EP2513488B1

EP2513488B1 - Turboverdichter

Info

Publication number: EP2513488B1
Application number: EP10795284.8A
Authority: EP
Inventors: Hans-Joachim Ring; Joel Kofi Adomako
Original assignee: Piller Blowers and Compressors GmbH
Current assignee: Piller Blowers and Compressors GmbH
Priority date: 2009-12-16
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2016-07-20
Anticipated expiration: 2030-12-09
Also published as: WO2011082942A3; CN102695881B; HK1171491A1; DE102009054771A1; CN102695881A; EP2513488A2; US20130058762A1; US8926264B2; WO2011082942A2

Description

Die Erfindung betrifft einen Turboverdichter umfassend ein Verdichtergehäuse, in welchem ein eintretender Gasvolumenstrom durch einen Einlasskanal einem Laufradkanal zugeführt wird, im Laufradkanal durch ein Laufrad verdichtet wird und vom Laufradkanal über einen Auslasskanal abgeführt wird, und mit einem im Verdichtergehäuse vorgesehenen, außerhalb des Laufradkanals und des Einlasskanals verlaufenden Strömungsumleitungskanal, welcher mit einer einlassseitigen Öffnung in den Einlasskanal und mit einer laufradseitigen Öffnung in den Laufradkanal mündet und welche in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz zwischen den Öffnungen einen Umleitungsvolumenstrom führt, Turboverdichter umfassend ein Verdichtergehäuse in welchem ein eintretender Gasvolumenstrom durch einen Einlasskanal einem Laufradkanal zugeführt wird, im Laufradkanal durch ein Laufrad verdichtet wird und vom Laufradkanal über einen Auslasskanal abgeführt wird, und mit einem im Verdichtergehäuse vorgesehenen außerhalb des Laufradkanals und des Einlasskanals verlaufenden Strömungsumleitungskanal welcher mit einer einlassseitigen Öffnung in den Einlasskanal und mit einer laufradseitigen Öffnung in den Laufradkanal mündet und welcher in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz zwischen den Öffnungen einen Umleitungsvolumenstrom führt, wobei der Strömungsumleitungskanal ausgehend von der laufradseitigen Öffnung eine sich bis zur einlassseitigen Öffnung vergrößernde Strömungsquerschnittsfläche aufweist, wobei der Strömungsumleitungskanal ausgehend von der laufradseitigen Öffnung eine sich bis zur einlassseitigen Öffnung vergrößernde Strömungsquerschnittsfläche aufweist.
Ein derartiger Turboverdichter ist beispielsweise aus der EP 1 557 568 bekannt.
Ein derartiger Turboverdichter ist nicht im Hinblick auf einen möglichst optimalen Betrieb bei Volumenströmen ausgelegt, die weit unterhalb des für den Auslegungspunkt vorgesehenen Volumenstroms liegen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Turboverdichter der gattungsgemäßen Art derart zu verbessern, dass dieser optimal bei Volumenströmen betrieben werden kann, die weit unter dem für den Auslegungspunkt vorgesehenen Volumenstrom liegen.
Diese Aufgabe wird durch einen Turboverdichter gemäß Anspruch 1 gelöst.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass mit einer derartigen Anordnung, die sich von der laufradseitigen Öffnung bis zu einlassseitigen Öffnung vergrößernden Strömungsquerschnittsfläche ein in dieser Richtung strömender Umleitungsvolumenstrom aufgrund der möglichen Expansion abgebremst wird und dann über die einlassseitige Öffnung, ohne große Turbulenzen zu verursachen, in den durch den Einlasskanal strömenden Gasvolumenstrom eintritt.
Besonders günstig ist es dabei, wenn die Strömungsquerschnittsfläche des Strömungsumleitungskanals sich stetig mit zunehmender Erstreckung desselben von der laufradseitigen Öffnung zur einlassseitigen Öffnung vergrößert, um eine günstige Ausbildung eines Umleitungsvolumenstroms von der laufradseitigen Öffnung zur einlassseitigen Öffnung zur Strömungsstabilisierung im Teillastbetrieb zu erhalten.
Eine besonders vorteilhafte Lösung eines erfindungsgemäßen Turboverdichters sieht vor, dass eine Strömungsquerschnittsfläche der einlassseitigen Öffnung im Bereich zwischen dem 2,5-fachen und dem 3-fachen der Strömungsquerschnittsfläche der laufradseitigen Öffnung liegt.
Bei einer derartigen Dimensionierung der Strömungsquerschnittsfläche ist die gewünschte Verzögerung des Umleitungsvolumenstroms zur Stabilisierung des Teillastbetriebs erreichbar.
Noch besser ist es, wenn die Strömungsquerschnittsfläche der einlassseitigen Öffnung im Bereich zwischen dem 2,3-fachen und dem 2,7-fachen der laufradseitigen Strömungsquerschnittsfläche liegt.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass der Strömungsumleitungskanal durch bezüglich einer Laufradachse in einer Umlaufrichtung nebeneinander angeordnete Kanalsegmente gebildet ist, das heißt, dass der Strömungsumleitungskanal sich nicht in Umlaufrichtung um den Laufradkanal herum durchgehend erstreckt, sondern in derartige einzelne Kanalsegmente unterteilt ist.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Kanalsegmente in der Umlaufrichtung voneinander getrennt sind, so dass dadurch ein im Bereich des Laufrades entstehender Drall nicht durch den Strömungsumleitungskanal hindurch übertragen wird, sondern in dem Strömungsumleitungskanal abgebremst wird, so dass insbesondere aus der einlassseitigen Öffnung des Strömungsumleitungskanals ein drallfreier Umleitungsvolumenstrom austritt.
Eine besonders einfache Lösung der Trennung der Kanalsegmente in Umlaufrichtung ist dann gegeben, wenn die Kanalsegmente durch in Radialebenen zur Laufradachse verlaufende Rippen voneinander getrennt sind.
