BE1023309A1

BE1023309A1 - Centrifugal paddle wheel, centrifugal machine equipped with such paddle wheel and method for cooling a centrifugal machine

Info

Publication number: BE1023309A1
Application number: BE20155485A
Authority: BE
Inventors: Erik Paul Fabry
Original assignee: Atlas Copco Airpower Nv
Priority date: 2015-07-29
Filing date: 2015-07-29
Publication date: 2017-01-31
Also published as: WO2017015729A1; BE1023309B1

Abstract

Centrifugal impeller with a hub (11) with a hub surface (12) and a central shaft (13), which hub (11) in the direction from an inlet side (9) to an outlet side (10) of the impeller (5) in diameter increases, wherein the hub (11) on the outlet side (10) is provided with a back wall (15), the paddle wheel (5) comprising a number of projecting blades (17) arranged on the hub surface (12), characterized in that the hub (11) is provided with channels (18) extending from an entrance opening (19) in the hub surface (12) to an exit opening (20) in the back wall (15), which channels (18) form part of the gas that is sucked in, split off and led to the back wall (15) of the paddle wheel (5).

Description

Centrifugaal schoepenrad, centrifugale machine uitgerust met dergelijk schoepenrad en werkwijze voor het koelen van een centrifugale machine.Centrifugal paddle wheel, centrifugal machine equipped with such paddle wheel and method for cooling a centrifugal machine.

De huidige uitvinding heeft betrekking op een centrifugaal schoepenrad en een centrifugale machine uitgerust met dergelijk schoepenrad.The present invention relates to a centrifugal paddle wheel and a centrifugal machine equipped with such a paddle wheel.

Meer speciaal, is de uitvinding bedoeld voor centrifugale machines zoals een turbocompressor, turbine of dergelijke.More specifically, the invention is intended for centrifugal machines such as a turbocharger, turbine or the like.

Een centrifugaal compressorelement zoals gebruikt in turbocompressoren bestaat zoals bekend uit een schoepenrad dat verdraaibaar is aangebracht in een behuizing met een axiale inlaat en een radiale uitlaat, waarbij het schoepenrad is gevormd door een soort van trompetvormige naaf om het aangezogen gas van de axiale richting aan de inlaat naar de radiale richting aan de uitlaat om te buigen en door schoepen die op de naaf zijn aangebracht en die samen met de naaf en de behuizing kanalen afbakenen waar het gas wordt doorheen geleid om het te comprimeren.A centrifugal compressor element as used in turbo-compressors consists, as is known, of a paddle wheel rotatably mounted in a housing with an axial inlet and a radial outlet, the paddle wheel being formed by a kind of trumpet-shaped hub about the sucked gas from the axial direction to the axial direction. inlet to bend the radial direction at the outlet and through vanes mounted on the hub and defining, together with the hub and housing, channels through which the gas is passed to compress it.

Het schoepenrad kan voorzien zijn van een centrale boring om het schoepenrad op een uiteinde van een aandrijfas te kunnen bevestigen, welke aandrijfas wordt aangedreven door een motor.The paddle wheel can be provided with a central bore for mounting the paddle wheel on one end of a drive shaft, which drive shaft is driven by a motor.

De centrale boring dient niet noodzakelijk aanwezig te zi jn.The central bore does not necessarily have to be present.

Dergelijke schoepenrad kan ook een gesloten schoepenrad zijn dat voorzien is van een zogenaamde shroud, maar dit is niet noodzakelijk het geval.Such a paddle wheel can also be a closed paddle wheel provided with a so-called shroud, but this is not necessarily the case.

Het is bekend dat zulk schoepenrad aan hoge toerentallen van meerdere tienduizenden toeren per minuut wordt aangedreven, waarbij de lineaire omtreksnelheid aan de uitlaat van het schoepenrad enkele honderden meters per seconde kan bereiken.It is known that such a paddle wheel is driven at high speeds of several tens of thousands of revolutions per minute, whereby the linear peripheral speed at the outlet of the paddle wheel can reach several hundred meters per second.

De motor die gebruikt wordt om het schoepenrad aan te drijven zal warmte genereren en ook tijdens de compressie wordt warmte gegenereerd.The motor used to drive the paddle wheel will generate heat and heat will also be generated during compression.

Het zal bijgevolg noodzakelijk zijn om de turbocompressor, in het bijzonder de motor, te koelen.It will therefore be necessary to cool the turbocharger, in particular the engine.

Ook aanwezige magneetlagers, luchtlagers, rollagers of noodlagers zullen gekoeld moeten worden wanneer zij gebruikt worden.Also present magnetic bearings, air bearings, roller bearings or emergency bearings will have to be cooled when they are used.

Noodlagers zijn rollagers waarmee het schoepenrad gelagerd is in de behuizing en zullen enkel gebruikt worden wanneer de magnetische lagers, waarmee het schoepenrad in normale omstandigheden in de behuizing is gelagerd, niet werkzaam zijn door bijvoorbeeld een stroompanne om het schoepenrad toe te laten tot stilstand te komen met deze noodlagers.Emergency bearings are roller bearings with which the impeller is mounted in the housing and will only be used when the magnetic bearings with which the impeller is mounted in the housing under normal conditions are not operative by, for example, a power failure to allow the impeller to come to a standstill with these emergency bearings.

