Einrichtung an radialen Kreiselverdichtern und -pumpen zur Umsetzung von kinetischer Energie des Strömungsmittels in Druckenergie. Die Erfindung betrifft. eine Einrichtung an radialen Kreiselverdichtern und -pumpen zur Umsetzung von kinetischer Energie des Strömungsmittels in Druckenergie, welche sich ans Laufrad anschliessende und in Strömungs richtung sich erweiternde Kanäle aufweist.
Bei radialen Kreiselverdichtern, nachste hend kurz Radialverdichter genannt, macht die kinetisehe Austrittsenergie des StrÖmungs- mittels aus dem Laufrad in der Regel noch einen verhältnismässig hohen Anteil der ge samten Arbeitsaufnahme des Rades aus. Es ist daher wichtig, dass diese kinetisehe Energie so viel wie möglich und bei kleinsten Ver lusten in Druekenergie umgesetzt wird.
Zu diesem Zwecke ist die Cresehtvindig- keitsenergie schon in besehaufelten Austritts- leitapparaten in Druekenergie umgesetzt. wor den. Bei derartigen geschaufelten Leitappa- raten weisen die Strömungskanäle in der Regel Recliteckform auf.
In den Ecken solcher Reehteckformen sammeln sieh aber die Grenz- schichten der aneinanderstossendenWände an, was zu einer frühzeitigen Ablösung der Strö mung in den betreffenden Gebieten und zu- sammenhängend damit zu einer Verschleehte- rung des Umsetzningsgrades der Geschwindig keitsenergie in Druck führt. Ferner erweitern sieh die Kanäle dieser Leitapparate in der Regel nur oder hauptsächlich nur in einer Richtung.
Dabei sind, falls den Kanälen eine Krümmung zu geben ist, die schon anfänglich oder zumindest im Verlaufe der Strömung rechteckige Form annehmenden Kanalquer schnitte so zur Krümmung orientiert, dass die schmale Seite der Rechtecke senkrecht zur Krümmungsebene steht, wobei sich das Seiten verhältnis der Rechtecke im Verlaufe der Strömung erst noch in dem Sinne vergrössert, dass die in der Krümmungsebene selbst lie gende Längsseite .sich vergrössert, was be kanntlich den Strömungsverlauf in der Krüm mung ungünstig beeinflusst.
Im weiteren ist vorgeschlagen worden, an den Austritt des Laufrades von Ver diehtern einzelne Teilspiralen sich anschliessen ztt las sen und diese durch geradaehsige Diffusoren von Kreisquerschnitt zu verlängern. Eine solche Anordnung ergibt.
in den Diffusoren selbst wohl günstige Verhältnisse, dagegen werden die Teilspiralen, insbesondere bei schmalen Rädern, im Verhältnis zu ihrem lichten Durchmesser ziemlich lang und er Ueben dann, insbesondere da sie sich an den Stellen der grössten Geschwindigkeit befinden, noch ins Gewicht fallende, zusätzliche Ver luste, die zu jenen, die in den eigentlichen Diffusoren auftreten, hinzukommen.
Die vorliegende Erfindung bezweckt, bei einer Einrichtung der eingangs erwähnten Art die erwähnten Nachteile der bisherigen Bauarten zu vermeiden, und ferner eine Ein richtung zu schaffen, bei der sich die ange strebte Energieumsetzung bei geringsten Ver lusten und kleinsten Abmessungen, also bei kleinstem Werkstoffaufwand, erreichen lässt. Zu diesem Behufe hat bei einer erfindungs- gemässen Einrichtung der Eintrittsquerschnitt des einzelnen Verzögerungskanals mindestens angenähert Kreisform und eine Fläche, die kleiner ist als die doppelte Fläche des mit der lichten Austrittsbreite des zugeordneten Laufrades gebildeten Quadrates.
Ferner be trägt der Austrittsquerschnitt des einzelnen Verzögerungskanals mindestens das Dreifache seines Eintrittsquerschnittes.
