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Mehrstufiger umlaufender Verdichter.
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folge von der Rückseite der Schaufeln noch leichter ablöst.
Der erfindungsgemässe Verdichter beseitigt diese Nachteile durch mehrere Massnahmen, von welchen die führende Rolle der zur Beseitigung der nachteiligen Wirkung der Wandreibung zukommt.
Dieser wird erfindungsgemäss hauptsächlich durch das Absaugen der Grenzschicht und Zurückfahren derselben mit Hilfe von in den Wänden vorgesehenen Kanälen in die Raumteile niedrigeren Druckes, und in zweiter Reihe durch entsprechende Formgebung der Schaufelenden in bezug auf die verminderte
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auf mehrere zusammengehörige (nebeneinander liegende) Sehaufelkränze aufgeteilt werden, um hie- durch die auf die einzelnen Stufenteilen fallende Druckzunahme, mit welcher die Gefahr des Ablösens zunimmt, geringer zu machen. Andere Verbesserungsvorschläge werden in den nachstehenden erwähnt.
Einzelne Ausführungsformen der erfindungsgemäss in Betracht kommenden Verdichter, ferner einige Einzelheiten der Erfindung sind in den Fig. 1-19 ersichtlich, von welchen in Fig. 1 der Längsschnitt einer Ausführungsform des mit trommelförmigem Laufrad ausgebildeten, axial durchströmten Verdichters, in Fig. 2 ein Detail des Querschnittes dieses Verdichters, in Fig. 3 der Längsschnitt eines axial durchströmten Verdichters mit zwei in entgegengesetzten Richtungen umlaufenden Laufrädern, in Fig. 4-5 die Meridiansehnitte von zwei mit scheibenförmigem Laufrad versehenen, radial durchströmten Verdichtern (gemäss Fig. 5 mit zwei in entgegengesetzten Richtungen umlaufenden Laufrädern) dargestellt sind ;
in Fig. 6-8 sind die Beschaufelungen einiger Ausführungsbeispiele des Verdichters ersichtlich ; Fig. 9-14 lassen die in den Wänden vorgesehenen erfindungsgemässen Zurück- führungskanäle erkennen ; Fig. 15-16 zeigen die Formgebung der Schaufelenden, schliesslich zeigen Fig. 17-19 den Längs-und Querschnitt bzw. die Draufsicht einer Einrichtung zur Verdrehung der Schaufeln.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines axial durchströmten Verdichters in Längsschnitt dargestellt. Im Gehäuse 1 ist der in den Lagern 2 gelagerte Läufer J untergebracht, welcher durch die eine der Kupplungsscheiben ? angetrieben wird. Die Durchführungen der Läuferwelle im Gehäuse werden mit Hilfe der Stopfbüchse 4 dicht abgeschlossen. Das Gas tritt in den Verdichter beim An- schluss 6 ein und verlässt denselben beim Anschluss 7. Im Gehäuse 1 sind die in Kränzen angeordneten unbeweglichen Schaufeln 8 und 9 befestigt, hingegen sind die umlaufenden Schaufeln 10, 11 (gleichfalls in Kränzen) am Laufrad gruppiert. Im Anschluss 6 ist zwecks Regelung ein Drosselventil zu vorgesehen.
Das Gas strömt zwischen den Schaufeln in der Richtung der eingezeichneten Pfeile durch, währenddessen sein Druck zunimmt. Die Druckzunahme entsteht infolge der Diffusorwirkung der Schaufelkränze, da die relative Geschwindigkeit des strömenden Mittels in den Schaufelkränze abnimmt. Gemäss der Formgebung der Schaufeln kann die Druckzunahme entweder nur in den umlaufenden oder aber auch in den unbeweglichen Schaufelkränze stattfinden.
In Fig. 3 ist der schematische Meridiansehnitt eines solchen Ausführungsbeispieles ersichtlich, bei welchem anstatt umlaufender und unbeweglicher Schaufelkränze zwei in entgegengesetzter Richtung umlaufende Schaufelkranzsysteme angewendet sind. Bei dieser Anordnung kann ein gewisser Druck mit wenigeren Schaufelkränze hergestellt werden, da die anstatt der unbeweglichen Schaufeln gewählten, in der entgegengesetzten Richtung umlaufenden Schaufeln wirksamer sind. Die die Schaufeln tragenden und in entgegengesetzten Richtungen umlaufenden Laufräder 13 und 14 sind mit ihren Wellenenden 15 und 16 in den Lagern 17 und 18 gelagert.