Auch hinsichtlich der Anordnung der laufradseitigen Öffnung des Strömungsumleitungskanals wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung keine näheren Angaben gemacht.
So sieht eine besonders vorteilhafte Lösung vor, dass die laufradseitige Öffnung des Strömungsumleitungskanals in einem Bereich des Laufradkanals liegt, in welchem sich die Laufradschaufeln bewegen.
Besonders günstig ist es, wenn die laufradseitige Öffnung des Strömungsumleitungskanals im Bereich zwischen einlassseitigen Enden von langen Laufradschaufeln und einlassseitigen Enden von kurzen Laufradschaufeln liegt.
Hinsichtlich der Anordnung der laufradseitigen Öffnung ist es besonders vorteilhaft, wenn die laufradseitige Öffnung des Strömungsumleitungskanals in einer Fläche liegt, die stetig zu einer stromaufwärts dieser Öffnung liegenden Strömungsführungsfläche und einer stromabwärts dieser Öffnung liegenden Strömungsführungsfläche verläuft.
Ferner ist es von Vorteil, wenn die laufradseitige Öffnung des Strömungsumleitungskanals in einer Umlaufrichtung um die Laufradachse umlaufend ausgebildet ist, das heißt, dass sich die laufradseitige Öffnung des Strömungsumleitungskanals um den gesamten Laufradkanal herum erstreckt und somit über den gesamten Umfang der Gasvolumenströmung im Laufradkanal ein Abströmen des Umleitungsvolumenstroms erlaubt.
Gegebenenfalls ist die Öffnung des Strömungsumleitungskanals durch Rippen oder Stege unterbrochen, welche den Strömungsumleitungskanal in einzelne in Umlaufrichtung aufeinanderfolgende Segmente unterteilen.
Hinsichtlich der Anordnung der einlassseitigen Öffnung des Strömungsumleitungskanals wurden bislang keine näheren Angaben gemacht.
So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass die einlassseitige Öffnung des Strömungsumleitungskanals stromaufwärts des Laufrades liegt.
Besonders günstig ist es dabei, wenn die einlassseitige Öffnung des Strömungsumleitungskanals in einem Abstand von den Laufradschaufeln angeordnet ist, der mindestens einer Erstreckung der Laufradschaufeln in Richtung der Laufradachse entspricht.
Weiterhin ist es im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung günstig, wenn die einlassseitige Öffnung des Strömungsumleitungskanals in einer im Wesentlichen parallel zu einer Strömungsrichtung des Gasvolumenstroms im Einlasskanal verlaufenden Fläche liegt.
Das heißt, dass die einlassseitige Öffnung des Strömungsumleitungskanals so angeordnet ist, dass sie den Gasvolumenstrom im Einlasskanal nicht stört, sondern aufgrund ihrer im Wesentlichen parallelen Ausrichtung zu der Strömungsrichtung des Gasvolumenstroms auf diesen keinen oder einen unwesentlichen Einfluss hat.
Besonders günstig ist es hierbei, wenn die einlassseitige Öffnung des Strömungsumleitungskanals in einer Fläche liegt, die stetig zu Strömungsführungsflächen im Einlasskanal stromaufwärts der Öffnung und Strömungsführungsflächen stromabwärts der Öffnung verlaufen. Damit ist sichergestellt, dass die Strömungsführungsflächen den Gasvolumenstrom so an der einlassseitigen Öffnung vorbeiführen, dass dieser im Wesentlichen keine Störung erfährt.
Im einfachsten Fall ist vorgesehen, dass die einlasskanalseitige Öffnung des Strömungsumleitungskanals in einer zu der Laufradachse zylindrischen Fläche liegt.
Eine besonders günstige Lösung sieht ferner vor, dass die einlasskanalseitige Öffnung des Strömungsumleitungskanals bezüglich einer Laufradachse umlaufend ausgebildet ist, das heißt vollständig um den Einlasskanal umläuft und somit in der Lage ist, an allen Außenseiten des Auslasskanals einen Umleitungsvolumenstrom dem Gasvolumenstrom zuzuführen oder aus diesem abzuführen.
Hinsichtlich der Ausbildung des Strömungsumleitungskanals zur Einleitung des Umleitungsvolumenstroms in den Einlasskanal wurden bislang keine näheren Angaben gemacht.
So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass der Strömungsumleitungskanal im Bereich der einlassseitigen Öffnung einen von der laufradseitigen Öffnung kommenden Umleitungsvolumenstrom so weit umlenkt, dass dieser mit einer Strömungsrichtung quer zur Strömungsrichtung des eintretenden Gasvolumenstroms in den Einlasskanal austritt. Hierdurch ist sichergestellt, dass der Umleitungsvolumenstrom mit möglichst geringer Störung dem in den Einlasskanal eintretenden Gasvolumenstrom zugeführt wird.
Besonders günstig ist es hierbei, wenn der Strömungsumleitungskanal Strömungsumlenkflächen aufweist, die den aus dem Strömungsumleitungskanal austretenden Umleitungsvolumenstrom in Richtung quer zu dem in den Einlasskanal eintretenden Gasvolumenstrom umlenken.
Beispielsweise ist vorgesehen, dass der Strömungsumleitungskanal des Turboverdichters so konfiguriert ist, dass dieser im Teillastbereich einen Umleitungsvolumenstrom von der laufradseitigen Öffnung zu der einlassseitigen Öffnung begünstigt.
Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn der Strömungsumleitungskanal so ausgebildet ist, dass dieser im Teillastbetrieb in der Lage ist, mehr als 20% des das Laufrad anströmenden Gasvolumenstroms zu führen.
Dies hat ebenfalls den Vorteil, dass damit die Möglichkeit besteht, den Betrieb des Turboverdichters im Teillastbetrieb bei gegenüber dem Auslegungspunkt signifikant reduzierten Gasvolumenströmen zu betreiben.
Insbesondere ist vorgesehen, dass der Strömungsumleitungskanal einen Teillastbetrieb des Turboverdichters bei Gasvolumenströmen erlaubt, die zwischen 40% des im Auslegungspunkt vorgesehenen Gasvolumenstroms und dem Gasvolumenstrom im Auslegungspunkt liegen.
