DE69211441T2 - Kreiselverdichter - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft im allgemeinen eine Turbokompressor- Vorrichtung und insbesondere eine Vorrichtung, um ein Fluid in einem Turbokompressor mit einem relativ hohen Wirkungsgrad und über einen wesentlichen Betriebsbereich zu komprimieren.
• Bei einem Turbokompressor ist es erwünscht, die kinetische Energie des Gases, welches aus dem Flügelrad austritt, in potentielle Energie oder statischen Druck umzuwandeln. Dies wird üblicherweise mittels eines Diffusors zustande gebracht, der entweder eine fixe oder eine einstellbare Geometrie haben kann. Der Diffusor mit fixer Geometrie kann aus einem schaufelfreien Typ bestehen, oder er kann aus einem Typ mit fixer Leitschaufel bestehen. Ein Diffusor mit einstellbarer Geometrie kann aus irgend einem Typ mit oder ohne Leitschaufel bestehen und die Form eines Drosselringes, wie in U.S. Patent 4 219 305 gezeigt, das dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung übertragen wurde, einer beweglichen Wand, wie in U.S. Patent 4 527 949 gezeigt, das dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung übertragen wurde, annehmen, oder drehbare Leitschaufeln enthalten, wie in U.S. Patent 4 378 194 gezeigt, das dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung übertragen wurde. Alle diese verschiedenen Typen von Diffusoren haben bestimmte Betriebseigenschaften, die dazu neigen, ihre Verwendung unter bestimmten Betriebsbedingungen zu favorisieren oder von ihrer Verwendung abzuraten.
• Für Turbo-Kältekompressoren, die in Klimaanlagen verwendet werden, ist es normalerweise erforderlich, dass sie ununterbrochen zwischen Bedingungen mit Vollast und Bedingungen mit Teillast (z.B. 10 Prozent der Leistungsfähigkeit) laufen. Bei dieser Bedingung mit 10% strömung erfordert die Klimaanlage weiterhin ein relativ hohes Druckverhältnis (d.h. von 50-80% des Druckverhältnisses bei Vollast) vom Kompressor. Dieses Erfordernis stellt eine extreme Anforderung an die Fähigkeit für einen stabilen Betriebsbereich des Turbokompressors. Deshalb sind Turbokompressoren typischerweise mit einer Vorrichtung für eine variable Einlassgeometrie (d.h. Einlass- Leitschaufeln) versehen, um ein vorzeitiges Pumpen des Kompressors, das durch einen strömungsabriss beim Flügelrad verursacht wird, zu verhindern. Drehbare Einlass-Leitschaufeln sind fähig, den Eintrittswinkel der Strömung beim Flügelrad unter Bedingungen mit Teillast zu reduzieren, wodurch ein stabiler Kompressorbetrieb bei viel kleinerer Leistung möglich ist.
• Zusätzlich zur Instabilität, die durch ein bestimmtes Flügelrad und seine Einlasskonstruktion herbeigeführt werden kann, kann auch der Diffusor die Ursache für Instabilität unter Bedingungen mit Teillast sein. Von allen Typen von Diffusoren stellt im allgemeinen ein schaufelfreier Typ den breitesten Betriebsbereich bereit, weil er eine grosse Vielfalt von Strömungswinkeln verarbeiten kann, ohne ein Pumpen im gesamten Kompressors auszulösen. Wenn eine variable Geometrie, wie oben besprochen, zu solch einem schaufelfreien Diffusor hinzugefügt wird, kann eine weitere Stabilität erhalten werden, aber solche Merkmale tragen wesentlich zur Komplexität und zu den Kosten eines Systems bei.
• Typischerweise gehören zum breiteren Betriebsbereich eines schaufelfreien Diffusors wesentlich tiefere Wirkungsgrade, wegen der bescheidenen Druckrückgewinnung im Diffusor. Auf der anderen Seite erlaubt ein Diffusor mit Leitschaufeln höhere Wirkungsgrade, aber er weist im allgemeinen einen wesentlich kleineren stabilen Betriebsbereich auf. Um diesen Betriebsbereich zu vergrössern, kann irgend ein Typ von variabler Diffusorgeometrie zum Diffusor mit Leitschaufeln hinzugefügt werden, um ein Pumpen zu verhindern, wenn unter nicht geplanten Bedingungen gearbeitet wird, um dadurch einen relativ hohen Wirkungsgrad über einen breiten Betriebsbereich zu erhalten. Eine solche Struktur ist aber wiederum relativ teuer.
• Ein Typ von Diffusor mit fixer Geometrie, von dem gezeigt wurde, das er einen aussergewöhnlich viel höheren Wirkungsgrad hat, ist der Diffusortyp mit einer fixen Leitschaufel oder einem fixen Kanal, der die Form eines Diffusors mit einer Leitschaufelinsel oder einem Keil, wie in U.S. Patent 4 368 005 gezeigt, oder einer sogenannten Röhrendiffusor-Konstruktion, wie in U.S. Patent 3 333 762 gezeigt, annehmen kann. Der letztgenannte Typ wurde für die Verbesserung des wirkungsgrades unter Bedingungen von Überschallströmungen, wie sie in Gasturbinenkompressoren mit hohem Druckverhältnis auftreten, entwickelt. Wie bei anderen zuvor besprochenen Kompressordiffusoren mit Leitschaufeln werden höhere Wirkungsgrade erhalten, aber sie bringen normalerweise einen zugehörigen engen stabilen Betriebsbereich mit sich, was für den Gasturbinenkompressor nicht wichtig ist, was aber bei der Betrachtung von Anwendungen für Turbokühler eine wesentliche Bedeutung hat, wie zuvor besprochen wurde.
