DE102004041652A1

DE102004041652A1 - Vermeidung einer Verdichterförderstörung über ausgeprägte Flügelformen

Info

Publication number: DE102004041652A1
Application number: DE102004041652A
Authority: DE
Inventors: Yousef M. Jarrah
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2004-08-27
Publication date: 2005-03-24
Anticipated expiration: 2024-08-28
Also published as: US20050047943A1; DE102004041652B4

Abstract

Ein Verdichter enthält einen schaufellosen Diffusor, eine Schnecke in Fluidverbindung mit dem Diffusor und ein Laufrad, das betreibbar ist, um eine Fluidströmung zu verdichten und die Fluidströmung zum Diffusor zu leiten. Das Laufrad enthält eine Nabe mit einer Drehachse und mehrere davon ausgehende Flügel. Die Flügel weisen eine Oberfläche auf, die definiert ist durch eine axiale Richtung (Z), einen von der Drehachse der Nabe definierten Radius (R) und einen Polarwinkel (THETA), wobei THETA im Wesentlichen definiert ist durch die Gleichung: THETA = a* [natürlicher Logarithmus von (R)] + b.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht auf Laufräder für Verdichter und Pumpen und dergleichen und insbesondere auf eine verbesserte Flügelausführung für ein Laufrad.

In einer Vielzahl von Anwendungen werden weithin Laufräder verwendet, um ein Fluid zu verdichten. Laufräder werden z.B. oft in Anwendungen mit Luftverdichtern zum Gebrauch beim Erzeugen von verdichteter Luft verwendet, um pneumatische Werkzeuge und dergleichen anzutreiben. Alternativ dazu werden Laufräder verwendet, um ein Fluid zur Nutzung in einem unter Druck gesetzten System wie z.B. beim Zuführen einer unter Druck gesetzten Fluidströmung zur Nutzung bei einem Löschfahrzeug oder einer Pumpstation zu verdichten. Ferner werden solche Laufräder gewöhnlich noch beim Entwurf und Betrieb von Flugzeugmotoren verwendet, wodurch eine verdichtete Fluidströmung über ein Laufrad geliefert wird, um ein Flugzeug in einer gewünschten Richtung anzutreiben. In jeder der vorhergehenden Anwendungen ist es wünschenswert, ein Laufrad zu schaffen, das unter veränderlichen Strombedingungen arbeiten kann, um ungeachtet äußerer Kräfte für eine kontinuierliche Zufuhr eines unter Druck gesetzten Fluids zu sorgen.

Wie man aus der vorhergehenden Diskussion erkennen kann, können Laufräder betrieben werden, um eine Fluidströmung zur Nutzung in mehreren Anwendungen zu verdichten. Wie vorher diskutiert wurde, ist eine solche Anwendung ein Luftverdichter. Herkömmliche Verdichter enthalten typischerweise ein Laufrad, einen Diffusor und eine Schnecke, wobei der Diffusor mit sowohl dem Laufrad als auch der Schnecke in Fluidverbindung steht und betreibbar ist, um eine verdichtete Luftströmung vom Laufrad zur Schnecke zur Nutzung in einem externen System weiterzuleiten. Das Laufrad weist gewöhnlich mehrere Flügel auf, die betreibbar sind, um eine externe Luftströmung zu empfangen und zwischen einer Nabe des Laufrads und einer stationären Ummantelung zu verdichten. Konkret fängt das Laufrad die externe Luftströmung bei einem Einlass bzw. Inducer ein, der nahe einer Anströmkante jedes Flügels angeordnet ist, so dass der eingefangene Massenluftstrom durch die Drehung des Laufrades zwischen die Nabe und der Ummantelung gezwungen wird. Der Inducer ist allgemein betreibbar, um die externe Luftströmung einzufangen und sie aufgrund der im Allgemeinen gekrümmten oder gebogenen Form der Anströmkante jedes Flügels zwischen die Nabe und die stationäre Ummantelung zu zwingen, während das Laufrad gedreht wird.

