DE3044920A1

DE3044920A1 - Kreiselkompressor

Info

Publication number: DE3044920A1
Application number: DE19803044920
Authority: DE
Inventors: Keiichi Yokohama Kanagawa Nakanishi
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1979-11-30
Filing date: 1980-11-28
Publication date: 1981-10-01
Also published as: JPS6336440B2; FR2470881A1; FR2470881B1; JPS5677598A; GB2065235B; US4338063A; DE3044920C2; GB2065235A

Description

_N. 304A920

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER Nissan

- 3 BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft einen Kreisel- oder Fliehkraftkompressor gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs, und zwar einen derartigen Kompressor mit einem Diffusor mit in ihrem Winkel verstellbaren Diffusor-Schaufeln.

Ein Kreiselkompressor dieser Art wird im wesentlichen für Gasturbinen verwendet und muß vor allem zwei Forderungen erfüllen. Eine Forderung besteht in der Reduzierung der Fluid-Reibungsverluste in dem Kompressor und damit in der Erzielung eines hohen Kompressions-Wirkungsgrades. Die andere Forderung besteht darin, daß Schwankungen oder Schwebungen bzw. ein Pumpen des Kompressors verhindert werden müssen, wenn der Kompressor mit geringen Fluiddurchsätzen betrieben wird. Ein Diffusor mit winkelverstellbaren Schaufeln dient zur Erfüllung dieser beiden Forderungen.

Zur möglichst weitgehenden Verringerung von Reibungsverlusten in dem Kompressor ist vorgeschlagen worden, den Kompressor derart auszuführen, daß der Abstand zwischen den einzelnen, im Winkel verstellbaren Schaufeln und einem Pumpenrad verringert wird, um das die Schaufeln im Umfang angeordnet sind. Diese Lösung hat jedoch insoweit Nachteile, als die Gefahr besteht, daß der Kompressor ein erhöhtes Geräusch erzeugt und Stoßwellen zwischen dem Pumpenrad und den Schaufeln gebildet werden, die die Leistung des Kompressors beeinträchtigen können. Wenn im übrigen die Schaufeln des Diffusors näher an der Radialrichtung des Diffusors liegen, so daß der Abstand zwischen dem Pumpenrad und den Schaufeln verringert wird, entstehen Schwankungen bzw. Pumpwirkungen bei niedrigen Fluiddurchsätzen des Kompressors. Wenn dagegen die Schaufeln näher an der Umfangsrichtung des Diffusors liegen, werden Pumpwirkungen ausgeschlossen, jedoch ergeben sich erhöhte Reibungsverluste.

130040/0927

TER MEER - MÜLLER ■ STEINMEISTER Nissan

Die Erfindung ist auf die Überwindung dieser Nachteile gerichtet.

Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs.

Der erfindungsgemäße Kreisel- oder Zentrifugalkompressor für Fluide umfaßt ein Pumpenrad, das um seine Mittelachse drehbar ist, und einen Fluid-Diffusor mit einer Anzahl winkelverstellbarer Schaufeln, die das Pumpenrad umgeben.

Die Diffusor-Schaufeln sind derart angeordnet, daß die Winkelposition der einzelnen Schaufeln in bezug auf die Mittelachse des Pumpenrades und der Abstand zwischen dem äußeren Umfang des Pumpenrades und den einzelnen Schaufeln in Radialrichtung des Diffusors unabhängig voneinander veränderlich sind.