Bei einer solchen Einrichtung wird die in Einzelströmungen aufgeteilte Strömung nach dem Austritt aus einem Laufrad möglichst rasch in Kanäle von angenähert Kreisform übergeführt, so dass die Einzelströmungen Querschnittsformen durchströmen, bei denen der von der Strömung benetzte Umfang im Verhältnis zur Querschnittsfläche ein Mini mum ist.
Durch die Begrenzung der Eintritts fläche der einzelnen Kanäle auf höchstens die doppelte Fläche des mit der lichten Austritts breite des zugeordneten Laufrades gebildeten Quadrates wird die Strömung in so viele Teil ströme aufgeteilt, dass für die Zuführung zu den einzelnen Kanälen Einzelspiralen, in denen das Strömungsmittel einen im Verhältnis zur Breite grossen Weg noch mit grosser Geschwin digkeit zurückzulegen hat. und, die somit. noch einen verhältnismässig grossen Anteil der Rei- bimgsverhiste verursachen, nicht benötigt werden.
Bei einer gemäss der Erfindung ausgebil deten Einrichtung ergibt sich ohne weiteres bei kleiner Radbreite eine grössere Kanalzahl als bei grosser Radbreite, so dass eben die engen Teilspiralen, die sieh bei schmalen Rä dern bei einer nur geringen Zahl von Dif- fusorkanälen ergeben würden, wegfallen.
Bei geometrisch ähnlichen Ausführungen ergeben Verzögerungskanäle mit verhältnis mässig kleinem, weniger als die doppelte Fläche des mit der lichten Austrittsbreite des zugeordneten Laufrades gebildeten Quadrates betragendem Eintrittsquerschnitt auch die Möglichkeit, eine starke Verzögerung des Strömungsmittels auf einem verhältnismässig kleinen Weg zu erhalten. Damit wird er reicht, dass auch bei starker Verzögerung des Strömungsmittels (Austrittsquerschnitt des Kanals grösser als das Dreifache seines Ein trittsquerschnittes) mit geringen Dimensio nen der Verzögerungseinr ichtung und somit. auch des Maschinengehäuses auszukommen ist.
Besonders bei hohen Drücken des Ar beitsmittels wirkt sieh dies in zweifacher Weise im Sinne einer Ersparnis von Werkstoff aus, indem sowohl der Durchmesser des Gehäu ses als auch die zur Aufnahme eines bestimm ten Druckes aus Festigkeitsgründen erforder liche Wandstärke kleiner werden.
Für die Strömung ergibt sich auch der Vorteil, dass infolge der Vielzahl der Kanäle das Strömungsmittel sich gleichmässig über den Austrittsquerschnitt der Verzögerungs einrichtung verteilt.
Auf den beiliegenden Zeichnungen sind verschiedene Ausführungsbeispiele des Erfin dungsgegenstandes veranschaulicht, an Hand welcher das Wesen der Erfindung nun erläu tert werden soll. In diesen Figuren zeigt: Fig. 1 einen Teil eines axialen Schnittes nach der Linie I-I der Fig. 2 durch die bei den letzten Stufen eines mehrstufigen Radial verdichters, wobei die Verzögerungseinrieh- tung der letzten Stufe der Fig. 2 und die jenige der zweitletzten Stufe als Variante der Verzögerungseinrichtung der Fig. 7 entspricht,
Fig. 2 einen Teil eines Schnittes nach der Linie II-11 der Fig.1. Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III der Fig.2. Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV der Fig. 2, Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V der Fig.1. Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie VI-VI der Fig. 1 und Fig. 7 einen Schnitt.
nach der Linie VII-VII der Fig.1; Fig. 8 und 9 zeigen Schnitte durch zwei weitere Ausbildungen von Verzögerungs kanälen; Fig. 10, 11 und 12 zeigen eine Verzöge- rungseinriehtung, die insbesondere für die Umlenkung des Fördermittels in eine nach folgende Verdichterstufe geeignet ist, wobei Fig.10 einen Schnitt nach der Linie X-X der Fig.11 durch die Verdichterachse,
Fig.11 einen Schnitt nach der Linie XI-XI der Fig.10 und Fig.12 einen Schnitt nach der Linie XII-XII der Fig.1 zeigt.