• FR-A-2 315 609 offenbart einen Gasturbinenmotor mit einer einzigen Welle, der einen Kompressor umfasst, der einen Diffusor mit einem Kanal enthält, bei welchem die längs verlaufenden Mittellinien der Kanäle einen Keilwinkel von 15 Grad bilden.
• In US-A-4 302 150 wird ein Turbokompressor gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschrieben. Insbesondere wurde in der oben erwähnten US-A-4 302 150 ein Röhrendiffusor verwendet, wahrscheinlich um höhere Wirkungsgrade zu erhalten, wobei der zugehörige enge Betriebsbereich durch die Einführung eines sogenannten schaufelfreien Zwischenraumes für Diffusoren zwischen dem äusseren Umfang des Flügelrades und dem Eingang zum Diffusor verbreitert wird. Die vergrösserte Stabilität einer solchen Konstruktion ist jedoch minimal und tritt nur beim Betrieb unter Bedingungen mit Vollast (d.h., keine Einlass-Leitschaufeln) ein. Des weiteren verringert der grössere schaufelfreie Zwischenraum für Diffusoren die Förderkapazität des Kompressors unter Bedingungen mit Teillast. Darüber hinaus neigt die Einführung eines relativ grossen schaufelfreien Zwischenraumes dazu, den Spitzenwirkungsgrad näher zum Punkt des Pumpens zu bewegen, eine Betriebsbedingung, die für einen sicheren Betrieb des Kompressors nicht toleriert werden kann.
• Zusätzlich zu den Betrachtungen der Konstruktion des Diffusors, wie sie oben besprochen wurden, können auch Merkmale der Konstruktion des Flügelrades ausgewählt werden, um im allgemeinen den Wirkungsgrad und den Betriebsbereich zu optimieren. Während im allgemeinen verstanden wird, dass der Wirkungsgrad des Flügelrades seine Spitze erreicht, wenn sich der Austrittswinkel β2 seiner Schaufel 45 Grad (gemessen in tangentialer Richtung) nähert, wird im allgemeinen auch verstanden, dass bis zu einem gewissen Punkt der Betriebsbereich eines Turbokompressors zunimmt, wenn der Austrittswinkel β2 der Schaufel des Flügelrades abnimmt. Für ein gegebenes Verhältnis zwischen der relativen Einlassgeschwindigkeit und der relativen Austrittsgeschwindigkeit eines Flügelrades wird das Verkleinern des Austrittswinkels β2 der Schaufeln des Flügelrades (d.h. das Vergrössern der Zurückbiegung) den Austrittswinkels β2 der absoluten Strömung, die das Flügelrad verlässt, verkleinern. Wenn dieser Winkel α&sub2; zu stark verkleinert wird, neigen jedoch die radialen Druckgradlenten in der Nähe des Umfanges des Flügelrades dazu, eine Teilung der Strömung zu bewirken, und der Betriebsbereich wird somit enger. Deshalb wird in der Praxis bei Flügelrädem von Turbokühlern der Austrittswinkel α&sub2; der absoluten Strömung aus dem Flügelrad normalerweise so gewählt, dass er innerhalb des Bereiches von 20 bis 40 Grad liegt. Des weiteren wurde bisher im allgemeinen verstanden, dass das Verkleinern des Austrittswinkels α&sub2; der Strömung aus dem Flügelrad unter 20 Grad gezwungenermassen zu einer Teilung der Strömung und einem engeren Betriebsbereich führen würde. Deshalb wurde die Verwendung von Flügelrädem mit solchen Austrittswinkeln der Strömung vermieden.
• Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Turbokompressor-Vorrichtung auf eine solche Weise bereit zu stellen, dass ein hoher Wirkungsgrad über einen weiten stabilen Betriebsbereich erhalten wird.
• Diese Aufgabe wird beim Kompressor gemäss der Erfindung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 vollbracht.
• Kurz gesagt, wird gemäss einem Aspekt der Erfindung ein Diffusor vom Typ mit einer fixen Leitschaufel oder einem Kanal mit einer relativ kleinen Anzahl von Kanälen versehen, um dadurch den "Keilwinkel" zwischen ihnen zu maximieren. Das zugehörige Flügelrad wird seinerseits so konstruiert, dass sein Austrittswinkel der Strömung relativ klein ist. Die Kombination des relativ grossen Keilwinkels mit dem relativ kleinen Austrittswinkel der Strömung erlaubt einen relativ grossen Eintrittswinkel, ohne eine Teilung der Strömung und eine Verschlechterung des Betriebsbereiches zu verursachen.
• Unter einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst der Diffusor eine Reihe von konischen Kanälen, die Mittellinien haben, welche sich im wesentlichen tangential zum äusseren Umfang des Flügelrades erstrecken. Die Kanalstruktur selbst bringt verbesserte Wirkungsgrade mit sich, und die tangentiale Anordnung der Kanäle bezüglich dem Flügelrad vergrössert die Leistungseigenschaften des Systems weiter.