Die einzelnen Diffusor-Schaufeln können eine kreisförmige Bohrung und einen länglichen Schlitz aufweisen, die in Längsrichtung der Schaufeln einen Abstand aufweisen. Die Schlitze erstrecken sich in Längsrichtung der Schaufeln. In diesem Falle umfaßt der Diffusor des Kompressors weiterhin zwei feststehende Stützplatten, die einen gegenseitigen Abstand in Axialrichtung des Diffusors aufweisen und zwischen denen die Schaufeln beweglich angeordnet sind. Zwei exzentrische Stifte sind jeder Schaufeln zugeordnet und werden durch die beiden Stützplatten durch öffnungen in diesen aufgenommen. Die Stifte sind unabhängig voneinander um Achsen drehbar, die gegenüber ihren jeweiligen Mittelachsen versetzt sind und im wesentlichen parallel zu der Mittelachse des Pumpenrades verlaufen. Die exzentrischen Stifte erstrecken sich in Axialrichtung in die erwähnten Bohrungen und Schlitze und sind in diesen drehbar, so daß die Winkelstellung der Diffusor-Schaufeln in bezug auf die Mittelachse des Pumpenrades und der Abstand zwischen dem äußeren Umfang des Pumpenrades und den einzelnen Schaufeln geändert werden kann durch Dre-

130040/0927

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER

hung wenigstens eines der beiden Stifte in bezug auf die Stützplatten.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Teilansicht zur Veranschaulichung eines bekannten Diffusors für Kreiselkompressoren mit winkelverstellbaren Schaufeln;

Fig. 2 zeigt eine schematische Stirnansicht des Pumpenrades und des Diffusors eines Kreiselkompressors entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt entlang der

Linie III-III in Fig. 2 und veranschaulicht in vergrößertem Maßstab die Anordnung aus Pumpenrad und Diffu

sor gemäß Fig. 2;

Fig. 4 und 5 sind vergrößerte Teilansichten zur

Veranschaulichung unterschiedlicher Betriebsbedingungen der Flügel des

Diffusors gemäß Fig, 2 und 3.

Ein Diffusor für einen bekannten Fliehkraft-Kompressor gemäß Fig. 1 umfaßt eine Anzahl von in ihrer Winkelstellung veränderlichen Schaufeln 11, die an kreisförmigen Einstell-Scheiben 12 befestigt oder als ein Stück mit diesen ausgebildet sind. Jede Scheibe 12 weist eine nicht gezeigte, koaxiale Welle auf, die von der Scheibe auf der der Schaufel 11 gegenüberliegenden Seite ausgeht. Die Scheiben werden durch eine Stützplatte 13 aufgenommen. Die Welle weist einen mit einem Gewinde oder einer Verzahnung versehenen Ab-

1 30040/0927

TER MEER - MÜLLER · STEINMEISTER

schnitt auf, der mit einem Zahnrad kämmt, so daß jede der Scheiben 12 um die Achse der Welle gedreht werden kann. Durch Drehung der Scheibe 12 können die Schaufeln 11, die auf der Scheibe befestigt sind, in beliebige Winkelstellung in bezug auf die Mittelachse des Pumpenrades 14 gebracht werden, das die Scheiben 12 in ümfangsrichtung umgeben. In diesem Falle sind die einzelnen Schaufeln 11 derart angeordnet, daß sie gleiche WinkelStellungen in bezug auf einander und in bezug auf die Mittelachse des Pumpenrades 14 einnehmen. Während des Betriebes dieser Anordnung aus Pumpenrad und Diffusor tritt das Fluid, das das Pumpenrad 14 verläßt, in die Zwischenräume zwischen den Schaufeln 11 an deren vorderen Kanten 11a vorbei und als komprimiertes Fluid an den hinteren Kanten 11b der Schaufeln aus. Zur Verringerung von Reibungs-Verlusten des Fluids bei einer Anordnung aus Pumpenrad und Diffusor dieser Art ist vorgeschlagen worden, den Abstand L zwischen dem äußeren Umfang 14a des Pumpenrades und den vorderen Kanten 11a der Schaufeln zu verringern. Bei der Anordnung gemäß Fig. 1 nimmt der Abstand L ab, wenn jede Scheibe 12 mit Hilfe ihres Antriebs in Gegenuhrzeigerrichtung in Fig. 1 um ihre Mittelachse gedreht wird. Die Anordnung dient jedoch im wesentlichen dazu, die einzelnen Schaufeln 11 um die Mittelachse der Scheiben 12 zu drehen, ohne daß zunächst beabsichtigt ist, den Abstand L zu verringern.

