte Teil ist mit dem Montagestift oder der Schraube 12 befestigt.

Eine zusätzliche Modifikation ist in Fig. 4 erkennbar. Im Bereich des Diffusors 44 von der Stelle 53 bis zum Diffusorende ist ein weiterer poröser Körper 54 angebracht. Dieser wirkt druckausgleichend im Diffusorbereich, da er durch das in den Poren aufgenommene Fördermittel Überdruck an einem Ort leicht aufnehmen und Unterdruck an einem eventuellen anderen Ort leicht ausgleichen kann. Das heißt, es entsteht eine weniger gestörte Hauptströmung und damit automatisch eine geringere Geräuschentwicklung.

Bei Anwendungen, bei denen auch der Diffusorbereich an die Anwendung des Verdichters angepaßt werden soll, empfiehlt sich eine Konstruktion nach Fig. 5. Hier umfaßt der hohlraumreiche Körper 551 auch den Diffusionsbereich, der in Fig. 4 durch den zusätzlichen Körper 54 aus porösem Material begrenzt war. In Fig. 5 läßt sich jedoch über den gesamten Bereich des Laufrades bis in den Diffusor an jeder Stelle örtlich oder über weite Strecken ein Abbau von Störungen in der Hauptströmung möglich machen. In diesem Beispiel weist der hohlraumreiche Körper 551 drei Einlagen 60, 61 und 62 auf. Diese Einlagen 60, 61, 62 definieren durch ihre Lage und Form die Strömungen im Körper 551 und stellen damit eine große Zahl von Parametern zur Verfügung, mit denen Axialverdichter sowohl im Eingangsbereich als auch im Ausgangsbereich engepaßt werden können. Durch Vergleich von Fig. 5 mit Fig. 6, bei der das Teil 61 durch ein Teil 63 ersetzt ist, sieht man, daß man durch einfache Form- und Lageänderung nun sogar Strömungsanteile zwischen Eingangsbereich und Diffusorausgang direkt über das poröse Material verbinden kann, während eine solche Strömung in Fig. 5 durch das größere Teil 61 nahezu verhindert sit.

Die Vielzahl der genannten Beispiele zeigt nur einen kleinen Teil der Variationsmöglichkeiten auf, die mit der Erfindung möglich sind. Wesentlich ist dabei, daß direkt am Entstehungsort einer Störung in der Hauptströmung diese abgebaut werden kann und dies durch die Anwendung verschiedener poröser Materialien mit den verschiedensten Formen von Einlagen (Fig. 3 bis 6). Es können Verdichtertypen (Baugrößen) so verbessert werden, daß sie für ein breites Anwendungsfeld in Frage kommen. So wird eine Typenvielfalt vermieden, die sonst erforderlich wäre (verschiedene Laufräder, Spiralgehäuse, usw.).

Claims (18)

1. Vorrichtung zur Kennfeldstabilisierung für 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 (49) ein Fördermedium vom Einlaufbereich (11) zum Austrittsbereich (46, 44) befördert, das Laufrad entlang seiner Achse eine Kontur besitzt, die sich von Eintrittsdurchmesser (34) zum Austrittsdurchmesser (48) entsprechend dem Profil der das Laufrad (49) umgebenden Seitenwand (47) verändert, und die Kennlinienstabilisierung einen Zirkulationsraum (31) enthält, der sich vom Einlaufbereich (11) zur Seitenwand (47) erstreckt, wobei der Zirkulationsraum (31) mit der Hauptströmung im Eingangsbereich (11) und mit der Hauptströmung zwischen Laufradeintritt (2) und Laufradaustritt (46) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Zirkulationsraum (31) mit einem hohlraumreichen fördermitteldurchlässigen Material gefüllt ist, oder durch dieses ausgebildet ist.

2. Vorrichtung zur Kennfeldstabilisierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hohlraumreiche Material ein poröses Material oder eine Mischung mit einem porösen Material ist.

3. Vorrichtung zur Kennfeldstabilisierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hohlraumreiche Material wolleartig aus einem faserartigen Gemenge besteht.

4. Vorrichtung zur Kennfeldstabilisierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hohlraumreiche Material eine Mischung oder Schichtung aus verschiedenen porösen oder faserartigen Materialien ist.

5. Vorrichtung zur Kennfeldstabilisierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem hohlraumreichen Material ein kompakter Körper (251, 351, 451, 551, 651) zum Einsatz in den Verdichter geformt ist.

6. Vorrichtung zur Kennfeldstabilisierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaufbereich (11) des Verdichters als konusförmiger Ring (18) ausgebildet ist.

7. Vorrichtung zur Kennfeldstabilisierung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß sich das hohlraumreiche Material bis zum Einlaufbereich der Hauptströmung erstreckt und
daß der konusförmige Ring (18) einstückig am Körper aus hohlraumreichem Material ausgebildet ist.

8. Vorrichtung zur Kennfeldstabilisierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Einlaufbereich (11) ein separater, die Hauptströmung einengender und den Zirkulationsraum (31) gegenüber der Hauptströmung über den Abstand (15) abdeckender Einlaufring (10) befindet.

9. Vorrichtung zur Kennfeldstabilisierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaufring (10) auswechselbar ist.

10. Vorrichtung zur Kennfeldstabilisierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im hohlraumtechnischen Material eine oder mehrere strömungsführende und strömungsbegrenzende Einlagen (61-64) enthalten sind.

11. Vorrichtung zur Kennfeldstabilisierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß auch im Bereich des Diffusors (44) am Strömungsausgang des Verdichters hohlraumreiches Material angeordnet ist.

12. Vorrichtung zur Kennfeldstabilisierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich das hohlraumreiche Material vom Einlaufbereich (11) des Radialverdichters bis zum Endbereich des Diffusors (44) erstreckt.

13. Vorrichtung zur Kennfeldstabilisierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das hohlraumreiche Material geschäumter Kunststoff ist.

14. Vorrichtung zur Kennfeldstabilisierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das hohlraumreiche Material geschäumtes Metall ist.

15. Vorrichtung zur Kennfeldstabilisierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das hohlraumreiche Material ein gasporöses Keramikmaterial ist.

16. Einrichtung zur Kennfeldstabilisierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das hohlraumreiche Material ein Sintermaterial ist.

17. Einrichtung zur Kennfeldstabilisierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das hohlraumreiche Material aus verfestigter Stahlwolle besteht.

18. Einrichtung zur Kennfeldstabilisierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das hohlraumreiche Material aus verfestigter Glaswolle besteht.