Im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der einzelnen Ausführungsbeispiele wurde stets davon ausgegangen, dass in dem Strömungsumleitungskanal der Umleitungsvolumenstrom und insbesondere die Richtung des Umleitungsvolumenstroms entsprechend einer Druckdifferenz zwischen der laufradseitigen Öffnung und der einlassseitigen Öffnung einstellt und dass ausschließlich diese Druckdifferenz für die Richtung und die Stärke des Umleitungsvolumenstroms verantwortlich ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Strömungsumleitungskanal durch eine Verschlusseinheit verschließbar ist.
Eine derartige Verschlusseinheit schafft die Möglichkeit, sowohl das Auftreten eines Umleitungsvolumenstroms als auch dessen Stärke und indirekt damit auch dessen Richtung zu beeinflussen.
Damit besteht in einfacher Weise die Möglichkeit, bei der Auslegung des Turboverdichters auch Betriebszustände vermeiden zu können, wobei - obwohl sich ein Umleitungsvolumenstrom in der einen oder anderen Richtung aufgrund der Druckdifferenz einstellen kann - ein derartiger Umleitungsvolumenstrom ganz oder teilweise unterdrückt wird.
Insbesondere ist damit die Möglichkeit geschaffen, einen Umleitungsvolumenstrom von der einlassseitigen Öffnung zur laufradseitigen Öffnung zu unterbinden, wie er insbesondere bei Überlastzuständen oberhalb des Auslegungspunktes oder aber auch am Auslegungspunkt oder nahe des Auslegungspunktes auftreten kann, je nach dem, wie im Detail die Druckverhältnisse in dem Turboverdichter festgelegt werden.
Somit besteht die Möglichkeit, dass selbst im Teillastbereich unmittelbar unterhalb des Auslegungspunktes bei einer Dimensionierung des Turboverdichters, die zu einem Umleitungsvolumenstrom von der einlassseitigen Öffnung zur laufradseitigen Öffnung führen würde, dieser Umleitungsvolumenstrom aber durch die Verschlusseinheit unterdrückt wird.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, dass die Verschlusseinheit ein federbeaufschlagtes Ventilelement aufweist, so dass die Verschlusseinheit selbstständig wirkt und somit beispielsweise dahingehend wirkt, dass sie stets einen Umleitungsvolumenstrom von der laufradseitigen Öffnung zur einlassseitigen Öffnung zulässt, jedoch ein Umleitungsvolumenstrom von der einlassseitigen Öffnung zur laufradseitigen Öffnung unterbindet, unabhängig davon, wie die Druckdifferenz zwischen der einlassseitigen Öffnung und der laufradseitigen Öffnung ist.
Damit besteht die Möglichkeit, den Turboverdichter so auszulegen, dass selbst beispielsweise am Auslegungspunkt oder auch im Teillastbereich unterhalb des Auslegungspunktes eine Druckdifferenz zwischen der einlassseitigen Öffnung und der laufradseitigen Öffnung entsteht, die zu einem Umleitungsvolumenstrom von der einlassseitigen Öffnung zur laufradseitigen Öffnung führen würde, dieser Volumenstrom jedoch selbstständig durch das federbeaufschlagte Ventilelement unterbunden wird.
Beispielsweise ist dabei das federbeaufschlagte Ventilelement als sogenanntes Flatterventil ausgebildet, das heißt durch dünne Metallplättchen gebildet, welche sich zum Öffnen verbiegen können, jedoch beim Schließen in ihrem nicht gebogenen Zustand verbleiben und beispielsweise auf entsprechend vorgesehenen Flächen aufliegen.
Darüber hinaus besteht auch noch die Möglichkeit, die Stärke dieses Umleitungsvolumenstroms je nach den Notwendigkeiten der Druck- und Strömungsverhältnisse in dem Turboverdichter zu steuern.
Insbesondere lassen sich durch geeignete Druckmessungen auch Strömungsinstabilitäten im Turboverdichter erfassen und es besteht auch die Möglichkeit, durch derartige Druckmessungen das Auftreten von Strömungsinstabilitäten zu erfassen und dann entsprechend den Umleitungsvolumenstrom zu steuern.
Beispielsweise ist vorgesehen, die Drehzahl des Laufrads noch zusätzlich zu erfassen, die ein weiterer Parameter dafür ist, inwieweit ein Umleitungsvolumenstrom zur Stabilisierung der Strömung in dem Turboverdichter, insbesondere im Teillastbereich, erforderlich ist oder nicht.
Bei allen Lösungen und Beispielen mit einer Verschlusseinheit besteht somit die Möglichkeit, mehr oder weniger präzise festzulegen, bei welchen Betriebszuständen ein Umleitungsvolumenstrom durch den Strömungsumleitungskanal zugelassen werden soll oder nicht, um die Strömungsverhältnisse in dem Turboverdichter zu stabilisieren und insbesondere ein "Pumpen" zu verhindern.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels.