Es wird vorerst auf die Fig. 1 bis 6 Bezug genommen. In diesen Figuren bezeichnet 1 das zweitletzte und 2 das letzte Laufrad eines mehrstufigen Radialverdichters, der ein Me dium in Richtung der Pfeile A fördert. Diese Laufräder 1 und 2 drehen sich in Richtung des Pfeils B der Fig.2. Jeder Verdichter stufe ist ein das Laufrad der betreffenden Stufe in der Umfangsrichtung umgebender Kanal körper zugeordnet. Der dem Laufrad 1 zu geordnete Kanalkörper ist mit dem Bezugs zeiehen 3 und der dem Laufrad 2 zugeord nete Kanalkörper mit. dem Bezugszeichen 4 belegt.
Diese Kanalkörper 3 und 4 sind zwei teilig ausgebildet, wobei die Trennebene zweck mässig in der waagreehten Ebene durch die Verdichterachse liegt. 5, 6 nud 7 bezeichnen Zwischenwände. Die Zwischenwände 5 und 7 sowie der Kanalkörper 4 ragen mit Versatzun gen 51 bzw. 71 und 41 in das in der Um fangsrichtung in zwei Hälften unterteilte Verdichtergehäuse B.
Dabei tragen die Ver- satzungen 41 des Kanalkörpers 4 dazu bei, das Auseinanderklaffen der Teile des Ge häuses 8, welche einen spiralförmigen Sam- melraum 9 begrenzen, in Richtung der Ver- dichterachse zu verhindern, indem der Kanal körper 4 einen von dem ihn umgebenden Ver- dichtergehäuse 8 infolge des in diesem herr schenden Druckes des Mediums zu übertragen den Zug aufnimmt.
In den Kanalkörpern 3 und 4 sind eine grössere Anzahl von Kanälen 10 bzw. 1.1. vor gesehen, in denen das durchströmende Förder- mittel infolge besonderer Ausbildung dieser Kanäle eine Verzögerung bei bestem Energie umsetzungsgrad erfährt.
Diese besondere Aus bildung besteht einmal darin, dass der Ein trittsquerschnitt 101 (Fig. 7) bzw.111 (Fig. 3) der Kanäle 10 und 11 mindestens angenähert Kreisform und eine Fläche hat, die kleiner ist als die doppelte Fläche des mit der lich ten Austrittsbreite a1 bzw. a2 (Fig.l) des Laufrades 1 bzw. 2 gebildeten Quadrates.
Im weiteren besteht, die erwähnte besondere Aus bildung darin, da.ss der Austrittsquerschnitt 102 (Fig.7) bzw. 112 (Fig.4) der einzelnen Verzögerungskanäle 10 und 11 mindestens das Dreifache seines Eintrittsquerschnittes 101 bzw. 111 beträgt. Beträgt beispielsweise die lichte Austrittsbreite eines Laufrades 10 mm, so hat. der Eintrittsquerschnitt. eines Kanals 10 bzw. 11 weniger als das Doppelte eines Quadrates von 10 mm Seitenlänge, also weni ger als 200 mm2, beispielsweise 180 mm2 zu betragen. Der Austrittsquerschnitt soll dabei mindestens das Dreifache dieses Wertes, also mindestens 540 mm9 betragen.
Die in Strö mungsrichtung sieh erweiternden Kanäle 10 und 11 sind in bezug aufeinander insofern verschieden ausgebildet, als bei den Kanälen 11 deren Achse gekrümmt ist. und der Quer schnitt vom Ein- bis zum Austritt der Strö mung von angenähert Kreisform (Fig.3) in eine ellipsenähnliche Form (Fig. 4) übergeht.
