DE4321173C2 - Radiallaufrad - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Radiallaufrad, insbesondere für Kältemittel-Turboverdichter radia­ ler Bauart, für die Verdichtung von Wasserdampf unter Vakuumbedingungen, das eine Vielzahl von Schaufeln aus polymerem Verbundmaterial besitzt.

Auf der aus Umweltschutzgründen dringend erforderlichen Suche nach neuen Kältemitteln ist Wasser eine beachtenswerte, bisher aber wenig genutzte Alternative. Der physikalische Prozeß ist schon seit sehr langer Zeit bekannt. So hat z. B. der Schotte W. Cullen im Jahre 1755 Wasser mit Hilfe einer Vakuumpumpe zum Verdampfen gebracht und damit eine me­ chanische Kälteerzeugung realisiert.

Seit Jahrzehnten ist der Einsatz von Wasser als Kältemittel im Zusammenhang mit Absorp­ tions- und Dampfstrahlkälteanlagen bekannt. Ebenfalls sind seit langer Zeit Anlagen zur Brüdenverdichtung bekannt, bei denen Wasserdampf zum Zwecke der Heizdampfgewin­ nung vorwiegend durch Turbokompressoren radialer Bauart verdichtet und damit auf ein höheres Energieniveau gehoben wird. Diese Arbeitsmaschinen sind jedoch für Kälteanla­ gen mit dem Arbeitsstoff Wasser nicht wirtschaftlich einsetzbar, da sich die Temperaturbe­ reiche beider Einsatzfälle wesentlich unterscheiden. Bei der Brüdenkompression liegen die Verdichteransaugtemperaturen im Bereich von ca. 80 . . . 120°C. Bei Kälteanlagen mit Was­ ser als Kältemittel sind Ansaugtemperaturen zwischen 0 . . . 50°C erforderlich. Diese Tem­ peraturen werden zwar auch mit Dampfstrahlkälteanlagen erreicht, jedoch mit geringerer Energieeffektivität als bei Kälteanlagen mit mechanischer Verdichtung. Die Dichte des Wasserdampfes bei Kälteanlagen ist bis zu 3 Zehnerpotenzen kleiner als die bei der Brü­ denverdichtung und auch bei der Verdichtung von klassischen Kältemitteln. Auf Grund der außerordentlich geringen Dichte des Wasserdampfes müssen in Kälteanlagen große Volu­ menströme gefördert werden. Zusätzlich sind verfahrenstechnisch bedingt Druckverhältnis­ se von π ∼ 5 erforderlich.

Verdrängerverdichter, wie z. B. bekannte Schraubenverdichter, erreichen zwar das erforder­ liche Druckverhältnis, sind aber im maximalen Fördervolumenstrom stark begrenzt und we­ sentlich zu teuer. Strömungsverdichter, z. B. Turboverdichter radialer Bauart, erreichen ein­ stufig für die Bedingungen von Kälteanlagen nicht das geforderte Druckverhältnis. Diese Verdichter sind teuer, da sie fast immer für die Verdichtung von Gasen oder Dämpfen we­ sentlich höhere Dichte (z. B. Luft) konzipiert und damit für vergleichsweise erheblich höhere spezifische Antriebsleistungen ausgelegt wurden.

Die Schaufeln bekannter Radialräder werden mit der Tragscheibe üblicherweise durch Schweißen oder Nieten verbunden, wobei die Niete durch die Schaufel gesteckt oder ange­ fräst sein können. Mit großer Schaufelzahl und Schaufelbreite, dem für die Wasserdampf­ verdichtung zutreffenden Fall, wachsen die Schwierigkeiten, weil der Strömungsquerschnitt durch die Schaufeln versperrt, die Tragscheibe geschwächt und beim Schweißen das Ge­ füge verändert wird.