In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1: einen Längsschnitt durch ein erstes, nicht dem Anspruch 1 unterfallendes Beispiel eines Turboverdichters;
Fig. 2: eine Seitenansicht eines Laufrads des Turboverdichters;
Fig. 3: einen vergrößerten Längsschnitt gemäß Fig. 1 im Bereich eines Einlassgehäuses und eines Laufradgehäuses;
Fig. 4: eine schematische Darstellung einer Verdichterkennlinie bei einem erfindungsgemäßen Turboverdichter;
Fig. 5: eine nochmals weiter vergrößerte Darstellung eines Teils des Laufradgehäuses und des Einlassgehäuses des Turboverdichters von Figur 1 insbesondere im Bereich eines Strömungsumleitungskanals;
Fig. 6: einen Schnitt längs Linie 6-6 in Fig. 3;
Fig. 7: einen Schnitt längs Linie 7-7 in Fig. 3;
Fig. 8: einen Schnitt längs Linie 8-8 in Fig. 3;
Fig. 9: einen Schnitt längs Linie 9-9 in Fig. 3;
Fig. 10: einen Schnitt ähnlich Fig. 5 durch ein zweites, dem Anspruch 1 unterfallendes Beispiel eines Turboverd ichters;
Fig. 11: einen nochmals vergrößerten Schnitt gemäß Fig. 10 im Bereich des Strömungsumleitungskanals;
Fig. 12: einen Schnitt ähnlich Fig. 11 durch ein drittes, nicht dem Anspruch 1 unterfallendes Beispiel eines Turboverdichters;
Fig. 13: einen Schnitt ähnlich Fig. 9 durch das dritte Beispiel;
Fig. 14: einen Schnitt ähnlich Fig. 10 durch ein viertes, nicht dem Anspruch 1 unterfallendes Beispiel eines erfindungsgemäßen Turboverdichters und
Fig. 15: einen Schnitt ähnlich Fig. 11 durch das vierte Beispiel.

Ein in Fig. 1 dargestelltes erstes, nicht dem Anspruch 1 unterfallendes Beispiel eines erfindungsgemäßen Turboverdichters umfasst ein als Ganzes mit 10 bezeichnetes Verdichtergehäuse, welches ein Einlassgehäuse 12, ein Laufradgehäuse 14 und ein Auslassgehäuse 16 umfasst.
Das Einlassgehäuse 10 bildet zumindest zum Teil einen Einlasskanal 22, der im Laufradgehäuse 14 in einen Laufradkanal 24 übergeht und dieser geht wiederum in einen Auslasskanal 26 im Auslassgehäuse 16 über.
In dem Laufradkanal 24 ist ein als Ganzes mit 30 bezeichnetes Laufrad vorgesehen, welches, wie in Fig. 2 dargestellt, einen Nabenkörper 32 umfasst, an welchem Laufradschaufeln 34 und 36 angeordnet sind, wobei die Laufradschaufeln 34 sogenannte lange Laufradschaufeln sind, deren einlasskanalseitige Enden 38 sich in Richtung parallel zu einer Laufradachse 40 weiter stromaufwärts in Richtung des Einlasskanals 22 erstrecken, als einlassseitige Enden 42 der sogenannten kurzen Laufradschaufeln 36.
Angetrieben wird das Laufrad 30 durch einen Antriebsmotor 50, auf dessen Motorwelle 52 das Laufrad 30 mit seinem Nabenkörper 32 aufsitzt, wobei der Nabenkörper 32 auf einer den Laufradschaufeln 34, 36 abgewandten Unterseite mit der Motorwelle 52 verbunden und durch die Motorwelle 52 getragen und geführt ist.
Der Antriebsmotor 50 ist ein typischer hochdrehender Antriebsmotor für einen Turboverdichter, welcher beispielsweise Magnetlager für die Motorwelle 52 aufweist.
Wie in Fig. 3 vergrößert dargestellt, führt der Einlasskanal 22 einen Gasvolumenstrom 58, der sich aufgrund der sich verengenden Einlasskanalquerschnittsfläche mit zunehmender Geschwindigkeit zu dem Laufrad 30 hin ausbreitet und durch dessen Laufradschaufeln 34 und 36 der Gasvolumenstrom 58 im Laufradkanal 24 zunehmend verdichtet wird, wobei der Turboverdichter gemäß der in Fig. 4 dargestellten Verdichterkennlinie arbeitet, die die Druckerhöhung über dem Gasvolumenstrom darstellt.
Dabei erfolgt die Auslegung des Turboverdichters, das heißt insbesondere auch des Laufrades 30 und des Einlasskanals 22, des Laufradkanals 24 und des Auslasskanals 26 bezogen auf einen Auslegungspunkt A der in Fig. 4 dargestellten Verdichterkennlinie, wobei der Auslegungspunkt A bei einem definierten Gasvolumenstrom 58 liegt und durch die Verdichterkennlinie dem Auslegungspunkt A eine entsprechende Druckerhöhung zugeordnet ist.
Der Turboverdichter soll jedoch nicht nur im Bereich des Auslegungspunktes A betrieben werden, sondern auch bei geringeren Gasvolumenströmen 58 betrieben werden können, bei denen, wie sich aus der Verdichterkennlinie ergibt, die Druckerhöhung größer ist als im Auslegungspunkt A und der Gasvolumenstrom 58 jedoch ebenfalls nennenswert geringer ist.
Es besteht aber auch gemäß der Verdichterkennlinie die Möglichkeit, den Turboverdichter bei Gasvolumenströmen zu betreiben, die höher sind als die im Auslegungspunkt, wobei in diesem Fall dann allerdings die Druckerhöhung des Turboverdichters zunehmend abnimmt.
Wird der Turboverdichter bei Gasvolumenströmen betrieben, die niedriger sind als der Gasvolumenstrom im Auslegungspunkt A, so besteht das Problem, dass der Turboverdichter aufgrund von Strömungsinstabilitäten anfängt zu "Pumpen" wobei dieses "Pumpen" durch Strömungsinstabilitäten im Bereich des Laufrades 30 innerhalb des Laufradkanals 24 zustande kommt, die zu einer partiellen Rückströmung des Gasvolumenstroms von dem Laufradkanal 24 in den Einlasskanal 22 führt.
Aus diesem Grund ist ein sich sowohl im Laufradgehäuse 14 als auch im Einlassgehäuse 12 erstreckender Strömungsumleitungskanal 60 vorgesehen, welcher um einen Teilbereich des Einlasskanals 22 und um einen Teilbereich des Laufradkanals 24 jeweils um diese radial außerhalb derselben herum umlaufend angeordnet ist und sich, wie in Fig. 3 dargestellt, von einer laufradseitigen Öffnung 62 zu einer einlassseitigen Öffnung 64 erstreckt, wobei sich in dem Strömungsumleitungskanal 60 ein Umleitungsvolumenstrom 66 ausbildet, dessen Richtung und Größe abhängig von der Druckdifferenz zwischen der laufradseitigen Öffnung 62 und der einlassseitigen Öffnung 64 ist.