• Gemäss einem anderen Aspekt der Erfindung ist das Flügelrad so konstruiert, dass sein Austrittswinkels α&sub2; der absoluten Strömung unterhalb von 20 Grad gehalten wird. Dies wird in einer Form durch die Verwendung von nach hinten gebogenen Leitschaufeln vollbracht. Eine Teilung der Strömung, die sonst stattfinden könnte, wird dann dadurch verhindert, dass der zugehörige Keilwinkel α&sub2; zwischen den benachbarten Kanälen des Diffusors oberhalb von 15 Grad gehalten wird. Auf diese Art wird sowohl ein hoher Wirkungsgrad als auch ein weiter stabiler Betriebsbereich erhalten.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein schaufelfreier Zwischenraum zwischen dem äusseren Umfang des Flügelrades und dem Kreis aus Vorderkanten, der durch die Vorderkanten der Keile definiert wird, in seiner radial Tiefe begrenzt, um dadurch die Wahrscheinlichkeit einer Teilung der Strömung im schaufelfreien Zwischenraum zu verkleinern. Insbesondere wird die radiale Abmessung so begrenzt, dass sie den Durchmesser der Engstelle der Kanäle nicht übersteigt.
• In den nachfolgend beschriebenen Zeichnungen wird eine bevorzugte Ausführungsform dargestellt; es können jedoch verschiedene andere Modifikationen und alternative Konstruktionen gemacht werden.
• Figur 1 ist eine graphische Darstellung einer Leistungskarte für einen Turbokompressor mit fixer Geschwindigkeit und einer variablen Geometrie der Einlass-Leitschaufeln im Vergleich mit derjenigen für eine fixe Geometrie des Diffusors der vorliegenden Erfindung.
• Figur 2 ist eine teilweise geschnittene axiale Ansicht eines Turbokompressors, bei dem die vorliegende Erfindung verwirklicht ist.
• Figur 3 ist eine radiale Ansicht der Partien des Diffusors und des Flügelrades davon.
• Figuren 4 und 5 sind radiale Ansichten des Flügelrades der vorliegenden Erfindung, welche die Wirkung der Zurückbiegung auf den Austrittswinkel α&sub2; der absoluten Strömung zeigen.
• Figuren 6 und 7 sind axiale Querschnitte der Schaufeln, welche die Wirkung der Zurückbiegung des Flügelrades auf die Höhe β2 der Schaufeln des Flügelrades beim Austritt zeigen.
• Figuren 8 und 9 zeigen die Flexibilität der vorliegenden Erfindung beim Anpassen an verschiedene Strömungsraten ohne eine Teilung bei der Vorderkante des Diffusors.
• In Bezug nun auf die Figur 1 wird eine Vielzahl von Kurven auf einer Leistungskarte gezeigt, die verschiedene Konfigurationen von Turbokompressoren mit unterschiedlichen Positionen der Einlass- Leitschaufeln im Vergleich mit der fixen Geometrie des Diffusors der vorliegenden Erfindung darstellen. Um die Bedeutung der vorliegenden Erfindung zu verstehen, ist es wünschenswert, einige der Leistungseigenschaften von bestehenden Systemen zu betrachten.
• Turbokompressoren mit Diffusoren mit Leitschaufeln (wie Diffusoren, die Leitschaufeln in Tragflügelform, Leitschaufeln mit einer einheitlichen Dicke, Leitschaufelinseln oder konische Röhren verwenden) haben höhere Wirkungsgrade als Kompressoren mit schaufelfreien Diffusoren und sind deshalb sehr attraktiv, aber sie haben auch einen kleineren stabilen Betriebsbereich und benötigen deshalb teuere und komplizierte Vorrichtungen und Steuerungsschemen für eine variable Diffusorgeometrie, um ein Pumpen bei nicht geplanten Bedingungen zu verhindern. Bei der Betrachtung der Definition des stabilen Betriebsbereichs als:
• stabiler Betriebsbereich = gedrosselter Massenfluss - Pumpmassenfluss/gedrosselter Massenfluss
• wobei gedrosselter Massenfluss = maximaler Fluss, wenn die Strömung bei der Engstelle die Schallgeschwindigkeit erreicht (dargestellt durch Kurve 1)
• Pumpmassenfluss = minimaler oder Pumpfluss, der die tiefste stabile Betriebsbedingung beim Kompressor darstellt (dargestellt durch die Kurven C oder D)
• kann dargelegt werden, dass gut entworfene Turbokompressoren mit einem mittleren Druckverhältnis (d.h. 2.5 to 1 bis 5 zu 1) und schaufelfreien Diffusoren einen stabilen Betriebsbereich von 30% haben konnen, wogegen ein Turbokompressor mit einem ähnlichen Druckverhältnis und irgend einem Typ von Diffusor mit Leitschaufeln im besten Falle auf einen stabilen Betriebsbereich von 20% begrenzt ist.
• Viele Anwendungen von Turbokompressoren erfordern Teillast- Eigenschaften, bei denen das Druckgefälle oder das Druckverhältnis weniger schnell fällt als die Strömungsrate Die Kurve A in der Figur 1 zum Beispiel stellt eine typische Lastlinle eines wassergekühlten Kühlers dar. In der Praxis ist bei wassergekühlten Kühlem sogar eine noch bessere Leistungsfähigkeit für das Strömungsgefälle bei Teillast erforderlich, weil Abweichungen von der typischen Lastlinie A nicht ungewöhnlich sind. Die Kurve B in der Figur 1 ist zum Beispiel eine typische Lastlinle eines wassergekühlten Kühlers unter Betriebsbedingungen mit unterschiedlicher Leistung und einem konstanten Temperaturanstieg.