Mechanisch hochbelastete Radialverdichterlaufräder (Grenzleistungslaufräder) werden vorwiegend aus Stahl oder Duraluminium gegossen, geschmiedet und durch Fräsen bear­ beitet und bestehen somit aus einem Stück. Zur Erzielung eines stoßfreien Eintritts haben sich das Umbiegen des Schaufeleintrittsbereiches in Umfangsrichtung oder die Verwen­ dung eines meist gegossenen Vorsatzläufers bewährt. Diese Vorsatzläufer bilden den Schaufeleintrittsbereich, haben einen im Verhältnis zum Außendurchmesser kleinen Durchmesser und sind deshalb vergleichsweise wenig mechanisch belastet. Die sich an­ schließende radiale Schaufel (Radialfaserschaufel) ist hinsichtlich Festigkeit allen anderen überlegen. Sie wird dort eingesetzt, wo bei großen Druckverhältnissen eine große statische Druckerhöhung bei kleinsten Abmessungen und ohne besonders hohe Wirkungsgrade ge­ fordert werden. Ausgeführt werden Umfangsgeschwindigkeiten bis 600 m/s.

Der Einsatz von Faser-Verbundstoffen ist bei Laufrädern von Ventilatoren und von Schau­ feln von Axialventilatoren und Schiffspropellern bekannt. So wurde z. B. ein Faserkunst­ stoffverbund-Laufrad für eine Radialströmungsmaschine, gemäß DE-PS 41 39 293, vorge­ schlagen, bei welchem die Schaufeln durch aneinander gefügte Einzelsegmente gebildet werden, die stoff- oder formschlüssig mit der Boden- und oder Deckscheibe verbunden sind. Diese Ausführungsformen sind jedoch nur für Umfangsgeschwindigkeiten bis max. 100 m/s geeignet und kommen deshalb für Grenzleistungsverdichter nicht in Frage.

Für die Wasserdampfverdichtung im kältetechnisch relevanten Temperatur- und Leistungs­ bereich sind spezielle Turboverdichter erforderlich, die große Volumenströme bei hohen Druckverhältnissen fördern können, eine hohe Energieeffektivität aufweisen und preislich gegenüber herkömmlichen Kältemittelverdichtern konkurrenzfähig sind.

Bei Turboverdichtem radialer Bauart für Wasserdampfkältemaschinen großer Leistung tre­ ten auf Grund der außerordentlich hohen Umfangsgeschwindigkeiten (im Bereich um 500 m/s) sehr hohe Zentrifugalkräfte auf. Diese sind für das Laufrad die Hauptbelastung, da die Kräfte, die auf das Fördermedium übertragen werden müssen, vergleichsweise niedrig sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Laufrad eines radialen Turboverdichters so zu gestalten, daß bei der geringen Dichte des Fördermediums, vorzugsweise Wasserdampf, die not­ wendig hohen Volumenströme bei den erforderlichen Druckverhältnissen gefördert werden können und daß die sich aus den hohen Umfangsgeschwindigkeiten ergebenden Festig­ keitsprobleme effektiv gelöst werden.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst. Dadurch wird erreicht, daß Turboverdichter hergestellt werden können, die den o.g. technischen Forderungen entsprechen. Durch die erreichbaren höheren Druckverhältnisse reichen für alle kältetechnischen Anwendungsfälle mit Verdampfungstemperaturen = 0°C einstufige bzw. max. zweistufige Turboverdichter radialer Bauart aus. Das führt neben der möglichen Leichtbaukonstruktion zu einer wesentlichen Verbilligung des Verdichters gegenüber her­ kömmlichen Konstruktionen, deren Laufräder aus Edelstahl oder auch Titan gefertigt sind. In der Folge ergeben sich weitere Einsparungen dadurch, daß der Turboverdichter direkt angetrieben werden kann und kein kostenaufwendiges Getriebe erforderlich ist.

An nachfolgenden Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt den Axialschnitt eines erfindungsgemäßen Laufrades,

Fig. 2 zeigt die axiale Ansicht einer Schaufel mit Laufradsegment,

Fig. 3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform einer Schaufel mit axial und radial angeordneten schaufeltragenden Elementen.

Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der die Schaufelbefestigung durch Einlegeteile gemäß Anspruch 3 erfolgt.

Gemäß den Abbildungen sind die Schaufeln 1 mit Laufradsegmenten 2 verbunden, die nach dem Zusammenfügen der Segmente die Tragscheibe des Laufrades bilden. In Fig. 1 ist dargestellt, daß an den Laufradsegmenten 2 Ansätze 3 vorhanden sind, die der form- und kraftschlüssigen Befestigung an den schaufeltragenden Elementen 4 dienen. Die schaufeltragenden Elemente 4 sind in Fig. 1 als Tragringe ausgebildet.