Men kent reeds oplossingen waarbij de koeling wordt voorzien in dergelijke compressorelementen onder de vorm van koelventilatoren.Solutions are already known in which the cooling is provided in such compressor elements in the form of cooling fans.

Deze worden op de behuizing van de motor geplaatst en zijn voorzien van een eigen aandrijving.These are placed on the housing of the motor and have their own drive.

Eveneens kent men reeds nog een andere oplossing waarbij een tweede schoepenrad of ventilator aan het andere uiteinde van de aandrijfas wordt aangebracht zodat dit tweede schoepenrad of ventilator door middel van de motor kan aangedreven worden.Another solution is also known in which a second impeller or fan is arranged at the other end of the drive shaft so that this second impeller or fan can be driven by means of the motor.

Dergelijke bekende oplossingen vertonen enkele nadelen.Such known solutions have some drawbacks.

Een nadeel is dat er steeds extra middelen voorzien moeten worden voor de koeling van de motor, het schoepenrad en lagers.A disadvantage is that extra means must always be provided for cooling the motor, the paddle wheel and bearings.

Deze extra middelen bestaan in het geval dat een tweede schoepenrad of ventilator aan het andere uiteinde van de aandrijfas wordt aangebracht uit een extra ventilator, extra filters en dergelijke meer.These additional means exist in the case that a second impeller or fan is arranged at the other end of the drive shaft from an additional fan, additional filters and the like.

Indien koelventilatoren op de behuizing worden geplaatst bestaan deze extra middelen uit een extra ventilator met motor, extra filters, elektrische en andere aansluitingen, stuureenheden, controlelogica en dergelijke meer.If cooling fans are placed on the housing, these extra means consist of an extra fan with motor, extra filters, electrical and other connections, control units, control logic and the like.

Dit maakt dergelijke compressorelement niet alleen omvangrijker maar ook meer kwetsbaar voor slijtage en mankementen aan de verschillende onderdelen.This makes such a compressor element not only more bulky but also more vulnerable to wear and defects on the various components.

Een bijkomend nadeel is dat de koelventilator op de behuizing met eigen aandrijving zal uitschakelen indien de eigen aandrijving van de koelventilator uitvalt door een stroompanne of dergelijke.An additional drawback is that the cooling fan on the housing with its own drive will switch off if the cooling fan's own drive fails due to a power cut or the like.

In het geval het schoepenrad bij dergelijke stroompanne in de noodlagers komt te liggen, zullen deze ook niet meer gekoeld worden tijdens het tot stilstand komen van het schoepenrad, waardoor de werking ervan ernstig verstoord zal zijn. Dit kan leiden tot beschadigingen aan de machine.In the event that the paddle wheel comes into contact with the emergency bearings in the event of such a power failure, they will also no longer be cooled while the paddle wheel comes to a standstill, as a result of which its operation will be seriously disturbed. This can cause damage to the machine.

De huidige uitvinding heeft tot doel aan minstens één van de voornoemde en andere nadelen een oplossing te bieden.The present invention has for its object to provide a solution to at least one of the aforementioned and other disadvantages.

De huidige uitvinding heeft een centrifugaal schoepenrad als voorwerp met een naaf met een naafoppervlak en een centrale as, welke naaf in de richting van een inlaatzijde naar een uitlaatzijde van het schoepenrad in diameter toeneemt, waarbij de naaf aan de uitlaatzijde voorzien is van een rugwand, waarbij het schoepenrad een aantal uitstekende schoepen omvat die op het naafoppervlak zijn aangebracht, waarbij de naaf voorzien is van kanalen die zich uitstrekken vanaf een ingangsopening in het naafoppervlak tot aan een uitgangsopening in de rugwand, welke kanalen een deel van het gas dat wordt aangezogen afsplitsen en naar de rugwand van het schoepenrad leiden.The present invention has a centrifugal paddle wheel as an object with a hub having a hub surface and a central axis, which hub increases in diameter in the direction from an inlet side to an outlet side of the paddle wheel, the hub being provided with a back wall on the outlet side, the paddle wheel comprising a number of protruding paddles mounted on the hub surface, the hub being provided with channels extending from an entrance opening in the hub surface to an exit opening in the back wall, which channels split off a portion of the gas being sucked in and lead to the back wall of the paddle wheel.

Een voordeel is dat via de kanalen een deel van het aangezogen gas kan afgesplitst worden en gebruikt kan worden als koelgas om de motor en eventueel andere onderdelen te koelen van de machine waarin het centrifugaal schoepenrad wordt toegepast.An advantage is that a portion of the sucked-in gas can be split off via the channels and can be used as cooling gas to cool the engine and possibly other components of the machine in which the centrifugal impeller is used.

Dit betekent dat er geen extra ventilators, aandrijfmotoren of andere onderdelen moeten voorzien worden, zodat de installatie robuuster, goedkoper, eenvoudiger en compacter wordt.This means that no extra fans, drive motors or other components have to be provided, so that the installation becomes more robust, cheaper, simpler and more compact.

Er wordt met andere woorden een integratie van verschillende functies bekomen in een centrifugaal schoepenrad volgens de uitvinding.In other words, an integration of different functions is achieved in a centrifugal paddle wheel according to the invention.