Wird beispielsweise, wie in Fig. 5 dargestellt, der Turboverdichter mit einem Gasvolumenstrom 58 betrieben, der niedriger ist als der Gasvolumenstrom 58 im Auslegungspunkt A, das heißt im Teillastbetrieb, so tritt an der laufradseitigen Öffnung 62 des Strömungsumleitungskanals 60 ein höherer Druck auf als er an der einlassseitigen Öffnung 64 vorliegt und somit bildet sich ein Umleitungsvolumenstrom 66a durch den Strömungsumleitungskanal 60 dergestalt aus, dass der Umleitungsvolumenstrom 66a von der laufradseitigen Öffnung 62 zur einlassseitigen Öffnung 64 strömt und dabei durch diese hindurchtritt um in den Einlasskanal 22 einzutreten.
Der Strömungsumleitungskanal 60 wird dabei begrenzt durch eine bezüglich der Laufradachse 40 radial innenliegenden Wand 72 des Laufradgehäuses 14 und des Einlassgehäuses 12 sowie eine radial außenliegende Wand 74 des Laufradgehäuses 14 und des Einlassgehäuses 12, wobei die radial innen liegende Wand 72 noch gleichzeitig einen Endabschnitt 76 des Einlasskanals 22 bildet, der in den Laufradkanal 24 übergeht.
Der Endabschnitt 76 liegt dabei vorzugsweise zwischen der einlassseitigen Öffnung 64 des Strömungsumleitungskanals 60 und dem Nabenkörper 32 des Laufrades 30.
Der Endabschnitt 76 des Einlasskanals 22 geht dabei im Bereich einer Ebene E1, die senkrecht zur Laufradachse 40 verläuft und den Nabenkörper 32 an seinem einlassseitigen oberen Bereich 78 berührt, in den Laufradkanal 24 über.
Ferner liegt der Endabschnitt 76 vorzugsweise zwischen der einlassseitigen Öffnung 64 des Strömungsumleitungskanals 60 und der Ebene E1 und weist eine Strömungsführungsfläche 78 auf, die stetig in eine Fläche 80 übergeht, in welcher die einlassseitige Öffnung 64 liegt.
Außerdem umfasst der Einlasskanal 22 eine Strömungsführungsfläche 81 des bis zu der einlassseitigen Öffnung 64 des Strömungsumleitungskanals 60 geführt ist.
Die in der radial innen liegenden Wand 72 angeordnete laufradseitige Öffnung 62 des Strömungsumleitungskanals 60 liegt dabei in einer Fläche 82, die stetig in eine an die laufradseitige Öffnung 62 stromaufwärts angrenzende Strömungsführungsfläche 84 des Laufradkanals 24 und stromabwärts angrenzenden Strömungsführungsfläche 86 des Laufradkanals 24 übergeht.
Darüber hinaus ist die laufradseitige Öffnung 62 so angeordnet, dass sie in Richtung der Laufradachse 40 zwischen dem einlassseitigen Ende 38 der langen Laufradschaufeln 34 und dem einlassseitigen Ende 42 der kürzeren Laufradschaufeln 36 liegt (Fig. 5).
Dies hat den Grund, dass sich beim Betrieb des Turboverdichters bei einem Gasvolumenstrom 58 der unterhalb des Auslegungspunktes A liegt, unmittelbar stromabwärts der einlassseitigen Enden 38 der Laufradschaufeln 34 Wirbel bilden, die zu dem "Pumpen" aufgrund von Strömungsinstabilitäten beitragen. Diese Wirbel sollen vorzugsweise entfernt werden und aus diesem Grund ist die laufradseitige Öffnung 62 in dem vorstehend benannten Bereich vorgesehen, um die Möglichkeit zu schaffen, die sich bei einem Gasvolumenstrom der niedriger ist als der Gasvolumenstrom beim Auslegungspunkt A, diese sich ausbildenden Wirbel nicht durch den Laufradkanal 24 hindurchströmen zu lassen, sondern seitlich aus dem Laufradkanal 24 radial zur Rotorachse 40 austreten zu lassen.
Wie in Fig. 5 und 6 dargestellt trifft ein durch die laufradseitige Öffnung 62 austretender Umleitungsvolumenstrom 66 auf eine von der radial außenliegenden Wand 74 gebildete Umlenkfläche 90, die den Umleitungsvolumenstrom 66a in Richtung der einlassseitigen Öffnung 64 umlenkt, so dass dieser zwischen der radial innenliegenden Wand 72 und der radial außenliegenden Wand 74 in Richtung der einlassseitigen Öffnung 64 strömt und vor Erreichen der einlassseitigen Öffnung 64 durch eine Umlenkfläche 92, ebenfalls wiederum gebildet von der radial außenliegenden Wand 74, so umgelenkt wird, dass der austretende Umleitungsvolumenstrom 66a eine Strömungsrichtung 96 aufweist, die quer zu einer Strömungsrichtung 100 verläuft, mit welcher der eintretende Gasvolumenstrom 58 sich in dem Einlasskanal 22 in Richtung des Laufrades 30 strömt.
Ein derartiger Umleitungsvolumenstrom 66a tritt dann auf, wenn der Druck an der laufradseitigen Öffnung 62 größer ist als an der einlassseitigen Öffnung 64, so dass aufgrund der Druckdifferenz in den Einlasskanal 22 eintretenden Gasvolumenstrom 58 ein Teil als Umleitungsvolumenstrom 66a in die laufradseitige Öffnung 62 eintritt und über den Strömungsumleitungskanal 60 in die einlassseitige Öffnung 64 strömt.
Die einlassseitige Öffnung 64 ist insbesondere so angeordnet, dass diese in einer geometrischen Fläche 102 liegt, die an eine stromaufwärts liegende Fläche 104 sowie eine stromabwärts liegende Fläche 106 stetig angrenzt und somit keine den Einlasskanal 22 eintretenden Gasvolumenstroms 58 bewirkt. Beispielsweise sind die Flächen 102, 104 und 106 zylindrische Flächen, die koaxial zu der Laufradachse 40 verlaufen.