Wie man erkennen kann, ist, während sich die Luftströmung zwischen den einzelnen Flügeln bewegt, die Form der Ummantelung und Nabe so, dass die Luftströmung vor Erreichen der Schnecke verdichtet wird. Die verdichtete Luftströmung wird zur Verteilung in eine äußere Anwendung wie z.B. ein pneumatisches Werkzeug oder einen Fahrzeugmotor oder ein Leistungsmodul einer Brennstoffzelle in die Schnecke empfangen. Der Diffusor enthält gewöhnlich mehrere stationäre Schaufeln, die dahingehend wirken, die Luftströmung zu zerstreuen und somit den statischen Druck der verdichteten Luft zu erhöhen. Derartige Erhöhungen des statischen Drucks erhöhen im Allgemeinen den Druck der Luftströmung, wodurch für eine erwünschte Abgabe von unter Druck gesetzter Luft aus dem Verdichter gesorgt wird. Die Strömung wird dann über die Schnecke gesammelt und an das Auslasssystem abgegeben.

Bei der Konstruktion von Verdichtern ist es zunehmend wichtig, eine konstante Strömung unter Druck gesetzter Luft zu liefern, um einen einwandfreien Betrieb einer externen Einrichtung sicherzustellen. Wie man erkennen kann, kann eine Unterbrechung eines Verdichters bewirken, dass externe Einrichtungen wie z.B. pneumatische Werkzeuge blockieren und die Arbeit abrupt stoppen. Eine derartige Verdichterfehlfunktion tritt häufig aufgrund einer Förderstörung (engl. surge) auf. Förderstörung ist ein Ausdruck, der sich allgemein auf einen Zustand bezieht, der durch eine erhebliche Reduzierung des Drucks einer Einleitungsluftströmung zu einem Laufrad herbeigeführt wird. Konkreter wird eine Förderstörung durch eine Strömungsablösung (engl. flow separation) an einer Ansaugseite jedes Flügels, im Allgemeinen nahe der Anströmkante, hervorgerufen. Eine solche Strömungsablösung tritt bei reduzierten Strömen auf, wenn der Anströmwinkel groß und die Massenstromrate von Luft reduziert ist. Unter solchen Bedingungen kann eine Strömungsablösung der Einleitungsluftströmung bewirken, dass vom Laufrad eine abgerissene Strömung empfangen wird, wodurch ein Stillstand oder eine Betriebsstörung des Laufrades verursacht wird.

In einer Anwendung wird ein Laufrad mit einem Verdichter verwendet, um eine konstante Zufuhr unter Druck gesetzten Wasserstoffs und Sauerstoffs zu einem Fahrzeugmotor zu liefern, um den Motor dadurch anzutreiben. Wie man erkennen kann, können verschiedene Betriebsbedingungen des Fahrzeugs veränderliche Zustände eines Einleitungsstroms hervorrufen. Zum Beispiel kann das Fahrzeugsystem unter verschiedenen Betriebsbedingungen wie z.B. Wetteränderungen, Höhenänderungen oder Systemlasten mehr oder weniger Strom erfordern. In solch einer Anwendung sorgt die Vermeidung einer Förderstörung dafür, dass das Fahrzeug unter solchen veränderlichen Zuständen ungeachtet der veränderlichen Zustände des Einleitungsstroms arbeiten kann.

Herkömmliche Systeme versuchen, eine Förderstörung zu behandeln, indem Mechanismen vorgesehen werden, die betreibbar sind, um einen reduzierten Strom festzustellen, so dass das System eine bevorstehende Förderstörung hinauszögern oder vermeiden kann. Solche herkömmlichen Systeme enthalten Kolbenverdichter mit geringer Leistung und hohen Rauschpegeln, Verdichter mit modifizierten Kapselungen oder Gehäusen, die betreibbar sind, um das Einsetzen eines Strömungsabrisses zu verzögern, und Einleitungsführungsschaufeln mit veränderlicher Geometrie. In jedem der vorhergehenden Systeme wird ein erheblicher Leistungsbetrag beim Antreiben eines sehr unstetigen oder abgerissenen Stroms verschwendet, ohne eine Förderstörung tatsächlich zu vermeiden. Auf diese Art und Weise leiden herkömmliche Systeme an dem Nachteil, dass mehrere Systeme erforderlich sind, um das Auftreten einer Förderstörung zu verzögern, wodurch das gesamte System zunehmend komplex und teuer wird, ohne eine Förderstörung tatsächlich zu verhindern. Da herkömmliche Systeme das Auftreten einer Förderstörung nur verzögern, können außerdem solche herkömmlichen Systeme keine konstante Strömung eines unter Druck gesetzten Fluids liefern, da solche Systeme unter Bedingungen mit reduziertem Strom nicht arbeiten können.