Da es im übrigen nachteilig ist, die Schaufeln 11 über bestimmte vorgegebene Kinkel hinaus in die Radialrichtung des Diffusors zu verstellen, kann der Abstand L nicht in wünschenswertem Umfange verringert werden.

Mit Hilfe der Anordnung gemäß Fig. 1 kann daher lediglich der Zweck erreicht werden, die Fluid-Reibungsverluste in dem Kompressor bei niedrigen bis hohen Drehzahlen zu verringern. Die Rexbungsverluste des Kompressors können insbesondere dann wirksam verringert werden, wenn der Kompressor mit hohen Drehzahlen arbeitet, so daß sich die Mach-Drehzahl des Fluidstroms von dem Pumpenrad 14 in Richtung des

1 30040/0927

_Hissan3<K4920

TER MEER · MÜLLER . STEINMEISTER IN J. fa bein

Diffusors dem Wert 1 nähert. Schwierigkeiten treten jedoch auf, wenn der Kompressor bei Bedingungen arbeitet, bei denen die Gefahr der Erzeugung stärkerer Geräusche besteht oder Stoßwellen zwischen dem äußeren Umfang 14a des Pumpenrades 14 und den vorderen Kanten 11a der Schaufeln 11 erzeugt werden, durch die die Leistungsabgabe des Kompressors verringert wird. Da im übrigen die Schaufeln 11 um die Mittelachsen der Scheiben 12 geschwenkt werden, nehmen die Schaufeln 11 WinkelStellungen ein, die sich der Radialrichtung des Diffusors nähern, wenn versucht wird, den Abstand L zu verringern. Wenn die Schaufeln 11 in derartigen Winkelpositionen stehen, besteht die Gefahr, daß der Kompressor bei niedrigen Drehzahlen pumpt oder Schwingungen entstehen.

Um dies bei niedrigen Drehzahlen zu vermeiden, ist es vorteilhaft, die Schaufeln 11 derart zu drehen, daß sie stärker der Umfangsrichtung des Diffusors angenähert sind. Dies führt jedoch zu einer Vergrößerung des Abstands L zwischen dem äußeren Umfang 14a des Pumpenrades und den vorderen Kanten 11a der Diffusor-Schaufeln 11 und damit zu erhöhten Reibungsverlusten in dem Kompressor,

Daher ist die bekannte Anordnung aus Pumpenrad und Diffusor nicht vollständig zufriedenstellend in bezug auf eine zufriedenstellende Ausgangsleistung, da die verstellbaren Schaufeln des Diffusors nur um eine einzige, vorgegebene Achse drehbar sind und diese Drehung nicht durchgeführt werden kann, ohne daß der Abstand L zwischen dem äußeren Umfang des Pumpenrades und der vorderen Kante der Diffusor-Schaufeln verändert wird.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung sind die verstellbaren Schaufeln um zwei Achsen drehbar, von denen eine fest in den Schaufeln angeordnet und die andere in Längsrichtung der Schaufeln verschiebbar ist.