Een ander voordeel is dat door een correcte positionering van de ingangsopeningen en uitgangsopeningen ervoor gezorgd kan worden dat het afgesplitste koelgas nog niet of nauwelijks is samengeperst, zodat dit gas niet is opgewarmd en bijgevolg optimaal kan koelen.Another advantage is that due to the correct positioning of the entrance openings and exit openings it can be ensured that the split-off cooling gas has not yet or hardly been compressed, so that this gas is not heated and can therefore cool optimally.

Een ander voordeel is dat zelfs indien er een stroompanne is, er nog steeds koeling zal zijn terwijl het schoepenrad tot stilstand komt, zodat de noodlagers, de motor en het schoepenrad nog steeds gekoeld worden.Another advantage is that even if there is a power failure, there will still be cooling while the impeller comes to a stop, so that the emergency bearings, the motor and the impeller are still cooled.

Bij voorkeur is de naaf minstens gedeeltelijk hol met één of meer holle ruimtes, waarbij de voornoemde kanalen gevormd worden door één of meer van de voornoemde holle ruimtes of waarbij minstens een gedeelte van de kanalen minstens gedeeltelijk samenvallen of overlappen ter vorming van een holle ruimte.Preferably, the hub is at least partially hollow with one or more hollow spaces, the aforementioned channels being formed by one or more of the aforementioned hollow spaces or wherein at least a portion of the channels at least partially coincide or overlap to form a hollow space.

Een minstens gedeeltelijk holle naaf, sluit niet uit dat in de één of meer holle ruimtes van de naaf bepaalde structuren zijn aanbracht, zoals bijvoorbeeld verstevigingsribben en dergelijke.An at least partially hollow hub does not preclude certain structures, such as, for example, reinforcement ribs and the like, from being provided in the one or more hollow spaces of the hub.

Een voordeel hiervan is dat de massa van het schoepenrad gereduceerd wordt zodat hogere toerentallen van het schoepenrad mogelijk zijn, wat op zich nuttig is voor een energie~efficiënte werking van de machine waarin het schoepenrad wordt toegepast.An advantage hereof is that the mass of the impeller is reduced so that higher speeds of the impeller are possible, which in itself is useful for an energy-efficient operation of the machine in which the impeller is used.

Door een lagere massa van het schoepenrad worden bovendien de lagers van de centrale as minder belast, waardoor bij ontwerp van een machine geopteerd kan worden voor kleinere lagers met als resultaat een lagere kostprijs en/of een compacter compressorelement of een centrale as met kleinere diameter.Due to a lower mass of the impeller, the bearings of the central shaft are moreover less loaded, so that when designing a machine, smaller bearings can be opted for, resulting in a lower cost price and / or a more compact compressor element or a central shaft with a smaller diameter.

Bij voorkeur wordt het schoepenrad vervaardigd door middel van een additieve fabricagemethode.The paddle wheel is preferably manufactured by means of an additive manufacturing method.

Additieve fabricage refereert naar een categorie van fabricagemethodes waarbij, bijvoorbeeld door poederbedfusie (Powder Bed Fusion), thermische energie wordt aangewend om selectief bepaald regionen in een poederbed te laten fusioneren of waarbij door directe energieafzetting (Direct Energy Depositing) gebundelde thermische energie wordt gebruikt om materialen te laten smelten terwijl zij worden afgezet.Additive manufacturing refers to a category of manufacturing methods where, for example through powder bed fusion, thermal energy is used to selectively merge certain regions into a powder bed or where direct energy deposition (bundled energy energy) is used to materials to melt while being deposited.

Binnen de categorie van poederbedfusie bestaan een aantal technologieën zoals elektronenbundel smelten (Electron Beam Melting}, waarbij poedermateriaal gesmolten wordt door gebruik van een elektronenbundel; selectief lasersmelten (Sélective Laser Melting), waarbij poedermateriaal gesmolten wordt door middel van een laser; selectief lasersinteren (Sélective Laser Sintering), waarbij poedermateriaal gesinterd wordt gebruik makend van een laser. De categorie van directe energieafzetting omvat onder andere de technologie van laserbekleding (Laser Cladding).There are a number of technologies within the powder bed fusion category such as electron beam melting (Electron Beam Melting), in which powder material is melted by using an electron beam; selective laser melting (Selective Laser Melting), in which powder material is melted by means of a laser; selective laser sintering (Selective laser sintering) Laser Sintering), in which powder material is sintered using a laser.The direct energy deposition category includes, among other things, the technology of laser coating (Laser Cladding).

Een voordeel van dergelijke additieve fabricagemethode is dat zij zal toelaten om een hol of minstens gedeeltelijk hol uitgevoerd centrifugaal schoepenrad te vervaardigen met kanalen en/of holle ruimten.An advantage of such an additive manufacturing method is that it will allow the manufacture of a hollow or at least partially hollow centrifugal blade wheel with channels and / or hollow spaces.

De uitvinding betreft ook een centrifugale machine die voorzien is van een centrifugaal schoepenrad volgens de uitvinding.The invention also relates to a centrifugal machine which is provided with a centrifugal blade wheel according to the invention.

Met een centrifugale machine wordt bijvoorbeeld een turbocompressor of turbine bedoeld, doch de uitvinding is niet hiertoe beperkt.With a centrifugal machine is meant, for example, a turbo compressor or turbine, but the invention is not limited thereto.