• Turbokompressoren mit Leitschaufeln und variabler Einlassgeometrie und Steuerungsvorrichtungen nur für Teillast sind nicht fähig, das erforderliche Druckgefälle bei anderen Bedingungen ausser den geplanten bereit zu stellen. Der begrenzte Bereich bei Vollast hat auch einen begrenzten Bereich unter Teillast-Bedingungen zur Folge. Das Endresultat ist eine steile Pumplinle auf der Leistungskarte des Kompressors, wie sie bei der Linie C in der Figur 1 gezeigt wird. Im Gegensatz dazu wird in der Kurve D der Figur 1 die Leistungskarte eines Turbokompressors gezeigt, der gemäss der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Es ist zu erkennen, dass zusätzlich zum hohen wirkungsgrad (der 85% übersteigt) ein sehr weiter stabiler Betriebsbereich (d.h. über 35%) dargestellt wird. Diese Pumplinie, welche die Anforderungen bei Bedingungen der strengsten Lastlinie (d.h. konstanter Temperaturanstieg beim Betrieb eines wassergekühlten Kühlers) übertrifft, wird mit einer fixen Diffusorgeometrie und mit nur einer Vorrichtung für eine variable Geometrie, d.h. den variablen Einlass-Leitschaufeln, erhalten. Die besondere Struktur eines Turbokompressors, der die vorliegende Erfindung enthält, wird nun beschrieben werden.
• In Bezug auf die Figuren 2 und 3 wird die Erfindung im allgemeinen bei 10 gezeigt, wie sie eine besondere Konfiguration eines Röhrendiffusors 11 in Verbindung mit einem Flügelrad 12 umfasst, die in einem sonst konventionellen Turbokompressor eingebaut sind, der eine Spiralstruktur 13, ein Ansauggehäuse 14, eine Schaufelkranzanordnung 16, Einlass-Leitschaufeln 17 und eine Abdeckung 18 hat. Das Flügelrad 12 ist auf einer Antriebswelle 19 montiert, zusammen mit einem Spitzenstück 21. Wenn die Einrichtung mit grosser Geschwindigkeit gedreht wird, zieht sie Kühlmittel in das Ansauggehäuse 14 hinein, an den Einlass-Leitschaufeln 17 vorbei und in den Durchgang 22 hinein, wo es durch das Flügelrad 12 komprimiert wird. Es geht dann durch den Diffusor 11 hindurch, dessen Funktion darin besteht, dass er die kinetische Energie in Druckenergie umwandelt. Das ausgeströmte Kühlmittel geht dann in den Hohlraum 23 der Spirale 13 hinein, und dann weiter zum Kühler (nicht gezeigt).
• In Bezug nun auf die Figur 3 wird das Flügelrad 12 detaillierter gezeigt, wie es eine Nabe 24, eine integral verbundene und sich radial erstreckende Scheibe 26, und eine Vielzahl von Schaufeln 27 umfasst. Es ist zu sehen, dass die Schaufeln 27 in einer sogenannten nach hinten gebogenen Konfiguration angeordnet sind, was ein wesentliches Merkmal von einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, wie nachfolgend vollständiger beschrieben werden wird.
• Der Röhrendiffusor wird in der Figur 2 in seiner installierten Position gezeigt, und in der Figur 3 nur in Verbindung mit dem Flügelrad 12. Er umfasst ein einziges, ringförmiges Gussstück, welches nahe seiner radial äusseren Partie mit einer Vielzahl von Schrauben 28 an der Spiralstruktur 13 befestigt ist. Im Diffusor 11 ist eine Vielzahl von dem Umfang entlang angeordneten, im allgemeinen radial verlaufenden, kegelförmigen Kanälen 31 ausgebildet, wobei ihre Mittellinien 32 tangential zu einem gemeinsamen Kreis sind, der im allgemeinen bei 30 angezeigt wird und üblicherweise als Tangentialkreis bezeichnet wird, und der mit dem Umfang des Flügelrades 12 zusammenfällt.
• Ein zweiter Kreis, der knapp ausserhalb des Tangentialkreises angeordnet ist, wird als Kreis der Vorderkanten bezeichnet und wird in der Figur 3 bei 33 angezeigt. Der Kreis der Vorderkanten geht definitionsgemäss durch die Vorderkanten von jeder der keilförmigen Inseln 34 zwischen den Kanälen 31. Der radiale Zwischenraum zwischen dem Umfang des Flügelrades 12 und dem Kreis 33 der Vorderkanten ist ein schaufelfreier/halb schaufelfreier Zwischenraum, dessen radiale Tiefe gemäss der vorliegenden Erfindung begrenzt ist, um den Betriebsbereich des Systems zu auszuweiten. Das heisst, der Anmelder hat herausgefunden, dass, um eine Teilung der Strömung im schaufelfreien Zwischenraum 25 zu verhindern, diese radiale Abmessung kleiner sein sollte als der Durchmesser der Engstelle der kegelförmigen Kanäle 31. Dieser schaufelfreie/halb schaufelfreie Zwischenraum 25, welcher der Einfachheit halber als "schaufelfreier" Zwischenraum bezeichnet werden wird, wird in der U.S. Patentanmeldung Nr. 605 619, eingereicht am 30. Oktober 1990 (US-A- 5 131 142, US-A-5 252 027), übertragen an den Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung, vollständiger beschrieben.
• Wie in der Figur 3 zu sehen ist, hat jeder der kegelförmigen Kanäle 31 drei in Serie miteinander verbundene Abschnitte, die alle konzentrisch zur Achse 32 liegen, wie bei 35, 36 und 37 angezeigt wird. Der erste Abschnitt 35, der die oben erwähnte "Engstelle" umfasst, hat eine zylindrische Form (d.h. mit einem konstanten Durchmesser) und ist unter einem solchen Winkel angeordnet, dass ein Vorsprung von ihm Vorsprünge von identischen Abschnitten aufirgend einer Aussenseite von ihm kreuzen würde. Ein zweiter Abschnitt, der bei 36 angezeigt wird, hat ein geringfügig konisch erweitertes axiales Profil, wobei die Wände 38 unter einem Winkel bezüglich der Achse 32 nach aussen angeordnet sind. Ein Winkel, der sich als geeignet herausgestellt hat, ist 2º. Der dritte Abschnitt 37 hat ein axiales Profil, das noch weiter konisch erweitert ist, wobei die Wände 39 unter einem Winkel, der im Bereich von 4º liegt, angeordnet sind. Ein solches Profil mit zunehmender Fläche gegen die äusseren Enden der Kanäle 31 hin ist typisch für den Grad der Zerstreuung, der im Diffusor 11 bewirkt wird und durch die Gleichung