130040/0927

TER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER NlSSan

In Fig. 2 bis 5 werden diejenigen Teile, die auch bei der bekannten Lösung gemäß Fig. 1 in entsprechender Weise vorgesehen sind, mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Gemäß Fig. 2 und 3 umfaßt der Diffusor für einen Fliehkraft-Kompressor eine Anzahl von Diffusor-Schaufeln 21, die in ihrem Winkel verstellbar und im Umfang um ein Pumpenrad 14 angeordnet sind, das um dessen Mittelachse drehbar ist. Die Schaufeln 21 liegen beweglich zwischen zwei feststehenden Stützplatten 13 und 13', die einen gegenseitigen Abstand in Axialrichtung des Diffusors aufweisen. Den einzelnen Diffusor-Schaufeln 21 sind zwei exzentrische Stellglieder 22 und 23 zugeordnet, die unabhängig voneinander in öffnungen der Stützplatte 13' drehbar sind und Mittelachsen aufweisen, die im wesentlichen parallel zu der Achse des Pumpenrades 14 liegen. Exzentrische Stifte 22a und 23a springen axial von diesen Stellgliedern 22 und 23 vor und weisen Mittelachsen auf, die gegenüber den Mittelachsen der Stellglieder 22 und 23 versetzt sind. Die Schaufeln 21 weisen eine kreisförmige Bohrung 24 und einen Schlitz oder ein Langloch 25 auf, die einen Abstand in Längsrichtung der Schaufeln 21 aufweisen. Das Langloch 25 erstreckt sich in Längsrichtung der Schaufeln 21. Die exzentrischen Stifte 22a und 23a springen in Axialrichtung in die Bohrung 24 und das Langloch 25 vor. Die einzelnen Schaufeln 21 liegen in gegenseitigem Abstand auf dem Umfang des Diffusors verteilt, wie aus Fig. 2 hervorgeht, und bilden Zwischenräume, durch die das von dem Pumpenrad 14 abgegebene Fluid hindurchtritt.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, sind die Stellglieder 22 und 23 mit Ritzeln 26 und 27 verbunden. Die Ritzel 26 und 27 kämmen mit Zahnrädern 28 und 29. Das Zahnrad 28 ist mit einer Welle 28a verbunden, die von einer Stirnfläche des Zahnrades vorspringt. In gleicher Weise steht das Zahnrad 29 mit einer Welle 29a in Verbindung, die von dessen Stirnfläche ausgeht.

130040/0927

304A920

TER MEER · MÜLLER - STEINMEISTER Nissan

Die Wellen 28a und 29a stehen mit Zwischengliedern 30 und 31 in Eingriff, die mit geeigneten, nicht gezeigten hydraulischen Betätigungsorganen verbunden sind. Wenn diese hydraulischen Betätigungsorgane eingeschaltet werden, drehen die Zwischenglieder 30 und 31 die Zahnräder 28 und 29 um ihre Achsen. Die Drehung der Zahnräder 28 und 29 wird über die Ritzel 26 und 27 auf die Stellglieder 22 und 23 übertragen. Die exzentrischen Stifte 22a und 23a werden um die Mittelachse der Stellglieder 22 und 23 geschwenkt, so daß die Schaufeln 21 ihre Winkelstellung in bezug auf die Mittelachse des Pumpenrades 14 ändern.

Bei der dargestellten Ausführungsform wird davon ausgegangen, daß die hydraulischen Betätigungsorgane zum Antreiben der Zwischenglieder 30 und 31 durch Signale gesteuert werden, die von den Betriebsbedingungen einer Gasturbine abhängen, so daß die Schaufeln 21 in die geeignete Winkelstellung entsprechend der Betriebsbedingungen der Turbine gebracht werden,

Unter bestimmten Betriebsbedingungen werden die Schaufeln 21 in eine Winkelstellung gebracht, die durch durchgezogene Linie in Fig, 4 wiedergegeben ist. Wenn die Schaufeln 21 in dieser Winkelstellung gehalten werden, befinden sich die exzentrischen Stifte 22a und 23a, die den einzelnen Schaufeln 21 zugeordnet sind, auf der Seite des rückwärtigen Endbereichs 21b der Schaufeln 21, bezogen auf die Mittelachsen der zugehörigen Stellglieder 22 und 23.

