Schleuderverdichter für hohes Stufendruckverhältnis. Die Erfindung bezieht sieh auf einen Schleuderverdichter für hohes Stufendruck verhältnis, dessen Laufrad zusammen mit den Schaufeln aus einem Stiiek hergestellt ist. und bestimmt ist, mindestens im Bereich des äussern Umfanges mit einer über der Schall geschwindigkeit des Fördermediums liegenden Geschwindigkeit umzulaufen, wobei die Schaufeln zur biegungslosen Aufnahme der Fliehkräfte in zur Läuferachse senkrechten Ebenen radial gerichtete Schnitte aufweisen.
Das durch einen Schleuderverdichter er reichbare Druekverhältnis wurde im Laufe der Entwieklung hauptsächlich durch Steige ; rung der Umfangsgeschwindigkeit des Läu fers ständig erhöht. Die mechanische Bean spruchung des Läufers neuester Bauarten von Schleuderverdichtern liegt der schon in den Bereich der Schallgeschwindigkeiten fallen den Umfangsgeschwindigkeiten wegen recht hoch, weshalb die Läufer nur noch mit. rein radialer Erstreckung sowohl der Schaufeln wie auch der Strömung ausgeführt. wurden.
Da die absolute Austrittsgesehwindigkeit des verdichteten Gases bei radialer Richtung der Schaufelkanäle noch grösser als die Rad umfangsgeschwindigkeit ausfällt., liegt sie um einen bedeutenden Betrag über der Sehall geschwindigkeit. Rückwärtsgekrümmte @cliau- feln, welche bekanntlich die Austrittsgeschwin digkeit bei gegebener Umfangsgeschwindig keit vermindern, wurden lange vor Errei chung der Schallgeschwindigkeiten - haupt sächlich aus Erwägungen über die Festigkeit - absichtlich verlassen.
Der Wunsch nach grösseren Umfangsgeschwindigkeiten und er höhten Förderdrücken liess sich nur durch Verwendung rein radialer Laufschaufeln ver- wirkliehen und die hierbei sieh einstellende Steigerung der Austrittsgesehwindigkeit über die Schallgeschwindigkeit hinaus wurde als unwichtig betraebtet.
Die Erfindung geht von der neuen Er kenntnis aus, dass mit dem Ansteigen der Ge- sehwindigkeit des Fördermediums über seine Schallgeschwindigkeit hinaus von den Schau- felaustrittskant.en ausgehend Machsche Druck wellen sich ausbilden, welche den Wirkungs grad eines Verdichters weit mehr vermindern, als bisher angenommen wurde.
Die Vermin derung des Wirkungsgrades wächst mit stei gender Strömungsgeschwindigkeit, sie hat bis her einer weiteren Erhöhung des Druckver hältnisses eine Grenze gesetzt. Die Erfindung zeigt einen Weg, das Druekverhält.nis von Schleuderverdiehtern durch weitere Steige rung der Umfangsgescluvindigkeit noch er höhen zu können,
ohne indessen eine Vermin- derung des Wirkungsgrades in Kauf nehmen zii müssen. \ach der Erfindung sollen die Sehaufeln bei einer zur Läuferachse geneigten Richtung der Schaufelkanäle eine solche R:iiekwärtskrümmung aufweisen, dass die ab solute Austrittsgesehwindigkeit des verdichte ten Mittels dessen Schallgeschwindigkeit nicht so weit überschreitet, da.ss Machsche Druck wellen sich ausbilden.
Bei so ausgebildetem Läufer lässt sich die Umfangsgeschwindigkeit eines Verdichterläufers weit über die Schall geschwindigkeit hinaus erhöhen, ohne dass eine Einbusse des Wirkungsgrades in Kauf genom men werden muss. . Das erreichbare Stufen druckverhältnis wächst ungefähr mit der zweiten Potenz der Erhöhung der Umfangs geschwindigkeit, so da.ss bei Uindangsgeschwin- digkeiten im Bereich von über 400 m/sek. in einer einzigen Stufe ohne Schwierigkeit ein Druckverhältnis vom Betrag 2 und darüber bewältigt werden kann.
Halbaxiale Läuferformen mit rückwärts gekrümmten Schraubenschaufeln sind für langsamlaufende Ventilatoren bekannt, bei denen aus Blech oder aus gegossenem Baustoff bestehende Schaufeln so gestellt sind, dass die zur Drehachse senkrechten Querschnitte un gefähr radial gerichtet sind. Hiermit wurden gewisse Vorteile für die Blechbearbeitung und für die Schweissung oder für die Giesserei er reicht. Für die bei diesen Verdichtern weit unter der Schallgeschwindigkeit sich abspie lenden Strömungsvorgänge bleibt diese halb axiale Form jedoch bedeutungslos.
