Rezirkulationsstrukturen für Turboverdichter sind seit geraumer Zeit bekannt und werden in der Fachwelt in der Regel als"Casing Treatments"bezeichnet. Diese ha- ben primär die Aufgabe, den aerodynamisch stabilen Betriebsbereich des Verdich- ters zu erhöhen, wobei die sogenannte Pumpgrenze zu höheren Verdichterdrücken, d. h. zu einer höheren Verdichterbelastung hin, verschoben wird. Die für einen örtli- chen Strömungsabriss und letztlich für das Pumpen des Verdichters verantwortli- chen Störungen treten gehäuseseitig an den Laufschaufelenden einer bzw. mehrerer Verdichterstufen, nabenseitig an den radial innenliegenden Leitschaufelenden auf, da in diesen Bereichen die aerodynamische Belastung am höchsten ist. Durch Rezirkula- tion der zwischen den Schaufelspitzen mit Schaufeldrehzahl umlaufenden, eine redu- zierte Energie aufweisenden"Luftteilchen"in den Hauptstrom unter Energiezunahme wird die Strömung im Bereich der Schaufelenden wieder stabilisiert Da Strömungs- störungen in der Regel nicht gleichmäßig über den Stufenumfang auftreten, sollte strömungstechnisch auch ein Ausgleich in Umfangsrichtung, zusätzlich zur im we- sentlichen axialen Rezirkulation, möglich sein. Der Hauptnachteil der bekannten "Casing Treatments"liegt darin, dass sie zwar die Pumpgrenze erhöhen, aber gleich- seitig den Verdichterwirkungsgrad reduzieren.

Die DE 33 22 295 C3 schützt einen Axialventilator mit einem gattungsgemäßen"Ca- sing Treatment". Man erkennt dort eine Ringkammer (8), in der Leitelemente (9) fest angeordnet sind. Im stromabwärtigen Bereich über den Laufschaufelenden befindet sich ein in Umfangsrichtung offener Bereich, in den sich die Leitelemente nicht erstrecken. Charakteristisch für diese Art"Casing Treatment"ist ein etwa mit der Kontur des Hauptströmungskanales fluchtender, geschlossener Ring (7), der den hinteren Eintrittsbereich vom vorderen Austrittsbereich der Rezirkulationsstruktur trennt und einen glatten, geschlossenen Oberflächenbereich bildet.

Ein ganz ähnliches"Casing Treatment"ist aus der DE 35 39 604 C1 bekannt, wobei hier im vorderen und hinteren Bereich der Ringkammer (7) ein in Umfangsrichtung offener Bereich vorhanden ist. Man beachte auch hier den radial innenliegenden Ring 6.

Ein neueres"Casing Treatment"ist aus der US 5,282, 718 A bekannt. Hier sind die Ringkammer (18,28) und die Leitelemente (24) strömungstechnisch verfeinert. Auch hier sind Ein-und Austritt der Rezirkulationsströmung durch einen massiven, zu den Schaufeln hin glatten und geschlossenen Ring getrennt. Derartige Ringe im Schau- felbereich müssen für den Fall der Berührung mit den Schaufelspitzen in der Regel mit einem Anstreif-bzw. Einlaufbelag versehen werden.

Es gibt weitere"Casing Treatments"mit axialen bzw. axial schrägen Nuten, wie z. B. in der US 5,137, 419 A offenbart. Diese bleiben hier deshalb außer Betracht, da man- gels Verbindung der Nuten untereinander bei diesen Versionen kein Strömungsaus- gleich in Umfangsrichtung möglich ist.

Angesichts der Nachteile der Lösungen nach dem Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Rezirkulationsstruktur für Turboverdichter bereit- zustellen, die eine deutliche Erhöhung der Pumpgrenze und somit eine deutliche Vergrößerung des stabilen Betriebsbereiches ohne relevante Verschlechterung des Verdichterwirkungsgrades ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale ge- löst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Oberbegriff.

