Zentrifugal-Kompressor Die Erfindung betrifft einen Zentrifugal-Kompressor mit einem Laufrad und einem Diffusor, welcher ein ringförmiges Glied aufweist, dessen Innenfläche das Laufrad eng umschliesst und das eine Mehrzahl von sich schneidenden Kanälen enthält, die sich von seiner Innenfläche zur Umfangsfläche erstrecken, wobei die Mittellinien der Kanäle tangential zu einem gemeinsa men Tangentenkreis verlaufen, der mindestens angenä hert den gleichen Durchmesser wie das Laufrad hat,
und diese Mittellinien die Mittellinien der benachbarten Kanäle in einem Abstand ausserhalb des gemeinsamen Kreises schneiden, welcher kleiner ist als eine Hälfte der maximalen Weite des Querschnittes des Kanales und wobei an jeden Kanal ein Rohr angeschlossen ist, welches der Leitung des Mediums aus der ursprüngli chen, mindenstens annähernd in einer Radialebene zur Achse des Laufrades verlaufenden Richtung in eine Richtung mit einer im wesentlichen axialen Komponente dient.
Sie bezweckt für Zentrifugal-Kompressoren der ge nannten Art einen Diffusor zu schaffen, bei welchem eine bisher unerreichte Verminderung des Eintrittsstos- ses ermöglicht wird, und der mit einfachen Mitteln hergestellt und montiert werden kann.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die benachbarten Kanäle so nahe zueinander angeordnet sind, dass sich die Wände benachbarter Kanäle an einer Stelle ausserhalb des inneren Umfanges des Diffusors schneiden, wodurch innerhalb des ringförmigen Gliedes ein durchgehender ringförmiger Raum entsteht, der einen Diffusorraum bildet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeich nung, welche zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungs gegenstandes zeigt, näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 einen Teilschnitt des Laufrades und des Diffusors von der Seite stromabwärts des Laufrades betrachtet zum Zwecke der Darstellung der einander schneidenden Kanäle, welche im Diffusorring nach einer Ausführung der Erfindung ausgebildet sind.
Fig. 2 den Schnitt 2-2 aus der Fig. 1, Fig. 3 einen Längsschnitt eines Teiles eines Gasturbi- nen-Kompressors, dessen Laufrad und Diffusor nach einer anderen Ausführung der Erfindung ausgebildet sind, Fig. 4 den Schnitt nach der Linie 4-4 aus der Fig. 3 und Fig. 5 eine räumliche Ansicht einer der rohrförmigen Verlängerungen.
In der Fig. 1 der Zeichnung ist ein Teil eines Zentrifugal-Kompressors dargestellt, bei welchem ein Laufrad 10 um die Achse einer zentralen Welle 12 drehbar ist. Das Laufrad 10 ist mit Schaufeln 13 und einem Diffusorring 16 versehen, welcher 'die äusseren Enden der Schaufeln 13 umschliesst. Der Diffusorring ist ein ringförmiges Glied mit inneren und äusseren Um fangsflächen 15 und 17, wobei sich die innere Fläche in der dargestellten Weise in der nächsten Nähe des äusseren Umfanges des Laufrades befindet.
Ein Merkmal der erfindungsgemässen Konstruktion ist die Ausbildung einer Mehrzahl von Kanälen 14, welche sich durch das ringförmige Glied 16 erstrecken und am Umfang so dicht nebeneinander angeordnet sind, dass benachbarte Kanäle einander in der dargestell ten Weise schneiden. Während die Kanäle 14 als zylindrische Kanäle mit geraden Seiten dargestellt sind, können sie auch eine konische oder eine andere Form haben, die einen gekrümmten Querschnitt aufweist.
Die Mittelinien der Kanäle 14 verlaufen tangential zu einem gemeinsamen Kreis, welcher angenähert den gleichen Durchmesser hat, wie der Umfang des Laufrades. Dieser gemeinsame Tangentenkreis fällt bei der dargestellten Ausführung mit einer inneren, im wesentlichen zylindri schen Fläche 15 des Diffusorringes 16 zusammen. Obwohl die Mittellinien der Kanäle 14 sich nach der Darstellung in einer radialen Ebene befinden, so versteht es sich, dass sie auch im Rahmen der Erfindung unter einem kleinen Winkel zu dieser Ebene geneigt sein können.