Ein Strömungszustand im Turboverdichter, bei welchem sich ein für die Ausbildung des Umleitungsvolumenstroms 66a verantwortlicher Betriebszustand einstellt, liegt üblicherweise dann vor, wenn der Gasvolumenstrom 58 niedriger ist als der für den Auslegungspunkt A vorgesehene Gasvolumenstrom 58, so dass bereits einlassseitig des Laufrades 30 mittels der Laufradschaufeln 34 ein Druckaufbau erfolgt, welcher für die Ausbildung des Umleitungsvolumenstroms 66a verantwortlich ist.
Die Ausbildung des Umleitungsvolumenstroms 66a, insbesondere bei Betriebszuständen mit niedrigeren Gasvolumenströmen 58, als für den Auslegungspunkt vorgesehen, wird durch die Anordnung der einlassseitigen Öffnungen 64 des Strömungsumleitungskanals 60 begünstigt, da der über den Einlasskanal 22 eintretende Gasvolumenstrom 58 durch die Anordnung der einlassseitigen Öffnung 64 in der zur Laufradachse 40 koaxialen zylindrischen Fläche 80 keinerlei Stauwirkung und somit keinerlei Druckanstieg in der einlassseitigen Öffnung 64 hervorruft, so dass im Bereich der einlassseitigen Öffnung 64 keine dem Umleitungsvolumenstrom 66 entgegenwirkenden Effekte auftreten.
Außerdem bewirkt die Tatsache, dass der Umleitungsvolumenstrom 66a durch die einlassseitige Öffnung 64 mit einer Strömungsrichtung 96 hindurchtritt, die quer zur Laufradachse 40 verläuft, eine Vermischung dieses Umleitungsvolumenstroms 66a mit dem durch den Einlasskanal 22 eintretenden Gasvolumenstrom 58, so dass beide gemeinsam in den Laufradkanal 24 eintreten, gegebenenfalls noch beschleunigt durch den sich hinsichtlich seines Querschnitts verengenden Endabschnitt 76 des Einlasskanals 22.
Ferner wird die Ausbildung eines derartigen Umleitungsvolumenstroms 66a noch dadurch begünstigt, dass der Strömungsumleitungskanal 60 an seiner einlassseitigen Öffnung 64 eine Strömungsquerschnittsfläche zur Verfügung stellt, die mehr als das 2,5-fache des Strömungsquerschnitts der laufradseitigen Öffnung 62 beträgt und dadurch, dass sich außerdem der Strömungsumleitungskanal 60 von der laufradseitigen Öffnung 62 bis zur einlassseitigen Öffnung 64 stetig vergrößert.
Somit erfolgt ein Abbremsen des Umleitungsvolumenstroms 66a beim Durchströmen des Strömungsumleitungskanals 60 von der laufradseitigen Öffnung 62 bis zur einlassseitigen Öffnung 64, so dass die Strömungsgeschwindigkeit des aus der einlassseitigen Öffnung 64 austretenden Umleitungsvolumenstroms 66a ungefähr der Strömungsgeschwindigkeit des in den Einlasskanal 22 eintretenden Gasvolumenstroms entspricht.
Eine derartige Auslegung des Strömungsumleitungskanals 60 führt dazu, dass der Turboverdichter ausgehend von dem in Fig. 4 dargestellten Auslegungspunkt im Teillastbetrieb noch bei einem Gasvolumenstrom 58 betrieben werden kann, welcher signifikant unter dem Auslegungspunkt A liegt. Beispielsweise ist dabei der Verdichter ohne dass ein Pumpen, das heißt Schwingungen durch Strömungsinstabilitäten in dem Gasvolumenstrom, auftritt, bis zu einem Gasvolumenstrom betreibbar, der bis zu 60% unter dem für den Auslegungspunkt A vorgesehenen Gasvolumenstrom liegt.
Um außerdem in dem Strömungsumleitungskanal 60 eine Strömung mit einer Komponente in einer Umlaufrichtung 110 zu verhindern, ist der Strömungsumleitungskanal 60 in der Umlaufrichtung 110 durch in Radialebenen 111 zur Laufradachse 40 verlaufende Rippen 112 unterteilt, so dass der Strömungsumleitungskanal 60 durch eine Summe von in der Umlaufrichtung 110 aufeinanderfolgenden Kanalsegmenten 114 gebildet ist, die jeweils beidseits durch die Rippen 112 abgeschlossen sind, wodurch der Umleitungsvolumenstrom 66a im Bereich der einlassseitigen Öffnung 64 mit seiner Strömungsrichtung 96 im Wesentlichen keine Komponente mehr in der Umlaufrichtung 110 aufweist und somit im Wesentlichen quer zur Laufradachse 40, insbesondere ungefähr radial zu dieser, in den Einlasskanal 22 eintritt.
Der erfindungsgemäße Turboverdichter kann aber auch, wie in Fig. 4 dargestellt, im Überlastbereich bei Gasvolumenströmen betrieben werden, die über dem Auslegungspunkt A liegen, in diesen Fällen wird bei zunehmend gegenüber dem Auslegungspunkt A größerem Gasvolumenstrom 58 der Druck an der laufradseitigen Öffnung 62 niedriger und somit stellt sich eine Druckdifferenz zwischen der laufradseitigen Öffnung 62 und der einlassseitigen Öffnung 64 ein, die dazu führt, dass der Strömungsumleitungskanal 60 von einem Umleitungsvolumenstrom 66b durchströmt wird, der von der einlassseitigen Öffnung 64 zur laufradseitigen Öffnung 62 strömt, das heißt aus dem durch den Einlasskanal 22 eintretenden Gasvolumenstrom 58 im Bereich der einlassseitigen Öffnung 64 abgezweigt wird, den Strömungsumleitungskanal 60 durchströmt und über die laufradseitige Öffnung 62 in den Laufradkanal 24 eintritt und dort über das Laufrad 30 noch weiter verdichtet wird.