Das Gehäuse 19 besitzt zwecks Abdichtung der Wellenenden 15 und 16 die Stopfbüchsen 20, hingegen passt das äussere Laufrad entweder mit einem möglichst geringen Spiel in das Gehäuse 19 hinein, oder aber kann der Abschluss der Eintrittseite 22 von der Austrittseite 23 mit Hilfe der Labyrinthdichtung 21, oder mit Hilfe eines beliebigen andern Dichtungssystems bewirkt werden. Im Laufrad 13 sind zwecks Durchlasses des Arbeitsmittels die Öffnungen 24-25 vorgesehen, durch welche hindurch das Arbeitsmittel aus dem Gehäuse zu den Schaufelkränze gelangen kann.
In Fig. 4 ist als weiteres Ausführungsbeispiel ein radial durchströmter Verdichter in Meridianschnitt dargestellt. Die umlaufenden Schaufeln 26 sind an der rotierenden Scheibe 27 befestigt, welche mit ihrer Welle 28 in den Lagern 29 gelagert ist. Zwischen den umlaufenden Schaufelkränzen sind die unbeweglichen Schaufelkränze 30 angeordnet, welche in das Gehäuse 31 eingebaut sind. Das zu verdichtende Mittel strömt bei der Öffnung 32 ein und verlässt den Verdichter, nach Durchströmung der Schaufelkränze in radialer Richtung, bei der Öffnung 5. 3.
Stopfbüchse M dient zum Abschluss der Welle 28.
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ihren Wellen. 37 und-38 in den Lagern 39 und 40 geführt ; Auf die Scheiben sind zwecks Verdichtung die Schaufeln 41, 42 befestigt. Das zu verdichtende Mittel tritt bei der Eintrittsöffniing in das
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ausgebildet, welche das strömende Mittel in radialer Richtung strömen lassen bzw. die Strömung hinter den Ringen ermöglichen.
Zur Fortsetzung der Einschnitte 79 sind stellenweise auch an den Ringen 76, 76', 76"Ausschnitte vorgesehen, wodurch das Arbeitsmittel von der Rückseite irgendeiner Schaufel nicht nur vor derselben Schaufel, sondern sogar vor entfernter liegenden Schaufeln in den Schaufelraum zurückgeführt werden kann. Das den Schaufeln zugekehrte Ende der Ringquerschnitte/S, 76', 76"kann zweckmässig so ausgebildet werden, dass das Arbeitsmittel ohne Verlust in die Kanäle einströmen, bzw. dass dasselbe zum im Schaufelraum strömende Mittel zwischen die Schaufeln in tangentialer Richtung eintreten kann. Im Falle einer derartigen Ausbildung erhält das innere Ende der Ringe 76 usw. sowohl in der Strömungsrichtung als auch in der entgegengesetzten Richtung je eine abgerundete Erweiterung.
Bei der in Fig. 12 in Längsschnitt und in Fig. 13 in Draufsicht der Schaufeln dargestellten Anordnung reicht in die durch das Laufrad oder Gehäusewand 80 und durch die Ringe 81, 82 gebildete Rille der Schaufelkranz 83 hinein, dessen Schaufeln 85 den auf die Schaufelenden mit Hilfe der verwendeten Verlängerungen 84 befestigten Kranzreif 86 tragen. Dieser Reif ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel, ohne dass dies unbedingt erforderlich wäre, auch noch mit den Schaufeln 87 versehen. Die Ringe 81 und 82 können in der dargestellten Weise auch mit den Lenkschaufeln 88 versehen werden. Die Ringe 81 tragen an ihren den Schaufeln 85 zugekehrten Seiten die bogenförmigen Führungsteile 89.
Bei dieser Anordnung tritt die abgebremste Grenzschicht, bei Umgehung des Kranzreifes 86 und nach Durchströmung der verwendeten Leitschaufeln, in den Verdichtungsraum wieder ein, und werden die vor und hinter dem Schaufelkranz befindliehen Öffnungen der die Grenzschicht absaugenden Kanäle nur durch den Schaufelkranz selbst voneinander getrennt.