De huidige uitvinding betreft ook een werkwijze voor het koelen van een centrifugale machine, waarbij gebruik gemaakt wordt van een centrifugale machine volgens de uitvinding, waarbij een deel van het aangezogen gas afgesplitst wordt via de kanalen in het centrifugaal schoepenrad en geleid wordt naar de rugwand van het schoepenrad zodat het afgesplitste gas gebruikt kan worden voor het koelen van de centrifugale machine.The present invention also relates to a method for cooling a centrifugal machine, wherein use is made of a centrifugal machine according to the invention, wherein a part of the suction gas is split off via the channels in the centrifugal paddle wheel and is guided to the back wall of the impeller so that the spliced gas can be used to cool the centrifugal machine.

De voordelen van dergelijke centrifugale machine en werkwijze volgens de uitvinding zijn analoog aan de hoger aangehaalde voordelen van een centrifugaal schoepenrad volgens de uitvinding.The advantages of such a centrifugal machine and method according to the invention are analogous to the above-mentioned advantages of a centrifugal blade wheel according to the invention.

Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, zijn hierna, als voorbeeld zonder enig beperkend karakter, enkele voorkeurdragende varianten beschreven van een centrifugaal schoepenrad volgens de uitvinding, een centrifugale machine volgens de uitvinding en een werkwijze voor het koelen van een centrifugale machine, met verwijzing naar de bijgaande tekeningen, waarin: figuur 1 schematisch centrifugale machine volgens de uitvinding weergeeft; figuur 2 schematisch en in perspectief een centrifugaal schoepenrad volgens de uitvinding weergeeft met gedeeltelijke wegsnijding; figuur 3 een alternatieve uitvoeringsvorm weergeeft van het gedeelte dat in figuur 2 is weergegeven door F3 ; figuur 4 een alternatieve uitvoeringsvorm weergeeft van figuur 3; figuur 5 twee mogelijke doorsneden weergeeft volgens de lijn V-V in figuur 3.With the insight to better demonstrate the characteristics of the invention, a few preferred variants of a centrifugal impeller according to the invention, a centrifugal machine according to the invention and a method for cooling a centrifugal are described below as an example without any limiting character. machine, with reference to the accompanying drawings, in which: figure 1 schematically represents centrifugal machine according to the invention; figure 2 schematically and in perspective represents a centrifugal blade wheel according to the invention with partial cut-away; Figure 3 represents an alternative embodiment of the portion shown in Figure 2 by F3; Figure 4 represents an alternative embodiment of Figure 3; figure 5 represents two possible cross-sections along the line V-V in figure 3.

De in figuur 1 weergegeven centrifugale machine 1 is in dit geval een centrifugale compressorelement met een behuizing 2 waarin een aandrijfas 3 is gelagerd door middel van lagers 4.The centrifugal machine 1 shown in Figure 1 is in this case a centrifugal compressor element with a housing 2 in which a drive shaft 3 is mounted by means of bearings 4.

De voornoemde lagers 4 kunnen ook een paar noodlagers omvatten.The aforementioned bearings 4 can also comprise a pair of emergency bearings.

Op de aandrijfas 3 is een centrifugaal schoepenrad 5 volgens de uitvinding aangebracht.A centrifugal blade wheel 5 according to the invention is arranged on the drive shaft 3.

Om de aandrijfas 3 aan te drijven is er een motor 6 voorzien.A motor 6 is provided to drive the drive shaft 3.

In de behuizing 2 is een inlaat 7 voorzien voor de aanvoer van samen te persen gas en een uitlaat 8 voor de afvoer van samengeperst gas.In the housing 2 an inlet 7 is provided for the supply of compressed gas and an outlet 8 for the discharge of compressed gas.

De inlaatzijde 9 van het schoepenrad 5 bevindt zich aan de voornoemde inlaat 7 en de uitlaatzijde 10 aan de voornoemde uitlaat 8.The inlet side 9 of the impeller 5 is located at the aforementioned inlet 7 and the outlet side 10 at the aforementioned outlet 8.

In figuur 2 is het centrifugaal schoepenrad 5 in meer detail weergegeven.Figure 2 shows the centrifugal blade wheel 5 in more detail.

Zoals te zien is in deze figuur, omvat het schoepenrad 5 een naaf 11 met een naafoppervlak 12 en een centrale as 13 met een boring 14 die bedoeld is om gekoppeld te worden met de aandrijfas 3.As can be seen in this figure, the paddle wheel 5 comprises a hub 11 with a hub surface 12 and a central shaft 13 with a bore 14 intended to be coupled to the drive shaft 3.

De naaf 11 neemt in diameter toe in de richting van de inlaatzijde 9 naar de uitlaatzijde 10 van het schoepenrad 5, zodat de naaf 11 een soort van trompetvorm aanneemt waarbij het naafoppervlak 12 glooiend overgaat van een hoofdzakelijk axiale richting X-X' aan de inlaatzijde 9 naar een hoofdzakelijk radiale richting Y-Y' aan de uitlaatzijde 10.The hub 11 increases in diameter in the direction from the inlet side 9 to the outlet side 10 of the paddle wheel 5, so that the hub 11 assumes a kind of trumpet shape in which the hub surface 12 goes smoothly from a substantially axial direction XX 'on the inlet side 9 to a substantially radial direction YY 'on the outlet side 10.