Die grössere Achse c dieser ellipsenähnliehen Form steht dabei senkrecht. zur Krümmungs- ebene, und sie hat zur kleineren Achse b ein Verhältnis, welches das Verhältnis des ge samten Ablenkungswinkels a (Fig. 2) zu einem rechten Winkel um mindestens den Wert eins übertrifft. Beträgt der Ablen kungswinkel a beispielsweise 30 , so hat sein Verhältnis zu einem rechten Winkel den Wert 1/3. Nach der angegebenen Regel soll nun das Verhältnis der grösseren Achse c zur klei neren Achse b einen mindestens um eins grö sseren Wert haben, also mindestens 4/3 be tragen.
Wie insbesondere in Fig. 7 veranschaulicht ist, haben dagegen die Kanäle 10 die Form eines Kreiskegels mit gerader Achse, der, falls er nach der Spitze hin verlängert wäre, im Schnittpunkt seiner Achse mit dem Aussen umfang 11 einen Durchmesser d hätte, der kleiner ist als die lichte Austrittsbreite a1 des Laufrades 1.
Auf der Eintrittsseite der Kanäle 10 und 11. werden die zwischen den einzelnen Kanälen liegenden Wände der Körper 3 bzw. 4 zweck mässig so zugesehärft, dass keine Stösse des Strömungsmittels an diesen Wänden am Ein tritt auftreten.
Die Verzögerungskanäle können somit grundsätzlich gerade oder gekrümmt sein. Bei geraden Kanälen ist die Beibehaltung der Kreisform oder angenähert einer Kreisform des Querschnittes vom Anfang bis zum Ende des Einzelkanals günstig. Bei gerader Kanal achse wird aber im Verlaufe der Strömung der Winkel, den diese mit dem Radius ein schliesst, kleiner. Schliesst sich indessen an den Austritt der Kanäle ein ring- oder spiralför miger Sammelkanal an, so kann es erwünscht sein, die Strömung mehr in die tangentiale Richtung abzulenken.
In diesem Falle, ist es vorteilhaft, den Querschnitt von einer am Eintritt angenäherten Kreisform allmählich in eine abgeplattete (ellipsenähnliche) Form übergehen zu lassen und dabei dafür zu sor gen, dass die grössere Achse der ellipsenähn- lichen Form senkrecht zur Krümmungsebene steht. Es ist dabei zweckmässig, den Quer schnitt um so mehr abzuplatten, das heisst das Verhältnis der grösseren Achse zur kleineren Achse dieser ellipsenähnlichen Form um so grösser zu wählen, je grösser der Ablenkungs winkel a, (Fug. 2) der Strömung von ihrer An fangsrichtung ist.
Herstellungsmässig kann es günstig sein, dem ellipsenähnlichen Querschnitt der Ver zögerungskanäle die Form eines Rechteckes mit durch Kreisbogen abgerundeten Ecken zu geben. Dabei können zweckmässig die Radien dieser Kreisbogen gleich dem Radius des kreis förmigen Kanal-Eintrittsquerschnittes sein. Es ergibt dies den Vorteil, dass die Kanäle trotz des Überganges in eine abgeplattete Form mittels eines Fräswerkzeuges mit einem und demselben Rundungsradius hergestellt werden können, sofern die einzelnen Kanäle durch einen durch die Kanalachse geführten Schnitt geteilt sind.
Die in Fig. 7 gezeigte krümmungslose Kanalform gestattet, bereits die mittlere Strö mungsgeschwindigkeit auf verhältnismässig kurze Distanz stark herabzusetzen, so dass es unter Umständen angängig ist, auf eine Ab lenkung der Strömung in den Kanälen zu verzichten, da bei der verhältnismässig gerin gen Austrittsgeschwindigkeit eventuelle Stoss verluste nur wenig ins Gewicht fallen. Eine gerade Ausbildung der Verzögerungskanäle ermöglicht nämlich deren verhältnismässig ein fache werkstattmässige Herstellung.