Daher wünscht die Industrie ein Laufrad, das unter Bedingungen mit reduziertem Strom arbeiten kann, selbst wenn ein Netto-Einleitungsmassenstrom sich Null nähert. Außerdem wünscht man sich auch ein Laufrad mit mehreren Flügeln, die eine sich ausbildende abgerissene Strömung in eine kohäsive Strömung überführen kann, während gleichzeitig eine Flügelstruktur vorgesehen wird, die mit einer minimalen Anzahl von Komponenten leicht und einfach hergestellt werden kann.

Demgemäß liefert die vorliegende Erfindung einen Verdichter, der einen schaufellosen Diffusor, eine Schnecke in Fluidverbindung mit dem Diffusor und ein Laufrad enthält, das betrieben werden kann, um eine Fluidströmung zu verdichten und die Fluidströmung zum Diffusor zu leiten. Das Laufrad enthält eine Nabe mit einer Drehachse und mehrere, davon ausgehende Flügel. Die Flügel weisen eine Oberfläche auf, die durch eine axiale Richtung (Z), einen von der Drehachse aus definierten Radius (R) und einen Polarwinkel (Θ) definiert ist, wobei Θ im Wesentlichen durch die folgende Gleichung: Θ = a·[natürlicher Logarithmus von (R)] + b. definiert ist.

Das Laufrad kann betrieben werden, um eine Luftströmung nahe einer Anströmkante jedes Flügels einzufangen und die Luftströmung zur Nutzung in einem externen System zu verdichten. Indem man jede Flügelform nur als eine Funktion von (R) definiert, kann das Laufrad unter Bedingungen arbeiten, bei denen ein Einleitungsmassenstrom bei Null liegt oder sich Null nähert, und ist daher so betreibbar, dass eine Förderstörung verhindert wird.

Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Erfindung werden aus der im folgenden gelieferten ausführlichen Beschreibung ersichtlich werden. Es sollte sich verstehen, dass die ausführliche Beschreibung und spezifischen Beispiele, obgleich sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Veranschaulichungszwe cken und nicht zur Beschränkung des Umfangs der Erfindung gedacht sind.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnung beschrieben, in dieser zeigt:
1 eine perspektivische Ansicht eines Laufrads gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
2 eine Querschnittansicht des Laufrads von 1;
3 eine detailliertere Querschnittansicht des Laufrads von 1;
4 eine partielle Schnittansicht des Laufrads von 1, die ein Meridionalprofil eines Laufradflügels zeigt;
5 das Laufrad von 1, das in eine Sammelanordnung eingebaut ist;
6 eine Meridionalansicht eines Laufradflügels zur Verwendung mit einem radialen Laufrad;
7 eine Meridionalansicht eines Laufradflügels zur Verwendung mit einem Mischstromlaufrad;
8 eine graphische Darstellung eines Leistungskennfeldes eines Verdichters, das eine klassische Förderstörungslinie zeigt; und
9 ein schematisches Diagramm, das einen Verdichter gemäß der Grundlagen der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist in ihrer Art nur beispielhaft und soll in keiner Weise die Erfindung, ihre Anwendung oder Nutzungen beschränken.
Nach den Figuren ist ein Laufrad 10 vorgesehen und enthält eine Nabe 12 und mehrere, davon radial ausgehende Flügel 14. Das Laufrad 10 ist betreibbar, um einen Luftstrom durch Zusammenwirken zwischen den mehreren Flügeln 14 und der Nabe 12 einzufangen, um den Luftstrom zu verdichten und eine unter Druck gesetzte Luftströmung abzugeben, wenn das Laufrad 10 um eine zentrale Drehachse 16 dreht.
In 1 ist dargestellt, dass das Laufrad 10 eine im Wesentlichen kreisförmige Form mit einer koaxial mit der Drehachse 16 angeordneten Nabe 12 aufweist. Die Nabe 12 weist eine Spitze 18 und eine nahe jedem Flügel 14 ausgebildete Nabenkontur 20 auf, wie am besten in 2 und 3 dargestellt ist. Die Nabenspitze 18 weist eine im Wesentlichen gebogene Oberfläche 22 zum Verteilen eines empfangenen Luftstroms auf jeden der mehreren Flügel 14 auf.
In 4 ist gezeigt, dass die Flügel eine im Wesentlichen überstreichende gebogene Oberfläche aufweisen, die von der Nabe 12 radial und axial verläuft. Wie man erkennen kann, versieht die Auslegung der gebogenen Oberfläche 24 für ein Überstreichen jeden Flügel mit einer Winkelkomponente Θ, auf die im Allgemeinen als der Polarwinkel verwiesen wird. Auf diese Weise ist die gesamte Form und Kontur jedes Flügels 14 als eine Funktion einer axialen Richtung (Z), eines Radius (R) und des Polarwinkels (Θ) definiert. Die axiale Richtung (Z) schreibt im Allgemeinen die Gesamthöhe jedes Flügels 14 vor und erstreckt sich in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse 16 der Nabe 12. Die radiale Richtung oder der Radius (R) verläuft von der zentralen Drehachse 16 nach außen, um im Wesentlichen eine Länge jedes Flügels 14 zu definieren. Auf diese Art und Weise weist jeder Flügel 14 eine Anströmkante 26, die entlang der axialen Richtung (Z) verläuft, und eine Austrittskante 28 auf, die an einem Distalende jedes Flügels 14 entlang der radialen Richtung (R) im Wesentlichen ausgebildet ist, wie am besten in der meridionalen Projektion von 4 dargestellt ist. Außerdem weist jeder Flügel 14 eine sich zwischen der Anströmkante 26 und der Austrittskante 28 für eine Wechselwirkung mit einer Luftströmung erstreckende Spitzenkontur 27 auf, wie im Folgenden weiter diskutiert wird.
Wie vorher diskutiert wurde, weist jeder Flügel 14 eine überstreichende gebogene Oberfläche 24 auf, die im Wesentlichen definiert ist durch eine axiale Richtung (Z), eine radiale Richtung und eine Winkelrichtung oder einen Polarwinkel (Θ). Wie man erkennen kann, ändert sich die Winkelposition im Verlauf jedes Flügels 14 von der Nabe 12 weg bei jedem gegebenen radialen Wert (R). Mit anderen Worten ist die Winkelposition oder der Polarwinkel (Θ) durch die folgende Gleichung als eine Funktion des Radius (R) definiert: Θ = a·[natürlicher Logarithmus von (R)] + b.
Die Terme "a" und "b" in der obigen Gleichung sind Konstanten und hängen von einem erforderlichen Strom ab, den das Laufrad 10 bei einer gegebenen Drehzahl einfangen muss. Solche Konstanten werden im allgemeinen durch die Gesamtanforderungen des Laufrades 10 bestimmt und werden oft durch die bestimmte Anwendung vorgeschrieben, in der das Laufrad 10 genutzt wird. Auf diese Weise ist ungeachtet der Drehzahl des Laufrades 10, des Massenluftstroms oder Druckanstiegs durch das Laufrad 10 der Polarwinkel (Θ) des Flügels nur als eine Funktion des Radius (R) bestimmt. Jeder Flügel 14 weist eine im Wesentlichen konstante Form auf, die sich in der axialen Richtung (Z) erstreckt, weil der Polarwinkel als eine Funktion des Radius (R) gebildet wird, wie in 1 und 4 am besten dargestellt ist.