Die Verbindungslinie zwischen der Schaufel 1 und dem Laufradsegment 2 ist, wie aus Fig. 1 ersichtlich, rein radial oder in Umfangsrichtung verschoben, wie in Fig. 2 dargestellt.

Die auf die Schaufeln 1 wirkenden Zentrifugalkräfte werden über die Ansätze 3 von den Laufradsegmenten 2 auf die schaufeltragenden Elemente 4, 5 und auf die Nabe 6 übertra­ gen. Die Verbindung des innenliegenden schaufeltragenden Elementes 4 mit der Nabe 6 erfolgt ebenfalls kraft- und formschlüssig. Mit dem äußeren schaufeltragenden Element 5 wird eine Justierung der Laufradsegmente 2 vorgenommen.

Das Verstärkungsmaterial aus Kohlenstoffasern ist in den Schaufeln 1 und den Laufrad­ segmenten 2 radial und in den schaufeltragenden Elementen 4 und 5 in Umfangsrichtung orientiert. Die Ansätze 3 an den Laufradsegmenten 2 enthalten ebenfalls Verstärkungsma­ terial.

In nicht dargestellter Weise können die Schaufeln 1 und die Laufradsegmente 2 in Elemen­ te unterteilt sein.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines radialen Kältemittelturboverdichters im Axialschnitt. Die Schaufeln 1 sind mit den Laufradsegmenten 2 verbunden. Die Laufrad­ segmente 2 haben Ansätze 3, über die sie kraft- und formschlüssig mit der Nabe 6 verbun­ den sind. Die schaufeltragenden Elemente 4 sind zum Teil axial nebeneinander und zum Teil radial übereinander angeordnet. Das Verstärkungsmaterial liegt in den Schaufeln 1 und in den Laufradsegmenten 2 der Beanspruchung entsprechend, vorzugsweise radial und in den schaufeltragenden Elementen 4 in Umfangsrichtung. In den Ansätzen 3 und in dem sich von der Nabe bis zum Laufraddurchmesser erstreckenden schaufeltragenden Element sind die Fasern beanspruchungsgerecht sowohl radial als auch in Umfangsrichtung orien­ tiert.

Bei der Ausführungsform gem. Fig. 4 werden zur Befestigung der Schaufeln 1 Einlegeteile 8 eingesetzt, die über Tragscheiben 4 über die Nabe 6 mit der Welle 7 verbunden sind. Bei dieser Ausführungsform ist keine Tragscheibe im herkömmlichen Sinn vorhanden. Die ex­ trem dünnen Schaufeln erhalten ihre Stabilität erst unter Einwirkung der Zentrifugalkräfte.

In nicht dargestellter Weise können die Laufradsegmente 2 auch so unterteilt werden, daß Elemente davon eine durchgehende Scheibe bilden.

Claims (4)

1. Radiallaufrad, insbesondere für einen Kältemittel-Turboverdichter, für die Verdichtung von Wasserdampf unter Vakuumbedingungen, das eine Vielzahl von Schaufeln aus polymerem Verbundmaterial besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad aus Schaufeln (1) bzw. Schaufeln (1) mit Laufradsegmenten (2) und Tragringen (4 bzw. 5) zusammengesetzt ist und daß diese Teile in ihrer Gesamtheit oder einzeln aus polyme­ rem Verbundmaterial, dessen Verstärkungsmaterialien vorzugsweise Kohlenstoffasern sind, bestehen und daß die Schaufeln (1) bzw. die Schaufeln (1) mit den Laufradseg­ menten (2) einzeln mit der Nabe (6) verbunden sind.

2. Radiallaufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Teilen das Ver­ stärkungsmaterial, vorzugsweise Kohlenstoffasern, beanspruchungsgerecht im Ver­ bundwerkstoff eingebettet ist.

3. Radiallaufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Fußbereich der Schaufeln (1) Einlegeteile (8) und Tragringe (4) zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung zwischen Schaufel (1) und Nabe (6) vorhanden sind.

4. Radiallaufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragringe (4 bzw. 5) axial und/oder radial angeordnet sind.