Fig. 14 zeigt eine derartige Anordnung in Längsschnitt, bei welcher der im Gehäuse 90 befestigte Ring 91 die Leitschaufeln 92 trägt, entlang welcher letzteren das Arbeitsmittel in den Verdich- tungsraum zurückströmt, wogegen Ring 93, welche die stehenden Schaufeln trägt, keine Leitschaufeln besitzt. Der Strömungsweg der abgesaugten Grenzschicht wird durch die eingezeichneten Pfeile angedeutet. Mit Hilfe der Schaufeln 92, ebenso wie mit Hilfe der Schaufeln 88 in Fig. 12, wird dem Arbeitsmittel eine solche Umfangsgeschwindigkeit erteilt, wodurch die auf die Schaufeln bezogene relative Umfangsgeschwindigkeit erhöht wird.
Der Einfluss der Reibung der das Arbeitsmittel führenden Wände äussert sich, wie gleichfalls erwähnt wurde, auch noch darin, dass, von einigen Ausführungen abgesehen, die relative Geschwindigkeit zwischen den Schaufeln und dem Arbeitsmittel in der Nähe der Wände vermindert wird. Infolgedessen ist die Wirkung der Schaufeln in der Nähe der Wände kleiner und falls es erwünscht ist, mit den in der Nähe der Wände befindlichen Schaufelteilen dieselbe Druckerhöhung zu erzielen, wie mit den von den Wänden entfernteren Schaufelteilen, so müssen die Schaufeln eine besondere Ausbildung erhalten. Zufolge der Wandreibung wird nicht nur die Grösse, sondern auch die Richtung der relativen Geschwindigkeit geändert, und es ist zweckmässig, bei der Ausbildung der Schaufeln auch auf diesen Umstand Rücksicht zu nehmen.
Der Einfluss der Abnahme der relativen Geschwindigkeit kann im allgemeinen dadurch beseitigt werden, dass die Schaufeln in der Nähe der Wände eine grössere Breite als in der Schaufelmitte erhalten. Eine derartige Ausführung ist in den Fig. 15 und 16 ersichtlich ; die in der Schaufelmitte (im Schnitt 4-1) gemessene Breite t1, t/der im Läufer und im Gehäuse befestigten umlaufenden bzw. stehenden Schaufeln 96 und 97 ist kleiner als die in den Schnitten B-B
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besitzt irgendeine kennzeichnende Richtung der Schaufelprofile, z. B. die aerodynamisch neutrale Richtung, in bezug auf die Umlaufsriehtung an den Schaufelenden einen andern Neigungswinkel als in der Schaufelmitte.
(Die aerodynamisch neutrale Richtung ist, wie bekannt, diejenige Richtung, für welche, falls diese mit der Richtung der relativen Geschwindigkeit übereinstimmt, die hierauf senkrechte Kraftkomponente 0 ist ; diese Richtung, welche angenähert mit der Richtung D-D in Fig. 6 identisch ist, kann also einwandfrei auf Grund dieser Bedingung bestimmt werden.) Hiedurch kann gesichert werden, dass der Angriffswinkel der relativen Geschwindigkeit des Arbeitsmittels (der durch die aerodynamisch neutrale Richtung und durch die relative Geschwindigkeit bestimmte Winkel, z. B. in Fig. 6, für die Schaufeln des stehenden Schaufelkranzes angegeben, ; p) auch an den Schaufelenden den vorteilhaftesten Wert besitzt.
In Fig. 16 ist dementsprechend Winkel a1 grösser als die Winkel a2 und a3 an den Sehaufelenden. In Fig. 16 bezeichnet Pfeil I die Richtung der Umfangsgeschwindigkeit des umlaufenden Schaufelkranzes, Pfeil II dagegen die Richtung der Meridiangeschwindigkeit.
Im allgemeinen kann der Verdichter so ausgebildet werden, dass beim Durchströmen des stehenden Schaufelkranzes Druckzunahme (Diffusorwirkung) oder Druckabfall (Konfusorwirkung) entsteht oder aber der Druck ungeändert bleibt, und hängt es von der jeweiligen Einstellung der aerodynamisch neutralen Richtung der stehenden Schaufeln gegenüber der Meridianebene ab, welcher
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dieser Fälle eintreten wird. Ist die aerodynamisch neutrale Richtung gegenüber der Meridianebene nur weniger um den dem günstigen Angriffswinkel m der Schaufeln entsprechenden Wert verdreht, oder fällt sie in den Meridianschnitt, so tritt in dem stehenden Schaufelkranz keine Druckänderung auf oder ist diese Druckänderung nur sehr gering.
Dies ist aus dem Grunde vorteilhaft, weil hiemit einerseits konstruktive Vorteile verknüpft sind, und anderseits in diesem Falle eine Druckzunahme nur in den umlaufenden Schaufeln stattfindet, wo dem Arbeitsmittel auch die Energie der Verdichtung zugeführt wird.