• Flächenverhältnis = Fläche am Ausgang des Kanals/Fläche am Eingang des Kanals
• quantifiziert wird, wobei die Fläche am Ausgang des Kanals normal zur Achse am Ort, der in der Figur 3 bei A identifiziert wird, genommen wird.
• In der Figur 3 wurde gesehen, dass die Bildung des kegelförmigen Kanals 31 die kegelförmigen Abschnitte oder Kelle 34 dazwischen zur Folge hat. Es ist auch klar, dass, je mehr kegelförmige Kanäle 31 im Diffusor ausgebildet werden, desto kleiner der Winkel γ der Kelle 34 sein wird. Der in der Figur 3 gezeigte besondere Diffusor 11 hat 16 kegelförmige Kanäle in sich ausgebildet, so dass der Winkel γ dann gleich 22 ½º ist. Dieser relativ grosse Keilwinkel neigt dazu, eine Teilung der Strömung zu verhindern, die sonst wegen den Variationen im Winkel β&sub2; der Austrittsströmung aus dem Flügelrad stattfinden könnte. Wie in der nachfolgenden Besprechung des Entwurfs und der Leistungsfähigkeit des Flügelrades gesehen werden wird, ist es wünschenswert, für eine relativ tangentiale Strömung zu sorgen. Dies wiederum führt zur Neigung, die Änderung in β&sub2; mit den Variationen der Strömungsrate der Masse zu reduzieren. Im allgemeinen ist es deshalb wünschenswert, einen relativ grossen Keilwinkel γ zu haben, um eine Anpassung an die Variationen beim Eintritt zu machen. Die Anzahl der kegelförmigen Kanäle 31 muss jedoch genügend hoch sein, um eine Anpassung an das Strömungsvolumen vom Flügelrad zu machen. Der Anmelder hat deshalb festgestellt, dass man einen hohen Wirkungsgrad über einen breiten Betriebsbereich, wie es für die vorliegende Erfindung wünschenswert ist, mit einem Röhrendiffusor, der einen Keilwinkel γ so klein wie 15º hat (d.h. 24 kegelförmige Kanäle), erhalten kann. Wir werden zur Frage der Teilung bei den Vorderkanten nach einer Besprechung des Entwurfs und der Eigenschaften des Flügelrades zurück kommen.
• In Bezug nun auf die Figuren 4 und 5 werden Flügelräder 42 und 43 gezeigt, die unterschiedliche Grade der Zurückbiegung haben. Das Flügelrad 42 hat Schaufeln 44 mit einer Zurückbiegung von 60º (d.h. einen Austrittswinkel β&sub2; der Schaufel des Flügelrades von 30º), und das Flügelrad 43 hat Schaufeln 46 mit einer Zurückbiegung von 30º (d.h. einen Austrittswinkel β&sub2; der Schaufel des Flügelrades von 60º). Die absolute tangentiale Komponente der Strömung, welche das Flügelrad verlässt, V&sub2;θ, kann mit der Gleichung
• V2θ = W2θ + U2
• wo W2 = die tangentiale Komponente der relativen Geschwindigkeit, und
• und U2 = die Geschwindigkeit der Propellerspitze sind,
• erhalten werden.
• Für Flügelräder mit einer Zurückbiegung ist die Richtung der tangentialen Komponente der relativen Geschwindigkeit, W2θ, entgegengesetzt zur Richtung der Geschwindigkeit der Spitze. Für solche Flügelräder wird V2θ kleiner als U2 und wird durch die höheren Zurückbiegungswinkel weiter reduziert. Weil jedoch die Geschwindigkeit U2 der Spitze des Flügelrades mehrere Male grösser ist als die totale relative Geschwindigkeit W2 beim Austritt des Flügelrades, ist die relative Änderung in V2θ aufgrund der Zurückbiegung des Flügelrades viel kleiner als die relative Änderung in der radialen Geschwindigkeit V2R, die durch die Zurückbiegung des Flügelrades bewirkt wird. Weil die vergrösserte Zurückbiegung die absolute radiale Geschwindigkeit V2R in einem viel grösseren Ausmass reduziert als die absolute tangentiale Geschwindigkeit V2θ, besteht ein anderer Effekt eines vergrösserten Winkels der Zurückbiegung der Austrittsschaufel des Flügelrades mit einer konstanten Zerstreuung der Strömung an der Oberfläche der Abdeckung darin, dass der Winkel α&sub2; der absoluten Strömung, welche das Flügelrad verlässt, reduziert wird. Es ist deshalb in der Figur 4 zu sehen, dass für eine Zurückbiegung von 60º der Austrittswinkel α&sub2; der absoluten Strömung aus dem Flügelrad 12º ist, und für eine Zurückbiegung von 30º, wie sie in der Figur 5 gezeigt wird, der Austrittswinkel α&sub2; der absoluten Strömung aus dem Flügelrad 20º ist.