Erst bei Anwendung des halbaxialen Läufers auf Ver dichter, bei denen die SchauTelumfangsge- schwindigkeit die Schallgeschwindigkeit über schreitet - wobei das Mass der Rückwärts- krümmiing so zu wählen ist, dass keine Mach sehen Druckwellen sich ablösen können entsteht die Möglichkeit, das in einem Lauf rad erreichbare Druckverhältnis weiter ver grössern zu können, ohne unzulässige Verluste in Kauf nehmen zu müssen. Bei dem nach der Erfindung ausgebildeten Läufer lassen sich .auch noch Zwischenschau feln anordnen oder die Schaufeln unterbre chen und versetzt fortführen.
Dadurch wird noch eine weitere Verbesserung des Läufer- wirkungsgrades insofern@erreicht, als die beim Überschreiten der Schallgeschwindigkeit er höhte Gefahr der Strömungsablösung vermie den wird.
Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Fig. 1 zeigt vereinfacht einen einstufigen Schleuder verdichter und die Fig. 2 lind 3 stellen den Läufer nach Fig. 1 dar. Fig. 4 und 5 veran schaulichen einen Läufer mit Zwischenschau- feln, und endlich lassen Fig.6 und 7 einen Läufer mit unterbrochenen und versetzt fort geführten Schaufeln erkennen.
Der Schleuderverdichter nach Fig. 1 be sitzt einen Läufer 1, der mit den Schaufeln 2 zum Beispiel durch Schmieden und Fräsen aus dein vollen Material hergestellt ist und fliegend auf der Welle 3 sitzt. Die Luft oder ein anderes Gas wird aus dem Kanal 9 ange saugt und in verdichtetem Zustand durch das Spiralgehäuse 5 abgeführt.
Im Betrieb laufen die Schaufeln 2 (Fug. \' und 3) des Läufers 1 mit einer Umfangs- geschwindigkeit, die mindestens an den Aus trittskanten 6 die Schallgeschwindigkeit des verdichteten Mittels überschreitet. Um die hierbei erhöhten Fliehkräfte ohne Biegespan nung aufnehmen zu können, sind die Schau feln 2 so ausgeführt, dass sämtliche zur Achse X des Läufers senkrecht gelegten Schnitte I, II, III genau in Richtung der Radien r1, r.. bzw. a-" verlaufen.
Die Strömungsrichtung in den zwischen den Schaufeln entstehenden Strömungskanälen ist nicht radial gerichtet, sondern erfährt im Sinn des Pfeils 7 eine Neigung hinsichtlich der Läuferachse X. Da durch wird es ermöglicht, den Schaufeln eine solche hinsichtlich der Drehrichtung 8 rück wärtsgerichtete Krümmung zu erteilen, dass die absolute Austrittsgeschwindigkeit des ver dichteten Mittels seine Schallgeschwindigkeit nicht überschreitet.
Diese R.ückwärtskrüm- inung ermöglicht, mit einem solchen Rad ein Verdichtungsverhältnis von über 2,0 zu errei chen, ohne hierbei Störungen durch Machsche Druckwellen - die im Bereich über der Schallgeschwindigkeit entstehen würden - in Kauf nehmen zu müssen.
Der Läufer nach den Fig. 4 und 5 besitzt zwischen den Hauptschaufeln 2 noch zusätz liche Zwischenschaufeln 9, welche die Strö mung des zu verdichtenden Mittels besser lei ten und damit eine ungleiche Verteilung des zu verdichtenden Mittels innerhalb der Strö mungskanäle verhüten. Der Läufer nach den Fig. 6 und 7 besitzt. Schaufeln 10, die an den Stellen 11 unter brochen und versetzt fortgeführt sind. Da durch wird ein Ablösen der Strömung - was bei den hohen Geschwindigkeiten leicht ein treten könnte - vermieden.
Es ist. möglich, bei gewissen Betriebsbe dingungen die Strömungsgeschwindigkeit des verdichteten Mittels in geringem Mass über die Schallgeschwindigkeit steigen zu lassen, wenn noch keine Störungen des Betriebes durch Machsche Wellen verursacht werden.
Centrifugal compressor for high stage pressure ratio. The invention relates to a centrifugal compressor for high stage pressure ratio, the impeller is made together with the blades from one piece. and is intended to revolve at least in the area of the outer circumference at a speed above the speed of sound of the conveying medium, the blades having radially directed cuts in planes perpendicular to the rotor axis for the bendless absorption of the centrifugal forces.