Aan de uitlaatzijde 10 is de naaf 11 voorzien van een rugwand 15.At the outlet side 10, the hub 11 is provided with a back wall 15.

Op de rugwand is een afdichting 16 voorzien die ervoor zal zorgen dat de warme perslucht afgescheiden blijft van het motorcompartiment.A seal 16 is provided on the back wall which will ensure that the hot compressed air remains separated from the engine compartment.

Op het naafoppervlak 12 zijn een aantal uitstekende schoepen 17 aangebracht.A number of projecting blades 17 are provided on the hub surface 12.

In het weergegeven voorbeeld zijn twee reeksen schoepen 17 voorzien, namelijk hoofdschoepen 17a, enerzijds, die zich over een zekere lengte uitstrekken vanaf de axiaal gerichte inlaatzijde 9 van de naaf 5 tot aan de radiaal gerichte uitlaatzijde 10 van de naaf 5 en zogenaamde splitterschoepen 17b, anderzijds, die zich tussen de hoofdschoepen 17a uitstrekken over een kortere lengte, beginnend op een axiale afstand van de inlaatzijde 9 van de naaf 5 tot aan de uitlaatzijde 10 van de naaf 5.In the example shown, two sets of blades 17 are provided, namely main blades 17a, on the one hand, which extend over a certain length from the axially directed inlet side 9 of the hub 5 to the radially directed outlet side 10 of the hub 5 and so-called splitter blades 17b, on the other hand, which extend between the main vanes 17a over a shorter length, starting at an axial distance from the inlet side 9 of the hub 5 to the outlet side 10 of the hub 5.

De uitvinding is evenwel niet beperkt tot twee reeksen van schoepen 17, maar is eveneens van toepassing op elk aantal reeksen van schoepen 17, waarbij er bijvoorbeeld geen splitterschoepen 17b aanwezig zijn of integendeel meerdere reeksen splitterschoepen 17b kunnen voorzien zijn.However, the invention is not limited to two sets of vanes 17, but also applies to any number of sets of vanes 17, wherein, for example, no splitting vanes 17b are present or, on the contrary, several sets of splitting vanes 17b can be provided.

Volgens de uitvinding is de naaf 5 voorzien van één of meer kanalen 18 die zich doorheen de naaf 5 uitstrekken.According to the invention, the hub 5 is provided with one or more channels 18 which extend through the hub 5.

De kanalen 18 strekken zich uit vanaf een ingangsopening 19 die gelegen is in het naafoppervlak 12 tot aan een uitgangsopening 20 in de rugwand 15.The channels 18 extend from an entrance opening 19 located in the hub surface 12 to an exit opening 20 in the back wall 15.

De kanalen 18 zullen een deel van het gas dat wordt aangezogen kunnen afsplitsen zodat dit afgesplitste gas via de ingangsopeningen 19 en het kanaal 18 naar de uitgangsopening 20 en de rugwand 15 van het schoepenrad 5 wordt geleid.The channels 18 will be able to split off a part of the gas being sucked in so that this split gas is led via the entrance openings 19 and the channel 18 to the exit opening 20 and the back wall 15 of the impeller 5.

Zoals te zien is in de figuur, bevindt de ingangsopening 19 in het naafoppervlak 12 zich op een afstand A van de inlaatzijde 9, op een afstand B van de as 13.As can be seen in the figure, the entrance opening 19 in the hub surface 12 is at a distance A from the inlet side 9, at a distance B from the shaft 13.

Het is niet uitgesloten dat deze laatste afstand B bijna nul is, met andere woorden dat de ingangopening 19 zich ter plaatse van de inlaatzijde 9 bevindt.It is not excluded that this last distance B is almost zero, in other words that the entrance opening 19 is located at the inlet side 9.

De uitgangsopening 20 bevindt zich in dit geval in de rugwand 15 op een afstand C die groter is dan de voornoemde afstand B.In this case, the exit opening 20 is located in the back wall 15 at a distance C that is greater than the aforementioned distance B.

De kanalen 18 zullen zich met andere woorden in de richting van de ingangsopening 19 naar de uitgangsopening 20 toe in axiale zin Y-Y' afbuigen, weg van de centrale as 13.In other words, the channels 18 will deflect in the direction from the entrance opening 19 to the exit opening 20 in the axial sense Y-Y ', away from the central axis 13.

Door deze afbuiging zal een lichte drukstijging van het afgesplitste gas bekomen worden, wat nodig is om ervoor te zorgen dat de stroming doorheen dit kanaal 18 verbetert en dat het afgesplitste gas optimaal zal kan aangewend worden voor de koeling.This deflection will result in a slight pressure rise of the split gas, which is necessary to ensure that the flow through this channel 18 improves and that the split gas can be optimally used for cooling.

Zoals te zien is in de figuren, hebben de kanalen 18 een hoofdzakelijk vierkante of rechthoekige doorsnede.As can be seen in the figures, the channels 18 have a substantially square or rectangular cross-section.

Het is echter niet uitgesloten dat de kanalen 18 een ronde of ovale doorsnede hebben.However, it is not excluded that the channels 18 have a round or oval cross-section.