Bei langsamem Betrieb, etwa im Leerlauf der Maschine, werden die Stellglieder 22 und 23 so gedreht, daß die exzentrischen Stifte 22a und 23a näher bei den vorderen Endbereichen 21a der Schaufeln 21 liegen, als die Mittelachsen der Stellglieder 22 und 23. In diesem Falle wird jede Schaufel 21 in einer Winkelstellung gehalten, die strichpunktiert in Fig. 4 wiedergegeben ist. Bei geringer Last oder geringer

130040/0927

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER

- 10 -

Drehzahl der Maschine befinden sich die Schaufeln 21 somit in einer Winkelstellung, die im wesentlichen derjenigen bei höherer Drehzahl entspricht, jedoch näher an dem äußeren Umfang 14a des Pumpenrades 14, so daß der Abstand L zwischen dem äußeren Umfang 14a und der vorderen Kante 21a der Schaufeln 21 verringert ist im Vergleich zu diesem Abstand bei höherer Maschinendrehzahl. Auf diese Weise kann der Abstand L verringert werden, ohne daß die Schaufeln der radialen Position des Diffusors angenähert werden. Die Reibungsverluste des Fluids, die sich an Wandflächen der Stützplatten 13 und 13 ergeben, können auf diese Weise verringert werden, ohne daß die kritische Grenze überschritten wird, jenseits der der Kompressor pumpt oder schwingt,

Wenn die Maschine aus dem Leerlauf beschleunigt wird, wird das innere Stellglied 22 in Uhrzeigerrichtung und das äußere Stellglied 23 in Gegenuhrzeigerrichtung gemäß Fig. 4 gedreht. Dadurch werden die zugehörigen Diffusor-Schaufeln 21 in eine Winkelposition gebracht, die in Fig. 5 in durchgezogenen Linien angedeutet ist, wenn die Maschine bei normalen Drehzahlen läuft. Während der Bewegung der Schaufeln 21 in diese Winkelstellung nehmen sie eine Zwischenstellung ein, die strichpunktiert in Fig. 5 gezeigt ist. Diese Zwischenposition der Schaufeln liegt näher zur Umfangsrichtung des Diffusors und entspricht einer Beschleunigung der Maschine. Wenn die Schaufel 21 der Umfangsrichtung stärker angenähert wird, pumpt oder schwingt der Kompressor bei niedrigen Durchsätzen. Aus diesen Gründen kann die Maschine bei höheren Durchsätzen aus dem Leerlaufbetrieb beschleunigen, da weniger die Gefahr besteht, daß der Kompressor pumpt, obgleich der Durchsatz des Fluids pro Umdrehung des Kompressorläufers niedriger als bei Maschinenbetrieb mit konstanter Drehzahl ist,

Die Besonderheit der erfindungsgemäßen Anordnung aus Pumpenrad und Diffusor liegt somit darin, daß die einzelnen Schau-

13O0A0/0927

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER NlS San

- 11 -

fein mit Hilfe von zwei exzentrischen Stiften bewegt werden, die unabhängig voneinander um Achsen drehbar sind, die parallel zu der Mittelachse der Stifte versetzt sind. Aufgrund einer derartigen Anordnung können die Winkelstellung der Schaufeln und der Abstand zwischen dem äußeren Umfang des Pumpenrades und der vorderen Kante der Schaufeln unabhängig voneinander entsprechend den Betriebsbedingungen einer Gasturbine oder dergleichen bestimmt werden. Die Winkelstellung und die radiale Position der Schaufeln in bezug auf die Mittelachse des Pumpenrades wird damit derart festgelegt, daß die Anforderungen des Radial- oder Fliehkraftkompressors entsprechend den verschiedenen Betriebsbedingungen erfüllt werden.

Wenn die Betriebsbedingungen der Maschine von Normalbetrieb auf Betrieb mit geringer Drehzahl oder Last umgestellt werden, werden die Schaufeln derart bewegt, daß der Abstand zwischen dem äußeren Umfang des Pumpenrades und den vorderen Kanten der Schaufeln verändert wird, so daß Reibverluste im Kompressor verringert werden. Die Winkelstellung der Schaufeln in bezug auf die Mittelachse des Pumpenrades kann dabei unverändert bleiben. Der kritische Grenz wert des Strömungsdurchsatzes, bei dem das Pumpen oder Schwingen des Kompressors beginnt, wird daher nicht als Konsequenz einer Winkelbewegung erhöht, so daß der Kompressor wirksam arbeiten kann.