• Normalerweise wäre weder das in der Figur 4 gezeigte Flügelrad 42 noch das in der Figur 5 gezeigte Flügelrad 43 für einen Betrieb annehmbar, wo ein breiter Betriebsbereich erwünscht ist, weil die radialen Druckgradienten am äusseren Umfang der Flügelräder dazu neigen würden, eine Teilung der Strömung zu verursachen. Wenn sie jedoch mit dem Röhrendiffusor der vorliegenden Erfindung verwendet werden, sind diese kleineren Austrittswinkel α&sub2; der absoluten Strömung nicht nur möglich, sondern sie ermöglichen es, wie durch den Anmelder entdeckt wurde, dass man einen höheren Wirkungsgrad über einen relativ breiten Betriebsbereich erhält. Beim Vergleich der Flügelräder aus den Figuren 4 und 5 ist zu erkennen, dass eine Vergrösserung der Zurückbiegung des Flügelrades die senkrechte Distanz n2 von Schaufel zu Schaufel der Normalfläche der Austrittsströmung verkleinert, wie in den Figuren 6 und 7 gezeigt wird. Das heisst, das Flügelrad mit grosser Zurückbiegung aus der Figur 4 mit seiner damit verbundenen verkleinerter senkrechten Distanz n2 von Schaufel zu Schaufel erfordert eine grössere Höhe b&sub2; der Schaufel beim Austritt des Flügelrades als die Höhe b&sub2; der Schaufel beim Austritt des Flügelrades, wie sie in der Figur 7 gezeigt wird, welche zum Flügelrad 43 mit der kleineren Zurückbiegung aus der Figur 5 gehört. Wenn wir annehmen, dass wir das relative Geschwindigkeitsverhältnis W&sub2;/W&sub1; beibehalten wollen, wobei W&sub2; die relative Austrittsgeschwindigkeit des Flügelrades und W&sub1; die relative Einlassgeschwindigkeit des Flügelrades bei der Abdeckung ist, dann wird eine Vergrösserung des Zurückbiegungswinkels des Flügelrades eine Vergrösserung der Höhe b&sub2; der Schaufelspitze des Flügelrades zur Folge haben. Diese relativ breitere Spitze neigt dazu, Stabilität bei Bedingungen mit kleiner Strömung zu liefern, weil sie kleinere Austrittswinkel α&sub2; der absoluten Strömung beim Flügelrad zur Folge hat und deshalb kleinere Variationen im Winkel bei reduzierter Strömung aufweist. Demzufolge werden die Eintrittseffekte kleiner sein, und dadurch wird die Stabilität gefördert.
• Zusammenfassend gibt es drei Merkmale bei den Strukturen des Diffusors und des Flügelrades der vorliegenden Erfindung, welche zu den Eigenschaften eines hohen Wirkungsgrades und eines breiten Betriebsbereichs der vorliegenden Erfindung beitragen. Erstens ist die Anzahl der kegelförmigen Kanäle 31 begrenzt, so dass die keilförmigen Inseln 34 dazwischen einen relativ grossen Keilwinkel γ haben, so dass das Auftreten einer Teilung der Strömung an den Spitzen minimiert wird. Zweitens ist der schaufelfreie Zwischenraum 25 zwischen dem äusseren Umfang 30 des Flügelrades 31 und dem Kreis 33 der Vorderkanten in seiner radialen Tiefe begrenzt, so dass das Auftreten von Instabilitäten der Strömung verhindert wird. In diesem Hinblick erzeugt die Kombination des kleinen, schaufelfreien Zwischenraumes 25 zusammen mit der Stabilität der Kelle 34 eher Druckfelder innerhalb des schaufelfreien Zwischenraumes, bei denen die Gradienten mehrheitlich parallel zur Richtung der Strömung liegen, als dass radiale Druckfelder erzeugt würden, welche dazu neigen würden, eine Teilung der Strömung zu bewirken. Schlussendlich verkleinert die Verwendung eines Flügelrades mit einer grossen Zurückbiegung, und deshalb eines solchen mit einer breiten Spitze, einem sehr flachen Austrittswinkel für die Strömung und relativ kleinen Variationen im absoluten Winkel, die Empfindlichkeit der stromabwärts gelegenen Komponenten (d.h. Diffuser) auf Variationen in der Strömungsrate, und somit wird der stabile Betriebsbereich des Kompressors vergrössert. Diese Resultate sind in den Figuren 8 und 9 dargestellt.
• In den beiden Figuren 8 und 9 sind der Röhrendiffusor 11 und das Flügelrad 12 identisch zu denjenigen in der Figur 3, das heisst mit einer 60º Zurückbiegung des Flügelrades, mit einem schaufelfreien Zwischenraum, dessen radiale Tiefe kleiner ist als der Durchmesser der Engstelle der kegelförmigen Kanäle, und mit einem Keilwinkel von 22 ½º. Wenn sich die Strömung auf dem vollen Entwurfsniveau befindet, so ist der Austrittswinkel α&sub2; der absoluten Strömung parallel zur Mittellinie von jedem kegelförmigen Kanal 31 des Diffusors 11. Dies wird durch die Pfeile in der Figur 8 gezeigt. Es ist zu sehen, dass die zwei mittleren Pfeile die Richtung der Strömung des Kühlmittels darstellen, wenn sie den Keil 34 an seiner Druck- und Ansaugseite berührt. Aus dieser Darstellung ist somit zu verstehen, dass an der Spitze des Keiles 34 keine Teilung der Strömung stattfinden wird. Der Austrittswinkel α&sub2; der absoluten Strömung beträgt auf diesem Strömungsniveau 12º.
• In Bezug nun auf die Figur 9 ist der Betrag der Strömung wesentlich reduziert, so dass auch der Austrittswinkel α&sub2; der absoluten Strömung auf 2º reduziert ist. Hier ist die Richtung der Strömung parallel zur Ansaugseite, und es wird natürlich keine Teilung der Strömung geben. Die zwei mittleren Pfeile stellen wiederum die Richtung der Strömung dar, die den Keil 34 aufihrer Ansaugseite 48 berühren wird. Es ist wiederum zu sehen, dass die Winkel so sind, dass eine Teilung der Strömung an der Spitze des Keiles 34 nicht stattfinden wird.