Um die Abmessungen des Verdichters erniedrigen und die Wirtschaftlichkeit desselben erhöhen zu können, ist es vorteilhaft, in einer Druckstufe je grössere Druckerhöhung zu erzielen. Die mit einem Schaufelkranz erzielbare Druckerhöhung wird grösser sein, wenn die auf die Meridiangeschwindigkeit senkrechte Projektion der Schaufeln im Vergleich zum gleichfalls auf die Meridiangeschwindigkeit senkrechten Querschnitt des das Laufrad umgebenden ringförmigen Durchströmungsräumes gross ist.
In Fig. 2 kann die Projektion F der Schaufeln aus der Zeichnung ermittelt werden, und ist der fragliche ringförmige Querschnitt gemäss dieser Figur Fj = (R-) . Mit dem in dieser Weise erzielbaren Vorteil ist aber auch ein in dem Masse der Steigerung der Druckerhöhung der einzelnen Stufen zunehmender Nachteil verbunden. Ist nämlich das Verhältnis F : Fl zu gross, so findet an der Rück-
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Pfeil 48 bezeichnet ; die Richtung der Meridiangeschwindigkeit stimmt mit der Pfeilrichtung 49 überein. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die gemeinsam (in einer Gruppe) umlaufenden
Schaufeln in drei Kränzen angeordnet. Die Schaufeln 50 sind stehende bzw. eventuell in der entgegengesetzten Richtung umlaufende Schaufeln, welche gleichfalls in mehreren Kränzen angeordnet werden können.
Im allgemeinen ist für diese Anordnung kennzeichnend, dass zwischen zwei stehenden bzw. in derselben Richtung umlaufenden Sehaufelkränzen zwei oder mehrere gemeinsam umlaufende bzw. stehende Schaufelkränze vorgesehen sind. Bei dieser Ausführungsform kann mit einer gewissen Gesamtschaufelfläche grössere Druckdifferenz erhalten werden, als wenn anstatt der mehreren nebeneinander vorgesehenen Schaufeln nur in einem Schaufelkranz angeordnete Schaufeln von derselben Gesamtoberfläche angewendet wären.
Im Zusammenhang hiemit ist auch eine solche Ausführungsform möglich, bei welcher die in mehreren Kränzen nebeneinander angeordneten und gemeinsam umlaufenden Schaufeln nicht von der gleichen Grösse sind. So kann sich die mehrkränzige Anordnung z. B. zu den aus der Flugtechnik bekannten, sogenannten Spaltprofilschaufeln degenerieren, wobei auch Schaufeln mit mehreren Spalten in Betracht kommen können. Derartige Ausführungsbeispiele sind in Fig. 7 und 8 ersichtlich. In Fig. 7 sind die Kränze 51 und 52 so angeordnet, dass sie zusammen ein Spaltprofil ergeben. In Fig. 8 ergeben die einzelnen Schaufeln 53, 54, 55 ein Schaufelprofil mit zwei Spalten.
Bei diesen Profilen ist die Gefahr des Ablösens wesentlich geringer als bei den einfachen Profilen, aus welchem Grunde mit solchen Spaltprofilen gute Wirkungsgrade und grosse Druckstufen erreicht werden können.
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Zur wirtschaftlichen Erzeugung der gemäss den vorigen zulässigen, je grösseren Druckdifferenzen ist es erforderlich, den Schaufeln eine möglichst grosse Umfangsgeschwindigkeit zu erteilen, da die
Wirksamkeit der Schaufeln dem Quadrat der relativen Geschwindigkeit verhältig ist. Aus diesem
Grunde soll bei den erfindungsgemässen Verdichtern das Verhältnis der inneren und äusseren Halb- messer der Schaufeln ( : Ri, s. Fig. 2) zweckmässig nicht kleiner als 0-7 gewählt werden, da sonst die zur Drehungsachse näher liegenden Schaufelteile wegen der kleineren Umfangsgeschwindigkeit unwirksam bleiben könnten. In dieser Fig. 2 bezeichnet Rz den äusseren Halbmesser des Läufers 3,
Rl dagegen den inneren Halbmesser des Gehäuses 1.