Das Wesen der Erfindung liegt darin, dass die Ringkammer mit den Leitelementen zum Hauptströmungskanal hin über ihre axiale Länge und ihren Umfang vollkommen offen ist. Ringartige Elemente mit Anstreifbelägen etc. entfallen dabei. Die obenge- nannten Patentschriften zeigen, dass die Fachwelt bis dato versucht hat, Rezirkulati- onsstrukturen zum Hauptströmungskanal, d. h. zum sog. Ringraum hin über einen möglichst großen axialen Bereich glatt, spaltarm und geschlossen auszuführen, um eine möglichst strömungsgünstige und verlustarme Verlängerung der Kontur des Hauptströmungskanales zu bewirken. Die Erfindung führt demgegenüber zu Spalten, zerklüfteten Oberflächen etc. und erscheint somit nachteilig und unzweckmäßig zu sein. Versuche haben jedoch gezeigt, dass die erfindungsgemäße Rezirkulati- onsstruktur bekannten Lösungen sowohl hinsichtlich Pumpgrenzanhebung als auch hinsichtlich Wirkungsgrad überlegen ist. Dies ist aerodynamisch dadurch zu erklären, dass die freie, ungezwungene Ausbildung der Rezirkulationsströmung in der offenen Ringkammer mit freistehenden Leitelementen und Strömungsverbindungen in Um- fangsrichtung wichtiger ist, als eine möglichst spaltfreie Verlängerung der Kontur des Hauptströmungskanales. Das Fehlen eines geschlossenen Rings hat die weiteren Vorteile, dass kein Anstreif-bzw. Einlaufbelag für die Leitelemente erforderlich ist und radialer Bauraum sowie Gewicht eingespart wird, was zu strukturmechanischen Vorteilen führt.

In den Unteransprüche sind bevorzugte Ausgestaltungen der Rezirkulationsstruktur nach dem Hauptanspruch gekennzeichnet.

Die Erfindung wird anschließend anhand er Zeichnungen noch näher erläutert. Dabei zeigen in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung : Figur 1 einen Teillängsschnitt durch einen Verdichter in Axialbauart im Bereich einer gehäuseseitigen Rezirkulationsstruktur, Figur 2 einen vergleichbaren Teillängsschnitt im Bereich einer nabenseitigen Rezir- kulationsstruktur, Figur 3 einen Teilquerschnitt durch die Rezirkulationsstruktur gemäß Figur 1, Figur 4 eine Teilansicht der Rezirkulationsstruktur gemäß Figur 1 und 3 radial von Innen, Figur 5 einen Teillängsschnitt im Bereich einer gehäuseseitigen, gegenüber Figur 1 modifizierten Rezirkulationsstruktur, und Figur 6 einen Teillängsschnitt im Bereich einer gehäuseseitigen, gegenüber Figur 1 und Figur 5 modifizierten Rezirkulationsstruktur.

Die Rezirkulationsstruktur 1 gemäß Figur 1 ist in das Gehäuse 5 eines Turboverdich- ters integriert und somit als"Casing Treatment"zu bezeichnen. Die Strömungsrich- tung im beschaufelten Hauptströmungskanal 9 ist links mit einem Pfeil angedeutet, sie verläuft also von links nach rechts. Die Strömung trifft im gezeigten Bereich zu- nächst auf einen Leitschaufelkranz 13, dann auf einen Laufschaufelkranz 20 und schließlich wieder auf einen Leitschaufelkranz 14. Die radial äußere Kontur 11 des Hauptströmungskanals 9 entspricht der inneren Kontur des Gehäuses 5 und ist zur Verdeutlichung links und rechts der eigentlichen Darstellung strichpunktiert fortge- setzt. Die statische Rezirkulationsstruktur 1 wirkt mit dem Laufschaufelkranz 20 zu- sammen und liegt großteils axial vor diesem, d. h. stromaufwärts. Die zusammen mit den Leitelementen 37 die Rezirkulationsstruktur 1 bildende Ringkammer 29 grenzt radial von außen an den Hauptströmungskanal 9 an und ist zu diesem hin offen. Die freien Kanten 41 der Leitelemente 37 liegen auf oder nahe bei der Kontur 11 des Hauptströmungskanales 9, d. h. sie fluchten zumindest annähernd mit der Gehäu- seinnenkontur. Die Leitelemente 37 können aus einem Metall, wie einer Ni- Basislegierung, oder aus einem Leichtmetall, wie Al, oder aus einem Kunststoff, wie Thermoplaste, Duroplaste oder Elastomere, bestehen. Die vordere Wand 33 und die hintere Wand 34 der Ringkammer 29 sind ausgehend von ihren radial inneren Kanten 35,36 nach vorne geneigt, um für die mit einem kleinen Pfeil angedeutete Rezirkula- tion strömungsgünstig zu sein.

Der Neigungswinkel der vorderen Wand ist mit a bezeichnet, er kann gleich oder unterschiedlich in Relation zum Winkel der hinteren Wand 34 sein. Zwischen der vorderen Wand 33, den Leitelementen 37 und der hinteren Wand 34 sind Ausspa- rungen 45,46 vorhanden, die Strömungsvorgänge innerhalb der Ringkammer in Um- fangsrichtung zulassen, zusätzlich zur vorwiegend axial verlaufenden Rezirkulation.

Mit 25 sind die freien Schaufelenden des Laufschaufelkranzes 20 bezeichnet, in de- ren Bereich Strömungsstörungen am ehesten auftreten.