Jeder der Kanäle (z. B. der Kanal 14b) schneidet einen benachbarten Kanal 14a in einem kleinen Abstand d' ausserhalb des gemeinsamen Tangentenkreises. Der Abstand d' muss kleiner sein als der Radius r' der Kanäle 14. Wenn die Kanäle einen gekrümmten Quer schnitt haben und nicht genau kreisförmig sind,
so ist der Abstand d' kleiner als eine Hälfte der maximalen Dimension des Querschnittes eines Kanales. Wenn der Abstand d' grösser wäre als die Hälfte der grösseren Die- mension des Kanales 14, so würden die benachbarten Kanäle an der inneren Fläche 15 des Diffusors 16 einen Teil des Materiales zurücklassen, anstatt wie dargestellt einen zusammenhängenden Diffusorraum 20 zu bilden.
Dieser Diffusorraum 20 umschliesst die Schaufeln des Laufrades und gewährleistet einen ununterbrochenen Zutritt der Luftströmung von den Schaufeln des Laufra des in den Diffusor.
Wenn die Durchmesser und die Winkel der Kanäle in geeigneter Weise gewählt sind, so beginnt die zwischen den benachbarten Kanälen gebildete, durch deren Schnittlinien bestimmte Eintrittskante an einer Stelle, die sich in der Nähe der inneren Fläche 15 des Diffusors befindet. Die Eintrittskante verläuft von dieser Stelle entsprechend der Darstellung in der Fig. 2 zu einer Mittellinie in der Ebene der Mittellinien und ist, wenn die Kanäle kreisförmig sind, im wesentlichen elliptisch. Die Achse der Ellipse liegt dabei im wesentlichen in der Ebene der Mittellinien der Kanäle.
Dadurch entsteht eine Neigung der Eintrittskante zur Strömungsrichtung, welche zur Mittellinie des Strömungspfades steiler wird. Diese geneigte Form der Eintrittskante, welche nur durch die einander schneidende Kanäle gebildet wird, hat eine wirksame Funktion des Diffusors zur Folge.
Zur Erzielung dieser Form der Eintrittskante ist keine weitere Bearbeitung an Diffusor erforderlich. Die gewünschte Form wird erhalten, wenn die einander schneidenden Kanäle einen gekrümmten Querschnitt haben. Durch eine Wahl verschiedener Formen von Querschnitten kann die Form der Eintrittskante beinflusst werden. Der Einstellwinkel der Eintrittskante ändert sich über den Diffusorraum 20 von Wand zu Wand, wobei gleichzeitig die Form der Kante so ist, dass sie an die typische Luftströmung, wie sie aus dem Laufrad austritt, angepasst ist. So ist es z.
B. klar, dass die Strömungsge schwindigkeit an den Wänden den Raumes 20 kleiner ist als die in der Mitte des Raumes.
Die so erhaltene Form der Eintrittskante macht den Diffusor für eine Überschallströmung aus dem Laufrad geeignet, und zwar dadurch, dass sich eine Strömungsab lösung im Diffusor fortschreitend ausbildet, ohne an einer Stelle entlang der Eintrittskante eine schwerwie gende Form anzunehmen.
Weiter wird bei dieser Ausbil dung der Eintrittskante die Grenzschicht so wenig wie möglich gestört. Es ist weiter ersichtlich, dass die Schnittlinie zweier Kanäle, welche die Eintrittskante bilden, gleichzeitig die Entstehung einer scharfen Kante zur Folge hat, welche sich entlang der ganzen Ausdeh nung der Eintrittskante erstreckt. Dadurch wird der Diffusor auch für Geschwindigkeiten im über schallbereich geeignet.
Es hat sich gezeigt, dass diese Ausbildung des Diffusors einen wesentlich grösseren Druckanstieg zwischen dem Eintritt des Laufrades und dem Austritt des Diffusors liefert als man es bisher bei Zentrifugalkompressoren für möglich hielt. Dieser grosse Druckanstieg wird auch mit gutem Wirkungsgrad erhal ten.
Die Anzahl der Kanäle, die im Diffusorring 16 ausgebildet sind, ist in erster Reihe von Volumen und den Bedingungen der Gasströmung abhängig. Es ist eine beliebige praktisch herstellbare Anzahl von Kanälen zulässig, vorausgesetzt, dass benachbarte Kanäle relativ zueinander so angeordnet sind, dass ihre Schnittlinien in der trennenden Wand zwischen den Kanälen die im wesentlichen elliptischen Eintrittskanten bilden,
welche sich zwischen entgegengesetzten Wänden des Diffusor- raumes 20 erstrecken und deren Enden sich im Bereich der inneren Fläche 15 des Diffusors befinden.