De doorsnede van de kanalen 18 varieert in dit geval in de richting van de ingangsopening 19 naar de uitgangsopening 20. De variatie van de doorsnede van de kanalen 18 zal ervoor zorgen dat de stroming of circulatie in het kanaal 18 optimaal verloopt.The cross-section of the channels 18 in this case varies in the direction from the entrance opening 19 to the exit opening 20. The variation of the cross-section of the channels 18 will ensure that the flow or circulation in the channel 18 runs optimally.

Het aantal en de vorm van de kanalen 18 en de ingangsopeningen 19 is in dit geval zodanig dat ongeveer 10 tot 35 procent, bijvoorbeeld 25 procent, van het aangezogen gas door het centrifugaal compressorelement 1 kan afgesplitst worden en via de ingangsopeningen 19, de kanalen 18 en de uitgangsopeningen 20 kan afgevoerd worden.The number and shape of the channels 18 and the input openings 19 is in this case such that approximately 10 to 35 percent, for example 25 percent, of the aspirated gas can be split off by the centrifugal compressor element 1 and via the input openings 19, the channels 18 and the exit openings 20 can be discharged.

De werking van het centrifugaal compressorelement 1 is zeer eenvoudig en als volgt.The operation of the centrifugal compressor element 1 is very simple and as follows.

Tijdens de werking van het centrifugaal compressorelement 1 zal de motor 6 de aandrijfas 3 aandrijven waardoor het centrifugaal schoepenrad 5 zal roteren.During the operation of the centrifugal compressor element 1, the motor 6 will drive the drive shaft 3, whereby the centrifugal impeller 5 will rotate.

Door deze rotatie zal er bijvoorbeeld omgevingslucht aangezogen worden via de inlaat 7 en via de roterende schoepen 17 op het naafoppervlak 12 samengeperst worden en via de uitlaat 8 worden afgevoerd.As a result of this rotation, ambient air will, for example, be sucked in via the inlet 7 and compressed on the hub surface 12 via the rotating vanes 17 and discharged via the outlet 8.

Een gedeelte van de aangezogen lucht, in dit geval 25 procent, zal via de kanalen 18 afgesplitst en afgevoerd worden naar de rugwand 15 van het schoepenrad 5.A portion of the air sucked in, in this case 25 percent, will be split off via the channels 18 and discharged to the back wall 15 of the paddle wheel 5.

Door de vorm van de kanalen 18 zal ervoor gezorgd kunnen worden dat de afgesplitste lucht optimaal kan doorstromen en afgevoerd worden naar de aandrijfas 3 en de motor 6 voor de koeling ervan.Due to the shape of the channels 18, it will be possible to ensure that the split air can flow optimally and be discharged to the drive shaft 3 and the motor 6 for cooling thereof.

Tijdens de doortocht doorheen de kanalen 18, zal de afgesplitste lucht tevens het schoepenrad 5 kunnen koelen.During the passage through the channels 18, the split air will also be able to cool the paddle wheel 5.

Op deze manier wordt een efficiënte koeling bekomen van het centrifugaal compressorelement 1 door de afgesplitste koellucht zonder dat er een extra koelventilator moet worden geïntegreerd.In this way efficient cooling is achieved from the centrifugal compressor element 1 by the split-off cooling air without the need for an additional cooling fan.

Indien door een storing of faling de motor 6 zou uitvallen, zal het compressorelement 1 stilvallen, waarbij het centrifugaal schoepenrad 5 tot stilstand zal komen in de noodlagers.If the motor 6 should fail due to a malfunction or failure, the compressor element 1 will stop, the centrifugal impeller 5 coming to a halt in the emergency bearings.

Doordat tijdens dit tot stilstand komen, er nog steeds een lucht zal afgesplitst kunnen worden als koellucht voor het koelen van de motor 6, aandrijfas 3, noodlagers en schoepenrad 5, zal vermeden kunnen worden dat er thermische schade optreedt wanneer het compressorelement 1 stilvalt.Because during this coming to a standstill, air will still be able to be split off as cooling air for cooling the motor 6, drive shaft 3, emergency bearings and impeller 5, thermal damage can be prevented when the compressor element 1 comes to a standstill.

In figuur 3 is een alternatieve uitvoeringsvorm weergegeven van een schoepenrad 5 volgens de uitvinding.Figure 3 shows an alternative embodiment of a paddle wheel 5 according to the invention.

In dit geval is de naaf 11 hol uitgevoerd met meerdere holle ruimten 21.In this case the hub 11 is hollow with a plurality of hollow spaces 21.

Doordat de naaf 11 hol is uitgevoerd, zal de naaf 11 een lager gewicht hebben, met de voornoemde bijhorende voordelen.Because the hub 11 is of hollow design, the hub 11 will have a lower weight, with the aforementioned associated advantages.

Minstens een gedeelte van de voornoemde kanalen 18 grenzen minstens gedeeltelijk aan elkaar in de omtreksrichting.At least a portion of the aforementioned channels 18 are adjacent at least partially to each other in the circumferential direction.

Het is ook mogelijk dat alternatief minstens een gedeelte van de kanalen 18 minstens gedeeltelijk samenvallen of overlappen.It is also possible that alternatively at least a portion of the channels 18 at least partially coincide or overlap.

