[0001] Die Erfindung betrifft eine Kreiselmaschine, insbesondere Radialverdichter.
[0002] Bekanntlich treten bei derartigen Maschinen beim Erreichen gewisser Betriebszustände
während des Teillastbetriebes Druckpulsationen im strömenden Arbeitsmittel auf.
[0003] Im Kennfeld einer Kreiselmaschine trennt die Stabilitätsgrenze das pulsationsfreie
vom pulsationsbelasteten Arbeitsgebiet.
[0004] Die Erfindung hat ein Verschieben der Stabilitätsgrenze zu kleineren Durchflusswerten,
d. h. kleineren Ansaugvolumen zum Ziel, um ein möglichst grosses Gebiet für pulsationsfreien
Betrieb zu schaffen.
[0005] Aus der DE-PS 1 503 658 ist beispielweise ein Radialverdichter bekannt, dessen Leistungsregelung
mittels im axialen Ansaugstutzen angeordneten, in eine Drossel- oder Schliessstellung
verstellbaren Leitschaufeln vorgenommen wird. Die bei verminderter Förderleistung
auftretenden Druckpulsationen sollen dadurch unterdrückt werden, dass der das Laufrad
umschliessende Diffusor eine in axialer Richtung verschiebbare Wand aufweist. Bei
einem derartigen querschnittsveränderlichen Diffusor wird dessen Stellwand über ein
Stellglied gekuppelt, wobei die Querschnittsverminderung des Diffusors erst beginnt,
wenn die Leitschaufeln schon teilweise geschlossen sind. Das zum Verstellen der Leitschaufeln
dienende Stellglied soll hierbei vorzugsweise aus einem im Verdichtergehäuse axial
verschiebbaren, hydraulisch betätigten Ringkolben bestehen, der gegen Ende seiner
zum Schliessen der Leitschaufeln dienenden Bewegung gegen die Stellwand des Diffusors
stösst und sie in die den Diffusorquerschnitt verengende Stellung drängt.
[0006] Zur Beseitigung der bei verminderter Förderleistung auftretenden Druckpulsationen,
welche pulsierende Stösse im Laufrad hervorrufen, die Vibrationen und störende Geräusche
verursachen, ist es weiterhin bekannt, in einem Radialverdichter einen Drosselring
anzuordnen, der in Abhängigkeit von der Einstellung der Leitschaufeln, ebenfalls den
Diffusorquerschnitt entsprechend verengt. Auch hierbei sind Stellglieder erforderlich,
die pneumatisch betätigt werden.
[0007] Die bekannten Vorrichtungen benötigen bewegliche Teile und sind konstruktiv aufwendig.
Sie bedürfen einer ständigen Wartung.
[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ohne einen derartigen konstruktiven Aufwand
mit einfachen Mitteln, das eingangs beschriebene Ziel zu erreichen.
[0009] Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Massnahmen
gelöst, wie experimentell bestätigt werden kann.
[0010] Vorteilhaft wird die Querschnittsfläche der Druckausgleichskammer derart gewählt,
dass die Querschnittsfläche der Druckausgleichskammer so bemessen ist, dass die Helmholtz-Resonanzfrequenz
mindestens dreimal höher als die höchste Pulsationsfrequenz ist, und dass die Durchtrittsbreite
höchstens 1 % des Laufraddurchmessers der Kreiselmaschine beträgt.
[0011] Die Helmholtz-Resonanzfrequenz F wird nach der Formel

bestimmt.
Hierbei ist c die Schallgeschwindigkeit des kompressiblen Arbeitsmittels,
A die Querschnittsfläche der Druckausgleichskammer,
B die Breite des Durchtritts und
1 die Länge des Durchtritts.
[0012] Bei der vorstehend beschriebenen Anwendung der Bemessungsvorschrift kann ein praktisch
verzögerungsfreier Druckausgleich bewirkt werden.
[0013] Es sei noch darauf hingewiesen, dass die Dimensionsgrössen A, B, und 1 vorteilhaft
so bestimmt werden, dass die Länge 1 des Durchtritts möglichst klein ist zugunsten
einer grösseren Querschnittsfläche A, die für die Ausgleichsströmung zur Verfügung
steht. Die Breite B des Durchtritts wird vorteilhaft möglichst klein gewählt, um die
Strömungsverluste im Diffusor gering zu halten.
[0014] Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen einstufigen Radialverdichter und
Fig. 2 ein Detail in vergrössertem Massstab in schematischer Darstellungsweise.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm, in dem das Druckverhältnis eines einstufigen Radialverdichters
über dem Durchsatz aufgetragen ist und zwar einmal mit und einmal ohne die erfindungsgemässen
Massnahmen und mit verschiedenen Vordrallstellungen der Vordrallschaufeln.
