[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verstellen von kranzförmig angeordneten
schwenkbaren Diffusorleitschaufeln eines Radialturbokompressors, wobei die Leitschaufeln
je einen kranzachsparallelen Schaufelzapfen aufweisen und um diesen Zapfen drehbar
im Gehäuse gelagert sind und an dem Schaufelzapfen Lenkerhebel angeordnet sind, die
mit einem am Gehäuse drehbar gelagerten Stellring schwenkbar verbunden sind.
[0002] Unabhängig von der Bauart wird bei Turbokompressoren der Betriebsbereich in bezug
auf das zu fördernde Volumen durch zwei Grenzen festgelegt. Bei größer werdendem Volumenstrom
stellt sich irgendwann die sog. Schluckgrenze ein und bei abfallendem Volumenstrom
erreicht der Turbokompressor die sog. Instabilitätsgrenze, bei der der Kompressor
zu pumpen anfängt und ein geregelter Betrieb nicht mehr möglich ist. Dies wird noch
erschwert, wenn es sich um Turbokompressoren handelt, denen ein hohes Druckverhältnis
abverlangt wird. In dem Bestreben, den jeweiligen Betriebsbereich der einzelnen Kompressoren
so weit wie möglich auszudehnen, sind zur Verlagerung der Instabilitätsgrenze die
unterschiedlichsten Lösungen entwickelt worden.
[0003] Dies reicht von der Drehzahlregelung über die unwirtschaftliche Abblaseregelung bis
hin zu den aerodynamischen
Maß- nahmen in Form von verstellbaren, vor dem Laufrad angeordneten Eintrittsleitapparaten.
Letztere weisen zwar den Vorteil eines weiten Regelbereiches bei sehr guten Wirkungsgraden
auf, sie bedingen jedoch, insbesondere bei mehrstufigen Verdichtern, einen wesentlich
erhöhten konstruktiven und apparativen Aufwand. Z. B. ist es bei den in der Luftfahrt
Anwendung findenden Axialverdichtern relativ leicht, die Leitschaufeln mehrerer Stufen
zu verstellen. Dies ist auch noch bei einstufigen Radialverdichtern möglich. Es erfordert
jedoch bei mehrstufigen Radialverdichtern einen nicht mehr vertretbaren Aufwand, weshalb
hier vor dem Verdichter Drosselorgane zur Dichteabsenkung erfolgreich eingesetzt werden.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem ein hohes Druckverhältnis aufweisenden
Radialturbokompressor eine Regelung zu finden, die bei konstantem Druck und möglichst
konstantem Wirkungsgrad das Durchfahren eines großen Bereiches unterschiedlicher Volumenströme
gestattet.
[0005] Die Lösung dieser Aufgabe sieht vor, daß bei einem mehrstufigen Radialturbokompressor
die Laufräder zweier einander benachbarter Stufen jeweils mit den Laufradrückseiten
zueinander angeordnet sind (back-to-back-Prinzip), daß jede Stufe verstellbare Diffusorleitschaufeln
aufweist, wobei die Schaufelzapfen im ersten Drittel der angeströmten Diffusorleitschaufel
angebracht sind, daß die Stellringe der mit den Laufradrückseiten zueinander angeordneten
Stufen mit einem Betätigungsring einstellbar verbunden sind und daß alle Diffusorleitschaufeln
synchron verstellbar sind und von einem Servoantrieb gesteuert werden.
[0006] Dieser verstellbare Mehrfachleitapparat ermöglicht in einfacher Weise die jeweils
optimale Anpassung des Betriebsbereiches des Radialturbokompressors an geforderte
Werte, und zwar durch die freie Einstellbarkeit der einzelnen Nachleitapparate zueinander,
wobei die unterschiedlichen aerodynamischen Verstellgesetze der einzelnen Nachleitapparate
durch unterschiedliche Anlenkradien berücksichtigt werden. Eine Demontage der Maschine
ist dazu nicht erforderlich. Desweiteren können somit die einzelnen Radialverdichterstufen
einander genau angepaßt werden. Praktische Versuche mit der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung
zeigten überraschender- i weise eine ungefähr 40%ige Vergrößerung des stabilen Arbeits-
bereiches an der Instabilitätsgrenze. Als Vergleichsgrundlage diente ein entsprechender
Radialturbokompressor mit verstellbarem Eintrittsleitapparat.