In der Fig. 3 ist ein Laufrad 10a in einem Gehäuse 21 angeordnet. An das Gehäuse 21 ist durch Schrauben 22 ein ringförmiger Diffusor 23 angeschlossen, welcher gleichzeitig einen Teil des Gehäuses des Kompressors bildet. Der Diffusor 23, welcher vom Diffusorring nach der Fig. 1 etwas abweicht, ist mit einer Mehrzahl von Kanälen 24 (siehe Fig. 4) versehen, welche sich von einer inneren Umfangsfläche 25 zu einer äusseren Umfangsfläche 26 des Diffusors 23 erstrecken.
Die Kanäle 24 haben einen gekrümmten Querschnitt und können für viele Anwendungen einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Der Diffusor 23 ist als ein massiver Ring dargestellt, in welchem die Kanäle 24 ausgebohrt sind. Der Diffusor 23 kann jedoch auch aus Blech hergestellt sein.
Die Kanäle 24 sind mit einem konstanten Quer schnitt dargestellt. Sie können sich jedoch auch zur Achse des Laufrades verjüngen, so dass ein konischer Diffusorbereich entsteht.
Die Kanäle 24 sind auch so angeordnet, dass jeder seinen benachbarten Kanal in der Nähe der inneren Fläche 25 des Diffusors 23 schneidet. Auf diese Weise entsteht ein ununterbrochener ringförmiger Diffusor- raum 27 zwischen der inneren Fläche 25 und dem Laufrad 10. Der ringförmige Raum 27 bildet einen ersten Diffusorbereich.
Vorzugsweise verlaufen entsprechend der Darstel lung in der Fig. 4 die Mittellinien der Kanäle 24 tangential zu einem Kreis 28, welcher sich in nächster Nähe der inneren Fläche 25 des Diffusors 23 befindet oder sogar mit ihr zusammenfällt. Der Tangentenkreis braucht nicht einen derartigen Durchmesser zu haben, es ist jedoch erwünscht, dass sein Durchmesser angenähert gleich ist, wie der grösste Durchmesser des Laufrades 10, welcher in der Zeichnung durch einen Kreis 28 dargestellt ist.
Die erforderliche Leitung der Strömung wird durch Rohre 31 erzielt, von denen sich jedes vom Austrittsende eines Kanales 24 erstreckt. Die bevorzugte Ausbildung eines derartigen Rohres besteht aus zwei Teilen, und zwar einem inneren Teil 32 und einem äusseren Teil 33. Der äussere Teil 33 enthält einen Bogen, durch welchen die Strömung in eine axiale Richtung umgeleitet wird. Eine derartige Form hat den Vorteil, dass sie eine einfache Herstellung ermöglicht, da die Krümmung in einer Ebene verläuft.
Ausserdem verlaufen die Verände rung der Strömungsrichtung wie auch die Veränderung des Querschnittes des Kanales beide im gleichen Rohr.
Das innere Rohr 32 bildet eine gerade Verlängerung der Kanäle 24 und ist in einem ausgebohrten äusseren Ende des Kanales 24 eingepasst, derart, dass die innere Fläche des Rohres mit dem Kanal fluchtet. Die Rohre 32 haben einen Querschnitt, der sich dem Austrittsende zu vergrössert und dadurch einen als Diffusor wirkenden Teil der Kanäle bildet. Das Mass der Vergrösserung des Querschnittes kann so gross sein, wie es ohne eine schädliche Beeinflussung der Strömung durch die Rohre möglich ist. Der äussere Teil 33 bildet sich verbreitende Kanäle für eine weitere Strömung der Luft aus dem Laufrad.
Die Rohre des äusseren Teiles 33 sind entsprechend der Darstellung in der Fig. 4 gekrümmt, um die Umfangskomponente der Strömung in diesen Rohren zu vergrössern. Die Krümmung ist so gewählt, dass die Teile 33 im wesentlichen tangential zu einem ringförmi gen Kanal 34 verlaufen, welcher das Austrittsende des Kompressors darstellt und bei einer Gasturbinen-Anlage den Eingang der Brennkammer bilden kann. Der Kanal 34 befindet sich entsprechend der Darstellung in der Fig. 3 zwischen einer äusseren Gehäusewand 35 und einer inneren Gehäusewand 36.
Während die Teile 33 entsprechend der Darstellung in der Fig. 4 gekrümmt sind, so sind sie auch gleichzeitig in einer axialen Richtung um einen Winkel von im wesentlichen 90 verdreht, wie dies aus der Fig. 3 ersichtlich ist. Diese Drehung verläuft rechtwinklig zur erwähnten Krümmung.