Im Unterschied zu Figur 1 zeigt Figur 2 eine in eine rotierende Nabe 8 integrierte Rezirkulationsstruktur 2. Man erkennt im Hauptströmungskanal 10 von links nach rechts einen Laufschaufelkranz 21, einen Leitschaufelkranz 15 mit radial inneren, freien Schaufelenden 26 und einen Laufschaufelkranz 22. Eine solche, neue Anord- nung einer Rezirkulationsstruktur wäre konsequenterweise als"Hub Treatment"zu bezeichnen. Die aus Ringkammer 30 und Leitelementen 38 bestehende Rezirkulati- onsstruktur 2 mit vorderen und hinteren Aussparungen 47,48 wirkt mit einem groß- teils stromabwärts liegenden Leitschaufelkranz 15 zusammen. Da hier das"Hub Treatment"rotiert und der Leitschaufelkranz 15 steht, wirkt die Rotordrehzahl voll als Differenzdrehzahl. Die Wirkungsweise unterschiedet sich prinzipiell nicht von der eines"Casing Treatments"In einem Turboverdichter können"Casing Treatment"und "Hub Treatment"auch kombiniert werden und in mehreren Stufen zur Anwendung kommen. Die radial innere Kontur 12 des Hauptströmungskanals entspricht hier der Außenkontur der Nabe 8.

Figur 3 zeigt im Querschnitt ein Detail aus Fig. 1. Die Leitelemente 37 sind um einen Winkel ß so zur Radialen geneigt, dass die Schaufelenden 25 des Laufschaufelkran- zes 20 die Rezirkulationsströmung ohne größere Verluste in die Ringkammer 29 hin- einfördern, wobei die Drehrichtung (siehe Pfeil) zu beachten ist. Der Neigungswinkel ß kann von radial Innen nach Außen bis auf den Wert"Null"abnehmen bei entspre- chend gekrümmten Leitelementen.

Eine radiale Anordnung der Leitelemente, d. h. ß = 0° ist möglich, dürfte aber weniger strömungsgünstig sein.

Die Ansicht gemäß Figur 4 zu Figur 3 zeigt die Schaufelprofilierung des Laufschaufel- kranzes 20 in Verbindung mit seiner Drehrichtung (Pfeil) und vermittelt eine gute Vorstellung von der strömungsgünstigen Profilierung und Krümmung der Leitelemen- te 37. Der Fachmann vermag zu erkennen, dass der Rezirkulationsaustritt im Bereich der stromaufwärtigen Kante 35 der Ringkammer 29 in Relation zum Laufschaufel- kranz 20 hier mit Gegendrall erfolgen soll. Mit 36 ist die stromabwärtige Kante der Ringkammer bezeichnet. Es sei daran erinnert, dass die Leitelemente 37 in einfa- cheren Ausführungen auch aus ebenen oder gekrümmten"Blechen"bestehen kön- nen.

Die Rezirkulationsstruktur 3 gemäß Figur 5 ist ein"Casing Treatment"mit einer in ein Gehäuse 6 integrierten Ringkammer 31. Die Leitelemente 39 reichen hier bis zur vorderen Wand der Ringkammer 31, im hinteren Bereich sind Aussparungen 49 vor- handen, in unmittelbarer Nähe der Schaufelenden 27 des Laufschaufelkranzes 23.

Die freien Kanten 43 der Leitelemente 39 reichen nicht bis in den Rotationsbereich der Schaufelenden 27. Mit 16 und 17 sind Leitschaufelkränze bezeichnet.

Die Rezirkulationsstruktur 4 in Figur 6 mit Ringkammer 32 und Leitelementen 40 ist ebenfalls ein"Casing Treatment", das in ein Gehäuse 7 integriert ist und mit einem Laufschaufelkranz 24 zusammenwirkt. Im Unterschied zu Figur 5 reichen hier die Leitelemente 40 bis zur hinteren Wand der Ringkammer 32. Aussparungen 50 sind hier im vorderen Bereich vorgesehen. Da die freien Kanten 44 der Leitelemente 40 bis in den Rotationsbereich der Schaufelenden 28 reichen, sind sie im hinteren Be- reich radial nach außen versetzt, um eine Berührung mit den Schaufeln sicher zu vermeiden. Natürlich können die Kanten auch im ganzen entsprechen versetzt sein.

Für alle Ausgestaltungen der Rezirkulationsstruktur gilt, dass die freien Kanten 41 bis 44 der Leitelemente 37 bis 40 nicht radial nach außen versetzt sein müssen, wenn die Leitelemente aus einem weichen Leichtmetall oder einem Kunststoff her- gestellt sind, weil eine Berührung mit den Schaufelenden 25 bis 28 zugelassen wer- den kann, ohne dass die Schaufeln beschädigt werden.