Claims (10)

1. Turbokompressor des Typs, der ein Flügelrad (12) und einen Diffusor (11) hat und für einen Betrieb über einen wesentlichen Betriebsbereich von Strömungsbedingungen angepasst ist,

wobei der Diffusor (11) eine Vielzahl von fixen, keilförmigen Kanälen (31) umfasst, die dem Umfang entlang um den äusseren Umfang des Flügelrades (12) herum und in grosser Nähe von diesem angeordnet sind, wobei jeder der Kanäle (31) eine längs verlaufende Mittellinie (32) hat, welche einen Winkel mit den längs verlaufenden Mittellinien (32) von benachbarten Kanälen (31) von mindestens 15 Grad bildet,

wobei das Flügelrad (12) eine Vielzahl von Schaufeln (27) umfasst, die in einer zurückgebogenen Ausrichtung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor Einlass- Leitschaufeln (17) umfasst,

jede der längs verlaufenden Mittellinien (32) tangential zum äusseren Umfang des Flügelrades (12) ausgerichtet ist, und

die zurückgebogenen Schaufeln (27) so angeordnet sind, dass beim Gebrauch der Austrittswinkel (a2) der Strömung des Fluids, welches die Spitzen der Schaufeln (27) des Flügelrades verlässt, nicht mehr als 20 Grad beträgt.

2. Turbokompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (11) an seinem inneren Umfang einen schaufelfreien Zwischenraum (25) mit einer radialen Tiefe hat, die kleiner ist als der kleinste Durchmesser innerhalb seiner keilförmigen Kanäle (31).

3. Turbokompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (31) alle zwei in serieller Anordnung miteinander verbundene Abschnitte (36, 37) haben, wobei der erste Abschnitt (36) auseinanderlaufende Wände (38) hat, die unter einem Winkel zueinander angeordnet sind, und der zweite Abschnitt (37) auseinanderlaufende Wände (39) hat, die unter einem zweiten, grösseren Winkel zueinander angeordnet sind.

4. Turbokompressor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen den Wänden im ersten Abschnitt (36) 4 Grad beträgt und der Winkel zwischen den Wänden im zweiten Abschnitt (37) 8 Grad beträgt.

5. Turbokompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (31) einen runden schräg verlaufenden Querschnitt haben.

6. Turbokompressor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (31) einen kegelstumpfförmigen längs verlaufenden Querschnitt haben.

7. Turbokompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der dem Umfang entlang angeordneten Kanäle derart begrenzt ist, dass der Winkel zwischen den Mittellinien (32) von benachbarten Kanälen grösser ist als 18 Grad.

8. Turbokompressor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (11) an seinem inneren Umfang einen schaufelfreien Zwischenraum (25) mit einer radialen Tiefe hat, die kleiner ist als der kleinste Durchmesser innerhalb seiner dem Umfang entlang angeordneten Kanäle (31).

9. Turbokompressor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (31) einen kreisförmigen Querschnitt haben.

10. Turbokompressor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (31) einen konischen langs verlaufenden Querschnitt haben.