Obwohl in der Fig. 3 ein Bogen 90 dargestellt ist, geht aus der Abwicklung in der Fig. 5 herc:or, dass, in dieser Blickrichtung betrachtet, die Rohrteile in den Ausgangsring unter einem schrägen Winkel eintreten, so dass an der Eintrittsstelle eine wesentliche Komponente in Umfangsrichtung besteht. Das bedeutet, dass die effektive Änderung der Strö mungsrichtung nicht volle 90 beträgt, sondern ungefähr um 30 kleiner ist. Dadurch werden die ärodynamischen Eigenschaften der Strömung verbessert.
Die Austrittsöff nung jedes der Rohre verläuft daher nicht rechtwinklig zur Rohrachse sondern steht zu dieser unter einem schrägen Winkel wie dies aus der Fig. 5 hervorgeht. Das hat zur Folge, dass auch ohne eine Abflachung des Endes des Rohres seine Form elliptisch ist.
Der Teil 33 kann durch ein von einem zum anderen Ende sich kontinuierlich ausweitendes Rohr sein und kann z. B. aus einem schräg zugeschnittenen Stück Blech hergestellt sein, dessen entgegengesetzte Kanten mitein ander verbunden werden, so dass ein konisches Rohr entsteht. Das Rohr wird dann an seinem breiteren Ende abgeflacht und in Längsrichtung im wesentlichen in der Ebene der kleineren Achse der elliptischen Querschnitte um 90 gebogen. Durch diese einfache Biegung entsteht der einzige bei der Ausführung nach den Figuren 3 und 4 erforderliche Bogen. Bei dieser Ausführung befindet sich die Mittellinie des Ausgangsendes des Rohres an einem Radius des Diffusors, welcher parallel zum Kanal 24 verläuft, an welchen das Rohr angeschlossen ist.
Das Austrittsende des Rohres ist schräg abgeschnitten, wie e-,;--s au; der Fig. 5 hervorgeht.
Die Dimensionen der Rohrteile 33 an ihren äusseren Enden sind so gewählt, dass sich die Enden am Umfang aneinander anschliessen. Auf diese Weise füllt die aus den Rohrteilen austretende Strömung fast vollständig den Ringraum, in welchem sie angeordnet sind. Zur Erzielung idealer Verhältnisse können die Austrittsenden der Rohrteile abgeflacht oder ausgedehnt werden, derart, dass jedes Ausgangsende im wesentlichen die Form eines Ringsegmentes hat, so dass der volle Ring vollständig ausgefüllt wird.
Die Form der Austrittserden bildet ein abgeflachtes Oval, dessen grössere Achse so gekrümmt ist, dass sie der Ringform folgt.
Im Extremfall kann die Form des Ovales so abge flacht sein, dass im wesentlichen ein Rechteck mit abgerundeten Ecken entsteht, dessen in Längsrichtung verlaufende Seiten so gekrümmt sind, dass sie der Krümmung des Ringes folgen. In jedem Falle erweiten sich bzw. verjüngen sich die äusseren Rohrteile von einem Ende zum anderen Ende, so dass sie entlang ihrer ganzen Länge eine Fortsetzung des Diffusors bilden.
Diese besondere Form der Rohre, durch welche die aus dem Laufrad austretende Luft so geleitet wird, dass sie eine wesentliche axiale Komponente und eine Kompo nente im Umfangsrichtung enthält, wobei die radiale Komponente beseitigt wird, hat sich als besonders geeignet erwiesen, um die Umleitung mit einem Mini mum an Störung der Strömung und mit maximalem Wirkungsgrad herbeizuführen. Die im wesentlichen kreisförmige Strömung aus den Kanälen 24, in welchen die Luft eine radiale Komponente wie auch eine Kompo nente in Umfangsrichtung hat, wird ohne wesentliche Störung der Strömung in eine angenähert elliptische Strömungsbahn umgewandelt.
Es versteht sich, dass bei dieser Ausführung die Rohrteile 32 und 33 an ihrer Verbindungsstelle über lappt sind, so dass eine im wesentlich nicht unterbroche ne innere Fläche zur Leitung der Luftströmung entsteht. Die äusseren Rohrteile können in dem sie umgebenden Gehäuseteil 35 durch Verbindungsstreifen 38 befestigt sein, die in der dargestellten Weise an den äusseren Enden der Rohre und am Gehäuse angeschweisst sind.