Zoals is weergegeven in figuur 3, zijn de kanalen 18 die aan elkaar grenzen in de omtreksrichting van elkaar gescheiden door ribben 21 die zich radiaal of zo goed als radiaal uitstrekken. Met andere woorden: de ribben 22 doen dienst als een scheidingswand tussen de verschillende kanalen 18.As shown in Figure 3, the channels 18 adjacent to each other in the circumferential direction are separated from each other by ribs 21 extending radially or practically radially. In other words: the ribs 22 serve as a partition between the different channels 18.

Deze ribben 22 zullen bovendien de naaf 11 van het schoepenrad 5 verstevigen.These ribs 22 will furthermore reinforce the hub 11 of the paddle wheel 5.

Door toepassen van deze ribben 22 kunnen de kanalen 18 groter uitgevoerd worden, zonder dat de stevigheid van de naaf 11 in het gedrang komt.By using these ribs 22, the channels 18 can be made larger, without the stability of the hub 11 being compromised.

De ribbe 22 is in dit geval uitgevoerd als een ventilatorschoep. Dergelijke ribben 22 zullen een soort van compressorwerking hebben.The rib 22 is in this case designed as a fan blade. Such ribs 22 will have some sort of compressor action.

In figuur 5 geeft de bovenste figuur de vorm van de doorsnede van dergelijke ribbe 22 weer.In Figure 5, the upper figure shows the shape of the cross-section of such a rib 22.

De ribben 22 zullen tot effect hebben dat tijdens de werking van het centrifugaal schoepenrad 5, de afgesplitste lucht gecomprimeerd wordt zodat een goede circulatie van de afgesplitste koellucht kan bekomen worden.The ribs 22 will have the effect that during the operation of the centrifugal blade wheel 5, the split air is compressed so that a good circulation of the split cooling air can be obtained.

In figuur 4 is een alternatieve uitvoeringsvorm weergegeven van figuur 3.Figure 4 shows an alternative embodiment of Figure 3.

In dit geval buigen de kanalen 18 niet of nauwelijks af in radiale zin Y-Y' . Dit wil zeggen dat in dit geval de afstand B ongeveer gelijk is aan de afstand C. Tevens varieert de doorsnede van het kanaal 18 niet of nauwelijks.In this case the channels 18 do not or hardly bend in the radial sense Y-Y '. This means that in this case the distance B is approximately equal to the distance C. In addition, the cross-section of the channel 18 hardly varies, if at all.

Het is ook mogelijk dat de afstand C kleiner is dan de afstand B. Dit wil zeggen dat de kanalen 18 in radiale zin Y-Y' afbuigen naar de as 13 toe. In dit laatste geval zal de afgesplitste lucht expanderen door de turbinewerking van de kanalen 18.It is also possible that the distance C is smaller than the distance B. This means that the channels 18 deflect Y-Y 'in the radial sense towards the axis 13. In the latter case, the split off air will expand due to the turbine operation of the channels 18.

De doorsnede van de ribben 22 in de kanalen 18 is weergegeven in de onderste figuur van figuur 5.The cross-section of the ribs 22 in the channels 18 is shown in the lower figure of Figure 5.

De ribben 22 zijn uitgevoerd als turbineschoepen.The ribs 22 are designed as turbine blades.

Dit wil zeggen dat ze een zekere drukverlaging zullen teweeg brengen van het afgesplitste gas bij zijn doortocht door het kanaal 18.This means that they will cause a certain pressure reduction of the split gas on its passage through the channel 18.

Dergelijke toepassing wordt bijvoorbeeld gebruikt in de tweede trap van een twee-trapscompressor, waarbij de lucht in de inlaat 8 zich reeds op een hogere druk bevindt en door middel van de turbineschoepen in de kanalen 18 geëxpandeerd zal worden tot omgevingsdruk of ongeveer omgevingsdruk alvorens het naar de motor 6, de aandrijfas 3 en de noodlagers geleid zal worden voor de koeling ervan.Such application is used, for example, in the second stage of a two-stage compressor, wherein the air in the inlet 8 is already at a higher pressure and will be expanded by means of the turbine blades in the channels 18 to ambient pressure or approximately ambient pressure before moving to the motor 6, the drive shaft 3 and the emergency bearings will be guided for cooling.

Een voordeel hiervan is dat het afgesplitste gas, dat gecomprimeerd werd, zal afgekoeld worden door de expansie, zodat het optimaal zal kunnen koelen.An advantage of this is that the split gas, which has been compressed, will be cooled by the expansion, so that it will be able to cool optimally.

Een bijkomend voordeel is dat de energie die vrijkomt tijdens de expansie, gerecupereerd kan worden.An additional advantage is that the energy that is released during the expansion can be recovered.

In de hierboven weergegeven voorbeelden is het niet uitgesloten dat de voornoemde ribben 22 gevormd worden door een radiale verlenging van de schoepen 17 van het schoepenrad 5 naar de centrale as 13 toe tot in de kanalen 18 of de holle ruimten 21.In the examples shown above, it is not excluded that the aforementioned ribs 22 are formed by a radial extension of the blades 17 from the blade wheel 5 to the central axis 13 into the channels 18 or the cavities 21.