Ein derartiger Umleitungsvolumenstrom 66b wird jedoch durch die Ausrichtung der einlassseitigen Öffnung 64 nicht begünstigt, sondern eher behindert, da ein derartiger Umleitungsvolumenstrom 66b quer zur Laufradachse 40 den Einlasskanal 22 im Bereich der einlassseitigen Öffnung 64 verlassen muss, um in den Strömungsumleitungskanal 60 einzutreten.
Das heißt, dass beim Betrieb des erfindungsgemäßen Turboverdichters im sogenannten Überlastbereich, das heißt bei Gasvolumenströmen 58, die über dem Auslegungspunkt liegen, der Umleitungsvolumenstrom 66b bei der vorliegenden konstruktiven Ausführung des erfindungsgemäßen Turboverdichters nicht begünstigt ist, sondern in Kauf genommen wird.
Insbesondere ist der erfindungsgemäße Turboverdichter am Auslegungspunkt A so ausgelegt, dass an diesem zwischen der einlassseitigen Öffnung 64 und der laufradseitigen Öffnung 62 keine Druckdifferenz auftritt, so dass sich auch kein Umleitungsvolumenstrom 66 ausbildet.
Die Ausbildung eines Umleitungsvolumenstroms 66a setzt bei Reduzierung des Gasvolumenstroms 58, bezogen auf den Gasvolumenstrom 58 am Auslegungspunkt zunächst langsam ein und verstärkt sich mit zunehmender Reduzierung des Gasvolumenstroms 58, so dass der Turboverdichter noch bei einem Gasvolumenstrom 58 ohne zu Pumpen betrieben werden kann, der bei Werten von 40% des Gasvolumenstroms 58 im Arbeitspunkt A liegt. In diesem Fall werden durch den Umleitungsvolumenstrom ungefähr 30% des eintretenden Gasvolumenstroms 58 von der laufradseitigen Öffnung 62 zur einlassseitigen Öffnung 64 zurückgeführt und erneut dem Laufrad 30 zugeführt.
Bei einem zweiten, dem Anspruch 1 unterfallenden Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Turboverdichters, dargestellt in den Fig. 10 und 11, ist dem Strömungsumleitungskanal 60 eine Verschlusseinheit 120 zugeordnet, welche als Flatterventil 122 ausgebildet ist.
Das Flatterventil 122 umfasst ein in dem Einlassgehäuse 12 gehaltenes Lamellenelement 124, wobei das Lamellenelement 124 den Strömungsumleitungskanal 60 verschließt, (durchgezogen gezeichnet) wenn ein Umleitungsvolumenstrom 66b aufgrund der Druckdifferenz auftreten würde, so dass ein Umleitungsvolumenstrom 66b nicht auftreten kann.
Sind dagegen die Druckverhältnisse so, dass ein Umleitungsvolumenstrom 66a auftritt, so öffnet das Lamellenelement 124 und lässt einen derartigen Umleitungsvolumenstrom 66a zu (gestrichelt gezeichnet).
Damit besteht bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel die Möglichkeit, den Turboverdichter auch so auszulegen, dass im Auslegungspunkt A ein unerwünschter Umleitungsvolumenstrom 66b aufgrund der Druckdifferenz auftreten würde, jedoch durch das Flatterventil 122 selbsttätig verhindert wird und nur im Teillastbereich der erwünschte Umleitungsvolumenstrom 66a auftreten kann.
Bei einem dritten, nicht dem Anspruch 1 unterfalfenden Beispiel, dargestellt in den Fig. 12 und 13, umfasst die Verschlusseinheit 120' zwei übereinander angeordnete Verschlussringe 132 und 134 von denen jeder eine Vielzahl von Ringsegmenten aufweist, wobei Verschlusssegmente 136 und Durchbruchsegmente 138 einander abwechseln.
Die Verschlussringe 132, 134 können beispielsweise durch Drehen des Verschlussrings 134 so zueinander gedreht werden, dass die Verschlusssegmente 136 des einen Verschlussrings 134 die Durchbruchsegmente 138 des anderen Verschlussrings 132 abdeckt, oder so zueinander gedreht werden, dass die Verschlusssegmente 136 und die Durchbruchsegmente 138 beider Verschlussringe 132, 134 übereinander liegen, so dass durch die übereinander liegenden Durchbruchsegmente ein Umleitungsvolumenstrom 66 hindurchtreten kann.
Damit besteht die Möglichkeit, in bestimmten Betriebszuständen einen Umleitungsvolumenstrom 66 zuzulassen oder zu unterbinden.
Insbesondere wird im Teillastbetrieb ein Umleitungsvolumenstrom 66a zugelassen werden und im Betrieb nahe dem Auslegungspunkt A oder über dem Auslegungspunkt A ein Umleitungsvolumenstrom 66b unterbunden werden.
Vorzugsweise ist die Stellung des Verschlussrings 134 relativ zum Verschlussring 132 mit einer Steuerung 140 und einem Stellantrieb 142 steuerbar, so dass beispielsweise abhängig von der Steuerung 140 beispielsweise über Sensoren erfassten Druckdifferenz zwischen der einlassseitigen Öffnung 64 und der laufradseitigen Öffnung 62 eine Steuerung des Umleitungsvolumenstroms 66 auch noch hinsichtlich seiner Stärke entsprechend den Druck- und Strömungsverhältnissen sowie Strömungsinstabilitäten sowie gegebenenfalls der Drehzahl des Laufrads erfolgen kann.