[0015] Das fliegend gelagerte Laufrad 4 des Verdichters wird gemäss Fig. 1 über die Rotorwelle
3 von einem nicht dargestellten Motor angetrieben. Im Ansaugrohr 1 sind Vordrallschaufeln
2 angeordnet, die entsprechend der Förderleistung in nicht dargestellter, an sich
bekannter Weise eingestellt werden.
[0016] Aus dem Ansaugrohr 3 wird das zu verdichtende Medium, z. B. das Kältemittel einer
Kälteanlage, von dem Laufrad 4 in Achsrichtung angesaugt und durch die Laufschaufeln
5 radial nach aussen gefördert.
[0017] Vom Laufradaustritt aus gelangt das Medium in den unbeschaufelten Diffusor 7 und
strömt zwischen dessen Wänden 7a und 7b der Austrittsspirale 8 zu.
[0018] Der Laufraddurchmesser ist mit D bezeichnet.
[0019] Hinter der Diffusorwand 7a und dem Diffusorgehäuse 6 sind zwei Druckausgleichskammern
9 angeordnet, die jeweils über als Ringspalte 10 ausgebildete Durchtritte mit dem
Diffusorkanal in Verbindung stehen.
[0020] In Fig. 2 ist ein vergrösserter Ausschnitt der Fig. 1 dargestellt, und zwar eine
im Diffusorgehäuse 6 hinter der Wand 7a des Diffusorkanals 7 angeordnete Druckausgleichskammer
9 mit einem Querschnitt A und einem als Ringspalt ausgebildeten Durchtritt 10 mit
der Breite B und Länge 1.
[0021] Es sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch solche Fälle umfasst, bei denen
eine Druckausgleichskammer über mehrere, als Bohrungen ausgeführte Durchtritte, die
über den Umfang verteilt sind, mit dem Diffusorkanal verbunden ist. Weiterhin ist
es möglich, nur eine oder mehr als zwei Druckausgleichskammern vorzusehen, wobei diese
Druckausgleichskammern sowohl hinter einer der beiden Diffusorwände als auch gegebenenfalls
hinter beiden Diffusorwänden angeordnet sein können.
[0022] Die Pulsationsfrequenz wird experimentell bestimmt und danach die Bemessung der Druckausgleichskammern
und Druckdurchtritte bezüglich Breite und Länge vorgenommen.
[0023] Hierbei wird vorteilhaft der Bemessung die vorstehend beschriebene Vorschrift zugrundegelegt,
d. h. derart, ,dass die Helmholtz-Resonanzfrequenz mindestens das dreifache der höchstens
Pulsationsfrequenz ist.
[0024] Fig. 3 zeigt ein Diagramm, wie es aus Versuchen ermittelt wurde, und zwar Kennlinien
eines einstufigen Radialverdichters für die Winkel α
1 - C(
6 der Vordrallschaufeln. Die Kennlinien, welche die Druckverhältnisse in Abhängigkeit
vom Durchsatz des Verdichters zeigen, sind für die bekannte Ausführung ohne Druckausgleichskammern
mit I - VI und für die erfindungsgemässe Ausführung mit I' - VI' bezeichnet.
[0025] Die Pumpgrenze ist als strichpunktierte Kurve P und die Stabilitätsgrenze S bzw.
S' sind als gestrichelte Kurven dargestellt.
[0026] Aus dem Diagramm geht klar hervor, dass bei Anwendung der erfindungsgemässen Massnahmen
die Stabilitätsgrenze in das Gebiet kleinerer Durchsätze bzw. Ansaugvolumen verschoben
wird. Somit wird ein wesentlich grösseres Gebiet für einen pulsationsfreien Betrieb
für eine Kreiselmaschine erreicht.
1. Kreiselmaschine, insbesondere Radialverdichter, dadurch gekennzeichnet, dass im
unbeschaufelten Diffusorkanal mindestens in einer Wand ein zusammenhängender Durchtritt
oder über den Umfang verteilte Durchtritte angeordnet sind, welche den Diffusorkanal
mit mindestens einer hinter der Diffusorwand angeordneten ringförmigen Druckausgleichskammer
verbinden.
2. Kreiselmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zusammenhängende
Durchtritt als Ringspalt ausgebildet ist.
3. Kreiselmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche
der Druckausgleichskammer derart bemessen ist, dass die Helmholtz-Resonanzfrequenz
mindestens dreimal höher als die höchste Pulsationsfrequenz ist, und dass die Durchtrittsbreite
höchstens 1 % des Laufraddurchmessers der Kreiselmaschine beträgt.