Met andere woorden: de schoepen 17 lopen als het ware door in de kanalen 18. Uiteraard zal de vorm, de kromming, ... van ribben 22 in de kanalen 18 verschillen van de vorm, de kromming, ... van de eigenlijke schoepen 17.In other words: the blades 17 extend as it were in the channels 18. Of course the shape, the curvature, ... of ribs 22 in the channels 18 will differ from the shape, the curvature, ... of the actual blades 17.

Het is niet uitgesloten dat slechts een gedeelte van de ribben 22 gevormd worden door een radiale verlenging van de schoepen 17 en dat dit voor een ander gedeelte van de ribben 22 niet het geval is.It is not excluded that only a portion of the ribs 22 are formed by a radial extension of the blades 17 and that this is not the case for another portion of the ribs 22.

Het is ook niet uitgesloten dat in de uitvoeringsvorm zoals weergegeven in figuur 2, in de kanalen 18, soortgelijke ribben 22 zijn aangebracht die zich radiaal of ongeveer radiaal uitstrekken ter versteviging van de naaf 11 van het schoepenrad 5. Merk op dat in dit geval de ribben 22 geen dienst doen als scheidingswand tussen de verschillende kanalen 18.It is also not inconceivable that in the embodiment as shown in Figure 2, similar ribs 22 are arranged in the channels 18 which extend radially or approximately radially to reinforce the hub 11 of the impeller 5. Note that in this case the ribs 22 do not serve as a partition between the different channels 18.

De huidige uitvinding is geenszins beperkt tot de als voorbeeld beschreven en in de figuren weergegeven uitvoeringsvormen, doch een centrifugaal schoepenrad volgens de uitvinding, een centrifugale machine volgens de uitvinding en een werkwijze voor het koelen van een centrifugale machine kunnen in allerlei varianten worden verwezenlijkt zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.The present invention is by no means limited to the embodiments described as examples and shown in the figures, but a centrifugal paddle wheel according to the invention, a centrifugal machine according to the invention and a method for cooling a centrifugal machine can be realized in all kinds of variants without outside within the scope of the invention.

Claims

Conclusions.

1. - Centrifugal paddle wheel with a hub (11) with a hub surface (12) and a central shaft (13), which hub (11) moves in the direction from an inlet side (9) to an outlet side (10) of the paddle wheel (5). ) increases in diameter, the hub (11) on the outlet side (10) being provided with a back wall (15), the paddle wheel (5) comprising a number of protruding blades (17) mounted on the hub surface (12), characterized in that the hub (11) is provided with channels (18) extending from an entry port (19) in the hub surface (12) to an exit port (20) in the back wall (15), which channels (18) part of the gas that is sucked in, split off and lead to the back wall (15) of the paddle wheel (5).

Centrifugal paddle wheel according to claim 1, characterized in that at least a portion of the channels (18) at least partially coincide or overlap or that at least a portion of the channels (18) at least partially abut each other in the circumferential direction.

Centrifugal paddle wheel according to claim 1 or 2, characterized in that ribs (22) are arranged in said channels (18) which extend radially or approximately radially to reinforce the hub (11) of the paddle wheel (5) or that the channels (18) which at least partially coincide or overlap or are adjacent to each other in the circumferential direction are separated from each other by ribs (22) extending radially or approximately radially.

Centrifugal paddle wheel according to claim 3, characterized in that the aforementioned ribs (22) are designed or designed as fan blades or as turbine blades,

Centrifugal paddle wheel according to claim 3 or 4, characterized in that at least a part of at least a part of the aforementioned ribs (22) is formed by a radial extension of the paddles (17) from the paddle wheel (5) to the central axis (13) into the channels (18) or the cavities (21).

Centrifugal paddle wheel according to one of the preceding claims, characterized in that the entrance opening (19) in the hub surface (12) is located at the inlet side (9) or at a distance (A) from the inlet side (9) of the impeller is at a distance (B) from the central axis (13).

Centrifugal paddle wheel according to claim 6, characterized in that the exit opening (20) in the back wall (15) is at a distance (C) from the central axis (13) that is greater than the aforementioned distance (B) between the central axis (13) and the entrance opening (19).

Centrifugal paddle wheel according to claim 6, characterized in that the exit opening (20) in the back wall (15) is at a distance (C) from the central axis (13) that is smaller than the aforementioned distance (B) between the central axis (13} and the entrance opening (19).

Centrifugal paddle wheel according to one of the preceding claims, characterized in that the channels (18) have a substantially square or rectangular cross-section.

Centrifugal paddle wheel according to one of the preceding claims, characterized in that the cross-section of the channels (18) varies in the direction from the entrance opening to the exit opening.

Centrifugal paddle wheel according to one of the preceding claims, characterized in that the paddle wheel (5) is manufactured by means of an additive manufacturing method.

Centrifugal paddle wheel according to one of the preceding claims, characterized in that the number and shape of the channels (18) and entrance openings (19) is such that 10 to 35 percent of the sucked gas can be split off and via the entrance openings ( 19), the channels (18) and the exit openings (20) can be discharged,

Centrifugal machine, characterized in that the machine is provided with a centrifugal blade wheel (5) according to one of the preceding claims.

Method for cooling a centrifugal machine (1), characterized in that use is made of a centrifugal machine (1) according to claim 13, wherein a part of the sucked-in gas is split off via the channels (18) in the centrifugal impeller (5) and is guided to the back wall (15) of the impeller (5) so that the spliced gas can be used to cool the centrifugal machine (1).