Für gewisse Zwecke kann auch noch die Regulierung des im Verdichter erzeugten Druckes und der zu verdichtenden Gasmenge erforderlich sein. Dies kann am einfachsten durch Änderung der Umlaufszahl des Verdichters oder mit Hilfe des in Fig. 1 dargestellten Drosselventils 1 : 2 bewerk- stelligt werden. Dieses Drosselventil ist in den Eintrittsanschluss 6 eingebaut, Drosselung kann je- doch auch in der Austrittsöffnung 7 angewendet werden.
Bezüglich des Wirkungsgrades ist die Regulierung viel günstiger, wenn die stehenden oder um- laufenden Schaufeln um ihre Längsachsen drehbar gemacht werden, da in diesem Falle im Laufe der Regulierung kein nicht umkehrbare Prozess (Drosselung) stattfinden muss, womit unvermeidliche Wirkungsgradverschlechterung verbunden ist. Eine derartige Einrichtung ist beispielsweise in den Fig. 17-19 (in Längsschnitt, Querschnitt bzw. in Draufsicht) ersichtlich.
In Fig. 17 ist Stiel 99 der stehenden oder umlaufenden Schaufeln 98 im Gehäuse oder Läufer00 drehbar gelagert. Dieser Stiel ist durch das Gehäuse bzw. durch den Läufer hindurchgeführt, und trägt an seinem Ende den mit Hilfe der Nabe 101 befestigten Arm ? ?. Stopfbüchse MJ, welche um den Stiel 99 angeordnet ist, dient zum Abdichten des Stiels. In das gabelförmige Ende des Armes 102 ragt der in dem verschiebbaren Ring 104 befestigte Dorn 105 hinein. Die Verschiebungsrichtung des Ringes 104 ist in den Fig. 18-19 durch den eingezeichneten zweispitzigen Pfeil angedeutet.
Der mit Hilfe des Zapfens 106 drehbare gegabelte Arm 107, dessen gegabeltes Ende mit Hilfe der Kulisse 108 mit dem an der Seitenfläche des Ringes 104 befestigten Dorn 109 in Verbindung steht, dient zur Verschiebung (Verdrehung) des Ringes 104. Die Regulierung findet mit dieser Einrichtung in der Weise statt, dass der Arm 107, zufolge der Drehung des Zapfens 106, mit Hilfe der Kulisse 108 und des Dorns 109 den Ring 104 verschiebt, welcher seinerseits durch Vermittlung des Dorns 105 und des Arms 102 die Schaufeln 98 verdreht.
Die zur Verdrehung der einzelnen Schaufelkränze dienenden Einrichtungen können miteinander in eine solche Verbindung gebracht werden, dass die Verdrehung der Schaufeln in den verschiedenen Schaufelkränze in einem bezüglich der Regelung günstigen Mass stattfindet.
Die Einrichtung zur Verdrehung der Schaufeln kann noch in verschiedenen Varianten verwirklich werden, welche hier der Kürze halber nicht beschrieben werden.
Der Verdichter kann auch in der Weise geregelt werden, dass verschiedene Punkte desselben, mit Hilfe von Anzapfungen, mit Punkten niedrigeren Druckes in Verbindung gebracht werden. Das zu verdichtende Arbeitsmittel strömt in diesem Falle den Verdichter zum Teil mehrmals durch.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele können nicht nur bei Verdichtern für gasförmige Arbeitsmittel, sondern auch bei Flüssigkeitspumpen mit Vorteil verwendet werden, da diese letzteren eigentlich als Verdichter für Arbeitsmittel von geringer Volumänderung aufgefasst werden können, und gehören demnach die erfindungsgemässen Einrichtungen auch in diesen Anwendungsfällen in den Schutzbereich der Erfindung.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Mehrstufiger umlaufender Verdichter (bzw. Pumpe), dessen Schaufelkränze am Laufrad und am Gehäuse so angeordnet sind, dass der mittlere Durchmesser eines Schaufelkranzes angenähert das arithmetische Mittel der mittleren Durchmesser der unmittelbar benachbarten (umlaufenden oder stehenden) Schaufelkränze beträgt, gekennzeichnet dadurch, dass der Arbeitsraum so ausgebildet ist, dass die an den die Strömung führenden Oberflächen entstehende Gassehieht von verminderter Geschwindigkeit (die sogenannte" Grenzschicht")
durch Zurückführungskanäle von gewissen Stellen der Wandfläche des Arbeitsraumes zwischen je zwei benachbarten Schaufelkränze abgeführt und an Punkten niedrigeren Druckes zwischen andern benachbarten Schaufelkränze dem Arbeitsraum wieder zugeführt werden kann.