Wenn andererseits die Maschine aus dem Leerlauf beschleunigt wird, nehmen die Schaufeln eine vorübergehende Zwischenstellung ein, in der sie stärker an die Umfangsrichtung des Diffusors angenähert sind, bevor sie in WinkelStellungen gedreht werden, die für Normalbetrieb geeinget sind. Der kritische Grenzwert des Strömungsdurchsatzes, bei dem der Kompressor pumpt oder schwingt, wird daher während der Beschleunigung der Maschine reduziert, so daß die Beschleunigung rascher, erfolgen kann.

130040/0927

TER MEER ■ MÜLLER ■ STEINMEISTER Nissan ^ ^ H 5 4, U

Im übrigen kann der erfindungsgemäße Fliehkraftkompressor für genormte Laufeigenschaften eingestellt werden durch Einstellung der Winkelposition der exzentrischen Stifte in bezug auf die zugehörigen Schaufeln. Dies trägt bei zur Regulierung der Arbeitsweise des Kompressors bei einer Herstellung in der Großserie.

130Q40/0927

Claims

3Q4A920

PAT E N TA N WA LTE

TER MEER-MÜLLER-STEINMEISTER

Beim Europäischen Patentamt zugelassene Vertreter — Professional Representatives before the European Patent Office Mandatalres agreed pres !'Office europeen des brevets

Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl.-lng. H. Steinmeister Dipl.-lng, F. E. Müller Siekerwall 7

Triftstrasse Λ, faiekerwall 7,

D-8OOO MÜNCHEN 22 D-48OO BIELEFELD 1

1-0346-008 2 8. NOV.

NISSAN MOTOR COMPANY, LTD. No. 2, Takara-cho, Kanagawa-ku, Yokohama-shi, Kanagawa-ken, Japan

KREISELKOMPRESSOR

PRIORITÄT: 30. November 1979, Japan, No. 154231/1979

PATENTANSPRÜCHE

Kreiselkompressor mit einem um seine Mittelachse drehbaren Pumpenrad und einem dieses umgebenden Diffusor, der eine Anzahl von den Diffusor umgebenden, in ihrer Winkelstellung in bezug auf die Mittelachse des Diffusors verstellbaren Schaufeln trägt, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelstellung der Schaufeln (21), bezogen auf die Mittelachse des Pumpenrades (14), und der Abstand (L) zwischen dem äußeren Umfang (14a) des Pumpenrades (14) und den Schaufeln (21) in Radialrichtung des Diffusors unabhängig voneinander veränderlich sind.

130OA0/0927

_M. 30A492Q

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER Nxssan
2. Krexselkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (21) eine kreisförmige Bohrung (24) und ein in Längsrichtung der Schaufeln verlaufendes Langloch (25) aufweisen, die in Längsrichtung der Schaufeln in Abstand liegen, daß die Schaufeln (21) mit exzentrischen Stiften (22a,23a) verbunden sind, die in einer von zwei in Axialabstand liegenden, die Schaufeln abstützenden Stützplatten (13,13·') mit Hilfe von Stellgliedern (22, 23) gelagert sind, welche Stellglieder (22,23) in öffnungen einer der Stützplatten (13¹) unabhängig voneinander um Achsen drehbar sind, die gegenüber den Mittelachsen der Stifte (22a,23a) parallel versetzt sind und im wesentlichen parallel zur Mittelachse des Pumpenrades (14) verlaufen, welche Stifte (22a,23a) drehbar in die Bohrung (24) einerseits und das Langloch (25) andererseits eintreten.

130040/0 927