Es kön nen hierbei die Kanäle aus einem vollen Stück konisch ausgebohrt werden, wobei es bei der in Fig. 7 gezeigten Kanalform selbst möglich ist, verschieden grosse Kanäle mit dem glei chen konischen Bearbeitungswerkzeug auszu führen, das dann nur mehr oder weniger tief in den Kanal einzuführen wäre. Der am Ein trittsende der Kanäle möglicherweise vorste hende Teil des \'Werkzeuges wird Seitenwände des Zwischenraumes zwischen Laufradumfang und Eintritt der Verzögerungskanäle, die im Abstand der lichten Austrittsbreite a1 des Laufrades 1 voneinander entfernt sind, z. B.
im Falle, wo die Verzögerungskanäle die Form eines Kreiskegels mit gerader Achse haben, dann nicht bis zum Laufradumfang hin anschneiden, wenn der Kegel, falls er nach seiner Spitze hin verlängert würde, im Schnittpunkt seiner Achse mit dem Aussen umfang des zugeordneten Laufrades einen Durchmesser hätte, der kleiner ist als die lichte Austrittsbreite dieses Laufrades.
Auch im Falle geradaehsiger Verzöge rungskanäle kann es zweckmässig sein, um. deren Austrittsquerschnitt noch besser einem ringförmigen Sammelkanal anpassen zu kön nen, den lichten Eintrittskreisquerschnitt 20 in der in Fig. 8 gezeigten Weise in Strömungs richtung bis zum Austritt. angenähert in einen quadratischen Querschnitt 21 mit abgerun deten Ecken übergehen zu lassen. In diesem Falle ist es zweckmässig, einen Kanalkörper vorzusehen, der sieh aus einzelnen, die Ver zögerungskanäle begrenzenden Teilstücken zu sammensetzt, wobei die Trennflächen dieser Teilstücke z. B. die Kanalachsen schneiden können.
Die Herstellung solcher Kanäle lässt sich gleichfalls: noch dadurch vereinfachen, dass die Ecken des quadratischen, lichten Querschnittes durch Kreisbogen abgerundet werden, deren Radien gleich dem Radius des kreisförmigen Eintrittsquerschnittes sind. An der Eintrittsseite der Verzögerungs kanäle tritt, infolge der Kanalzwischenwände eine Verengung des in radialer Richtung ge sehenen Strömungsquerschnittes ein.
Es ist daher zweckmässig, diese Verengung durch eine entsprechende Verkleinerung des Strö mungswinkels ss (Fig.2) gegen den Radius zu kompensieren, das heisst den Winkel ss, den die Achse jedes sich erweiternden Kanals 11 an seinem Eintritt mit. der radialen Richtung (auf die Verdichterachse bezogen) einschliesst, kleiner zu wählen als den Winkel ;, den die Richtung der absoluten Geschwindigkeit w der Strömung am Austritt aus dem Laufrad 2 mit der radialen Richtung einschliesst.
Auf der Austrittsseite der Verzögerungs kanäle lassen sich Stossverluste der Strömung dadurch vermindern, dass die Dicke der Zwi schenwand zwischen zwei benachbarten Ka nälen möglichst klein gewählt und am Aus trittsende der Kanäle nicht grösser als am Eintrittsende gemacht wird.
Wie in Fig.1. gezeigt ist, liegen die Ver hältnisse auf der Austrittsseite der Kanal körper 3 und 4 insofern nicht. ganz gleich, als die aus den Kanälen 10 des Körpers 3 aus tretenden Teilströme in die nachfolgende Ver- dichterstufe umzulenken sind, während die aus den Kanälen 11 des Körpers 1 austreten den Teilströme unmittelbar in den spiralför migen Sammelraum 9 gelangen.
In beiden Fällen sind die Kanäle 10 bzw. 11 in der in Fig. 1 und im Zusanlmenhange mit den Ka nälen 10 auch in Fig.5 gezeigten Weise durch Zwischenwände getrennt, die je nach der Form der Verzögerungskanäle einen mehr oder weniger grossen Teil des Gesamtquer schnittes einnehmen. Nach dem Austritt der Strömung aus den Kanälen 10 und 11 ver grössert sich somit der liebte Querschnitt plötzlich.