[0007] Zur Verbesserung der Anpaßbarkeit eines derartigen Radialturboverdichters sieht eine
Ausgestaltung der Erfindung vor, daß die einzelnen Betätigungsringe von jeweils zwei
Rücken an Rücken stehenden Stufen zueinander einstellbar und miteinander drehfest
verbunden sind. Somit ist eine individuell einstellbare und zuverlässig funktionierende
Regeleinrichtung möglich geworden.
[0008] Zur Erlangung eines nahezu konstanten Wirkungsgrades über einen sehr weiten Kennfeldbereich
sieht eine andere Ausgestaltung der Erfindung vor, daß bei den verwendeten Laufrädern
der Laufradaustrittswinkel im Bereich von 90
0 liegt.
[0009] Die Erfindung ist an einem Ausführungsbeispiel dargestellt und wird im folgenden
näher beschrieben. Bei dem hier gewählten zweistufigen Radialkompressor sind auf einer
gemeinsamen Welle 1 die beiden Radiallaufräder 2, 3 mit den Laufradrückseiten zueinander
angeordnet. Den Laufrädern 2, 3 sind Diffusorleitschaufeln 4, 5 nachgeschaltet, wobei
in deren ersten angeströmten Drittel je ein Schaufelzapfen 6, 7 angebracht ist, um
den die Diffusorleitschaufeln schwenkbar sind und mit dem sie im Gehäuse 8 gelagert
sind. An den Schaufelzapfen 6, 7 wiederum sind einstellbare Lenkerhebel 9 angebracht,
die beweglich mit drehbar am Gehäuse 8 befestigten Stellringen 10, 11 verbunden sind.
Z. B. ist hier der Stellring 10 mit einem die synchrone Verstellung sichernden Betätigungsring
12 fest verbunden, während der Stellring 11 einstellbar mit dem Betätigungsring 12
verbunden ist. Mittels dieser Maßnahmen kann der Radialturbokompressor für die jeweiligen
Betriebsbedingungen genau eingestellt werden. Ein zentraler Servoantrieb 13 ermöglicht
in einfacher Weise eine synchrone Verstellung bei gleichzeitiger individueller Einstellbarkeit
aller Leitapparate. Es bereitet keinerlei Probleme, die unterschiedlichen Verstellgesetze
der einzelnen Leitapparate durch entsprechende Dimensionierung der Lenkerhebel bzw.
der Stellringe zu berücksichtigen.
1. Vorrichtung zum Verstellen von kranzförmig angeordneten schwenkbaren Diffusorleitschaufeln
eines Radialturbokompressors, wobei die Diffusorleitschaufeln je einen kranzachsparallelen
Schaufelzapfen aufweisen und um diesen Zapfen drehbar im Gehäuse gelagert sind und
an dem Schaufelzapfen Lenkerhebel angeordnet sind, die mit einem am Gehäuse drehbar
gelagerten Stellring schwenkbar verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,
a) daß bei einem mehrstufigen Radialturbokompressor die Laufräder (2, 3) zweier einander
benachbarter Stufen jeweils mit den Laufradrückseiten zueinander angeordnet sind,
b) daß jede Stufe verstellbare Diffusorleitschaufeln (4, 5) aufweist, wobei die Schaufelzapfen
(6, 7) im ersten Drittel der angeströmten Diffusorleitschaufel (4, 5) angebracht sind,
c) daß die Stellringe (10, 11) der mit den Laufradrückseiten zueinander angeordneten
Stufen mit einem Betätigungsring (12) einstellbar verbunden sind und
d) daß alle Diffusorleitschaufeln (4, 5) synchron verstellbar sind und von einem Servoantrieb
(13) gesteuert werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Betätigungsringe
(12) von jeweils zwei Rücken an Rücken stehenden Stufen zueinander einstellbar und
miteinander drehfest verbunden sind.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei den verwendeten
Laufrädern (2, 3) der Laufradaustrittswinkel im Bereich von 90 0 liegt.