Bei einem vierten, nicht dem Anspruch 1 unterfallenden Beispiel eines erfindungsgemäßen Turboverdichters, dargestellt in Fig. 14 und 15, ist in dem Einlassgehäuse 12, beispielsweise an den zylindrischen Fläche 104 geführt, eine Schieberhülse 150 als Verschlusseinheit 120" vorgesehen, welche - wie in Fig. 14 dargestellt - von der einlassseitigen Öffnung 64 weg in Richtung entgegengesetzt zum Laufrad 30 bewegbar ist, um die einlassseitige Öffnung 64 freizugeben, oder in Richtung des Laufrads 30 bewegbar ist, um die einlassseitige Öffnung 64 sukzessive zu verschließen, wobei die die einlassseitige Öffnung 64 verschließende Stellung in Fig. 15 dargestellt ist.
Auch die Schieberhülse 150 ist vorzugsweise durch den Stellantrieb 142' und die Steuerung 140' in Abhängigkeit von Druck- und Strömungsverhältnissen in Turboverdichter steuerbar, wie im Zusammenhang mit dem dritten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Im Übrigen sind bei dem zweiten Ausführungsbeispiel bzw. beim dritten und vierten Beispiel für dieselben Teile dieselben Bezugszeichen wie beim ersten Beispiel verwendet, so dass auf die Ausführungen zum ersten Beispiel vollinhaltlich Bezug genommen wird.

Claims

Turboverdichter umfassend ein Verdichtergehäuse (10) in welchem ein eintretender Gasvolumenstrom durch einen Einlasskanal (22) einem Laufradkanal (24) zugeführt wird, im Laufradkanal (24) durch ein Laufrad (30) verdichtet wird und vom Laufradkanal (24) über einen Auslasskanal (26) abgeführt wird, und mit einem im Verdichtergehäuse (10) vorgesehenen außerhalb des Laufradkanals (24) und des Einlasskanals (22) verlaufenden Strömungsumleitungskanal (60) welcher mit einer einlassseitigen Öffnung (64) in den Einlasskanal (22) und mit einer laufradseitigen Öffnung (62) in den Laufradkanal (24) mündet und welcher in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz zwischen den Öffnungen einen Umleitungsvolumenstrom (66) führt, wobei der Strömungsumleitungskanal (60) ausgehend von der laufradseitigen Öffnung (62) eine sich bis zur einlassseitigen Öffnung (64) vergrößernde Strömungsquerschnittsfläche aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsumleitungskanal (60) durch eine ein federbeaufschlagtes Ventilelement (124) umfassende Verschlusseinheit (120) zum Unterbinden eines Umleitungsvolumenstroms (66b) von der einlassseitigen Öffnung (64) zur laufradseitigen Öffnung (62) verschließbar ist.
Turboverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsumleitungskanal (60) durch bezüglich einer Laufradachse (40) in einer Umlaufrichtung (110) nebeneinander angeordnete Kanalsegmente (114) gebildet ist.
Turboverdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalsegmente (114) in der Umlaufrichtung (110) voneinander getrennt sind.
Turboverdichter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalsegmente (114) durch in Radialebenen (111) zur Laufradachse (40) verlaufende Rippen (112) voneinander getrennt sind.
Turboverdichter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die laufradseitige Öffnung (62) des Strömungsumleitungskanals (60) in einem Bereich des Laufradkanals (24) liegt, in welchem sich die Laufradschaufeln (34, 36) bewegen.
Turboverdichter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die laufradseitige Öffnung (62) des Strömungsumleitungskanals (60) im Bereich zwischen einlassseitigen Enden (38) von langen Laufradschaufeln (34) und einlassseitigen Enden (42) von kurzen Laufradschaufeln (36) liegt, wobei sich die einlassseitigen Enden der langen Laufradschaufeln (34) in Richtung parallel zur Laufradachse (40) weiter stromaufwärts in Richtung des Einlasskanals (22) erstrecken, als einlassseitige Enden (42) der kurzen Laufradschaufeln (36).
Turboverdichter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die laufradseitige Öffnung (62) des Strömungsumleitungskanals (60) in einer Fläche (82) liegt, die stetig zu einer stromaufwärts dieser Öffnung (62) liegenden Strömungsführungsfläche (84) und einer stromabwärts dieser Öffnung (62) liegenden Strömungsführungsfläche (86) verläuft.
Turboverdichter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die laufradseitige Öffnung (62) des Strömungsumleitungskanals (60) in einer Umlaufrichtung (110) um die Laufradachse (40) umlaufend ausgebildet ist.
Turboverdichter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einlassseitige Öffnung (64) des Strömungsumleitungskanals (60) stromaufwärts des Laufrads (30) liegt.
Turboverdichter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einlassseitige Öffnung (64) des Strömungsumleitungskanals (60) in einer sich im Wesentlichen parallel zu einer Strömungsrichtung (100) des Gasvolumenstroms (58) im Einlasskanal (22) verlaufenden Fläche (80) liegt.
Turboverdichter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einlassseitige Öffnung (64) des Strömungsumleitungskanals (60) bezüglich einer Laufradachse (40) umlaufend ausgebildet ist.
Turboverdichter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsumleitungskanal (60) im Bereich der einlassseitigen Öffnung (64) einen von der laufradseitigen Öffnung (62) kommenden Umleitungsvolumenstrom (66a) soweit umlenkt, dass dieser mit einer Strömungsrichtung (96) quer zur Strömungsrichtung (100) des eintretenden Gasvolumenstroms (58) in den Einlasskanal (22) austritt.
Turboverdichter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsumleitungskanal (60) so konfiguriert ist, dass dieser im Teillastbetrieb einen Umleitungsvolumenstrom (66a)von der laufradseitigen Öffnung (62) zu der einlassseitigen Öffnung (64) begünstigt.
Turboverdichter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsumleitungskanal (60) so ausgebildet ist, dass dieser im Teillastbetrieb in der Lage ist, mehr als 20% der das Laufrad (30) anströmenden Gasvolumenstroms (58) zu führen.
Turboverdichter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsumleitungskanal (60) einen Teillastbetrieb des Turboverdichters bei Gasvolumenströmen (58) erlaubt, die zwischen 40% des im Auslegungspunkt (A) vorgesehenen Gasvolumenstromes (58) und dem Gasvolumenstrom (58) im Auslegungspunkt (A) liegen.