Es ist daher zweckmässig, an den Austritt der Kanäle 10 in der in Fig.1 ge zeigten Weise einen Sammelkanal 12 mit düsenartiger Verengung 13 anschliessen zu lassen und die Auslegung so zu treffen, dass ein an der engsten Stelle dieses Sammelkanals 12 koaxial zur Verdichterachse gelegter z51in- driselier Schnitt VI-VI in bezug auf jeden Kanal 10 eine Fläche 7)2-n-o-p (Fig. 6) ergibt, die höchstens gleich der freien Durch trittsfläche eines entsprechenden Schnittes (Fig. 5) unmittelbar vor dem Austritt.
aus dem Kanal 10 ist.
Die Zwischenwände der Kanäle können sieh auch, allmählich auslaufend, bis gegen die engste Stelle in die düsenartige Veren gung hinein erstrecken.
Im Zusammenbange mit. den im Kanal körper 4 vorgesehenen Kanälen 11, an die un mittelbar der spiralförmige Sammelkanal 9 anschliesst, ist es dagegen zur Erzielung einer gleichmässigen Strömung auf seinem ganzen Umfang zweckmässig, den lichten Quer schnittsverlauf dieses Kanals 9 so zu bemes sen, dass der Drall der Strömung konstant und gleich dem Drall der Strömung am Aus tritt aus den Einzelkanälen 11 ist.
Bezogen auf die in Fig. 2 eingetragenen Radien r und r1 und tangentialen Geschwindigkeitskom ponenten zt und u1 heisst das, dass r. it <I>=</I> r1 <I>.</I> u1 sein soll, wobei<I>r</I> und u sich auf jeden beliebigen Punkt des spiralförmigen Sammelkanals 9 beziehen, r1 und ztl dagegen auf den Austrittsquerschnitt der Kanäle 11.
Ist. dagegen die Strömung nach dem Aus tritt aus einer Verdiehterstufe in eine fol gende ohne Eintrittsdrall einzuführen, so ist es möglich, nach dem Austritt aus beispiels weise geradlinigen Verzögerungskanälen ge mäss Fig. 7 oder 8 die Strömung vorerst durch einen unbeschaufelten Sammelkanal (z. B. 12 in Fig. 1) unter Beibehaltung des Dralles in eine sich der Achse nähernde Richtung zu führen und erst nach dieser Umlenkung durch eine im Rückfühxaxngskanal 14 (Fig. 1) ange ordnete Schaufelung mit verhältnismässig ge ringem Ablenkungswinkel den Drall aufzu heben.
Der Ablenkungswinkel, der für diese Sehaufelung nötig ist, kann dadurch verklei nert werden, dass die Breite des Sammel- kanals 12 in Richtung der Umlenkung fort schreitend verkleinert wird.
Es kann aber auch die Strömung schon in sich erweiternden Verzögerungskanälen 15 (Fig. 9) vorerst. in radiale Richtung nach aussen -elenkt werden, wobei nachher nur noch in einem anschliessenden Sammelkanal die Umlenkung in radiale Richtung nach innen ohne Drall zu erfolgen hat. In diesem Falle ist dem lichten Querschnitt der Ver zögerungskanäle gegen das Austrittsende hin allmählich eine ellipsenähnliehe Form zu er teilen.
In Fällen, bei denen die Strömung in eine nachfolgende Verdichterstufe umzuleliken ist, lässt sich die Ausbildung in der in den Fig.10, 11 und 12 gezeigten Weise auch so treffen, dass die Strömung innerhalb der Verzöge rungskanäle 16 in die Richtung der Verdich- terachse 17 (Fig.11), das heisst in Richtung des Pfeils 18- der Fig. 10 und 12 umgelenkt und hernach ohne Verzögerung in einem Sam- melkanal 19 in Richtung radial nach innen gegen die Verdichterachse 17 gelenkt wird,
wobei in der Umlenkung der Kanalquerschnitt zweckmässig in eine ellipsenähnliche Form 22 (Fig.11) übergeht.
Eine Einrichtung nach der Erfindung lässt sich sowohl an radialen Kreiselverdichtern als auch an radialen Kreiselpumpen anbringen.