The pressure ratio achievable by a centrifugal compressor was mainly due to the rise in the course of development; tion of the circumferential speed of the runner is constantly increasing. The mechanical stress on the rotor of the latest designs of centrifugal compressors is already in the range of the speed of sound, because of the peripheral speeds, which is quite high, which is why the rotor is only with. run purely radial extension of both the blades and the flow. were.
Since the absolute exit speed of the compressed gas in the radial direction of the blade channels is still greater than the wheel peripheral speed, it is a significant amount above the Sehall speed. Backward curved tubes, which are known to reduce the exit speed at a given circumferential speed, were deliberately abandoned long before the speed of sound was reached - mainly for reasons of strength.
The desire for greater circumferential speeds and increased delivery pressures could only be achieved through the use of purely radial blades, and the increase in the exit speed beyond the speed of sound was regarded as unimportant.
The invention is based on the new knowledge that as the speed of the conveyed medium increases beyond its speed of sound, starting from the blade outlet edges, Mach pressure waves form which reduce the efficiency of a compressor far more than before was accepted.
The reduction in efficiency increases with increasing flow rate, and up until now it has set a limit for a further increase in the pressure ratio. The invention shows a way of being able to increase the pressure ratio of centrifugal thinners by further increasing the circumferential speed,
without, however, having to accept a reduction in efficiency. According to the invention, the blades should have such a backward curvature in a direction of the blade channels inclined to the rotor axis that the absolute exit speed of the compressed medium does not exceed the speed of sound so far that Mach pressure waves are formed.
With a rotor designed in this way, the circumferential speed of a compressor rotor can be increased far beyond the speed of sound, without having to accept a loss in efficiency. . The achievable step pressure ratio increases approximately to the second power of the increase in the circumferential speed, so that at input speeds in the range of over 400 m / sec. a pressure ratio of 2 and above can be managed in a single stage without difficulty.
Semi-axial rotor shapes with backward curved screw blades are known for low-speed fans in which blades made of sheet metal or cast building material are made so that the cross-sections perpendicular to the axis of rotation are directed radially un dangerous. This gave certain advantages for sheet metal processing and for welding or for the foundry. However, this semi-axial shape remains meaningless for the flow processes that play well below the speed of sound in these compressors.
It is only when the semi-axial rotor is used on compressors where the circumferential speed of the vane exceeds the speed of sound - the degree of backward curvature must be chosen so that no Mach pressure waves can be released, the possibility arises of this in an impeller to be able to further increase the achievable pressure ratio without having to accept inadmissible losses. In the case of the rotor designed according to the invention, intermediate blades can also be arranged or the blades interrupted and continued offset.
A further improvement in the efficiency of the rotor is thereby achieved in that the risk of flow separation, which is increased when the speed of sound is exceeded, is avoided.
The invention is explained below with reference to the drawing, for example. 1 shows a simplified single-stage centrifugal compressor and FIGS. 2 and 3 show the rotor according to FIG. 1. FIGS. 4 and 5 illustrate a rotor with intermediate blades, and finally FIGS. 6 and 7 include a rotor Detect interrupted and staggered blades.
The centrifugal compressor according to FIG. 1 be seated a rotor 1, which is made with the blades 2 for example by forging and milling from your full material and sits on the shaft 3 overhung. The air or another gas is sucked out of the channel 9 and discharged through the spiral housing 5 in a compressed state.
In operation, the blades 2 (Fug. \ 'And 3) of the rotor 1 run at a circumferential speed that exceeds the speed of sound of the compressed medium at least at the exit edges 6. In order to be able to absorb the increased centrifugal forces without bending stress, the blades 2 are designed so that all the cuts I, II, III perpendicular to the axis X of the rotor are exactly in the direction of the radii r1, r .. or a- run away.
The direction of flow in the flow channels between the blades is not directed radially, but experiences an inclination with respect to the rotor axis X in the direction of arrow 7. This makes it possible to give the blades a backward curvature with respect to the direction of rotation 8 that the absolute exit speed of the compressed medium does not exceed its speed of sound.
This reverse curvature makes it possible to achieve a compression ratio of over 2.0 with such a wheel without having to accept interference from Mach pressure waves - which would arise in the range above the speed of sound.
The rotor according to FIGS. 4 and 5 has between the main blades 2 still additional Liche intermediate blades 9, which better lei the flow of the agent to be compressed and thus prevent an uneven distribution of the agent to be compressed within the flow channels. The runner according to FIGS. 6 and 7 has. Shovels 10, which are interrupted at the points 11 and continued offset. This prevents the flow from becoming detached - which could easily occur at high speeds.
It is. It is possible, under certain operating conditions, to increase the flow rate of the compressed medium to a small extent above the speed of sound if Mach waves have not yet caused any disruptions in operation.