Beispielsweise stellt 4 einen Flügel mit einer Form gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Die Stelle der Punkte A₁ und A₂ entlang dem Flügel 14 sind definiert durch die Polarwinkel Θ₁ bzw. Θ₂ und die Radien R₁ bzw. R₂. Wie beschrieben wurde, ist die bestimmte Lage von Θ₁ definiert als Θ = a·[natürlicher Logarithmus von (R₁)] + b, während Θ₂ allgemein definiert ist als Θ = a·[natürlicher Logarithmus von (R₂)] + b. In dieser Hinsicht ist die gesamte Flügelform definiert als eine Funktion des Polarwinkels (Θ) entlang der Länge des Flügels 14 an einer bestimmten radialen (R) Position. Obgleich zwei Winkelpositionen (d.h. Θ₁ und Θ₂) dargestellt sind, sollte es sich verstehen, dass die gesamte Flügelform durch eine unendliche Anzahl von Polarwinkeln definiert werden könnte, die sich zwischen der Anströmkante 26 und der Austrittskante 28 an jeweiligen radialen Positionen erstrecken, und soll als innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegend betrachtet werden. Solch eine Beziehung sorgt für eine verbesserte Herstellbarkeit, da die oberen und unteren Modellformen beim Formen des Laufrades 10 schnell getrennt werden können. Wie man erkennen kann, erhöht ein Flügel 14, der eine Oberfläche als eine Funktion von sowohl (R) als auch (Z) definiert, die Komplexität der Herstellung, da eine Entnahme von Teilen aus der Modellform durch den Verlauf des Flügels 14 in sowohl der radialen (R) als auch axialen (Z) Richtung eingeschränkt ist. Indem eine Flügelform als eine Funktion allein des Radius (R) definiert wird, wird überdies die Leistung des Laufrades 10 sehr verbessert, da der Einleitungsmassenstrom und -druck reduziert sind, wie im Folgenden weiter diskutiert wird.
In 5 ist ein Laufrad 10 in eine Sammelanordnung 30 eingebaut dargestellt, die einen schaufellosen Diffusor 34 und eine Schnecke 32 enthält. Der schaufellose Diffusor 34 umgibt das Laufrad 10 radial und definiert einen nahe der Schnecke 32 angeordneten, im Wesentlichen offenen Raum 38. Die Schnecke 32 umgibt radial einen Außendurchmesser des Diffusors 34 und enthält ähnlich einen offenen Raum 36. Der offene Raum 36 der Schnecke 32 steht in Fluidverbindung mit dem offenen Raum 38 des schaufellosen Diffusors 34. Auf diese Weise ist das Laufrad 10 betreibbar, um ein unter Druck gesetztes Fluid über den offenen Raum 38 des Diffusors 34 zur Schnecke 32 zu leiten.
Im Betrieb empfängt das Laufrad 10 einen Massenstrom von Luft an einem Einlass oder Inducer im Allgemeinen nahe der Anströmkante 26 jedes Flügels 14. Während die Anströmkante 26 den Luftstrom durch Drehung des Laufrades 10 um die zentrale Achse 16 einfängt, wird die Luft durch die Anströmkante 26 und Kontur jedes Flügels 14 in das Laufrad 10 umgelenkt. Ist der Luftstrom einmal von den Flügeln 14 gefangen, wird die Luft gezwungen, sich entlang der gebogenen Oberfläche 24 und der Spitzenkontur 27 jedes Flügels 14 im Allgemeinen zwischen der Nabenkontur 12 und einer äußeren Struktur wie z.B. einer stationären Ummantelung 40 (am besten in 2 und 3 ersichtlich) zu bewegen. Eine Bewegung der Luft entlang den Flügeln 14 von der Anströmkante 26 zur Austrittskante 28 bewirkt, dass die Luftströmung den Druck aufgrund der Gesamtform jedes Flügels 14, des eingeschlossenen Raums zwischen jedem Flügel 14 und der stationären Ummantelung 40 und der gesamten Drehzahl des Laufrades 10 erhöht.
Ist ein ausreichender Druck einmal erreicht, wird die Luftströmung in den offenen Raum 38 des schaufellosen Diffusors 34 zur Sammlung abgegeben. Wie man erkennen kann, bildet jeder Laufradflügel 14 zwischen jedem Paar jeweiliger Flügel 14 für eine Wechselwirkung mit dem Diffusor 34 eine Öffnung 42 aus. Konkret stehen die Öffnungen 42 in Fluidverbindung mit dem offenen Raum 38 des Diffusors 34 und dienen dazu, die komprimierte Luftströmung in den offenen Raum 38 zur Sammlung und Verteilung zur Schnecke 32 abzugeben. Bei Empfang der verdichteten Luftströmung verteilt die Schnecke 32 über einen Auslass 44 die Fluidströmung an eine äußere Quelle wie z.B. einen Fahrzeugmotor, eine Brennstoffzelle oder ein pneumatisches Werkzeug (keines dargestellt).
In einer Ausführungsform ist das Laufrad 10 ein radiales Laufrad, wobei sich ein an der Anströmkante 26 jedes Flügels 14 empfangener Massenluftstrom entlang dem Flügel 14 zwischen der Anströmkante 26 und der Austrittskante 28 zur Verdichtung wie vorher diskutiert bewegt. Eine solche Anordnung dient dazu, Luft durch ein Zentrifugalverfahren zu verdichten, wobei die Luftströmung durch den Inducer an der Anströmkante 26 im Wesentlichen in der axialen Richtung (Z) jedes Flügels 14 eingefangen wird. Einmal eingefangen wird durch Drehung des Laufrades 10 bewirkt, dass sich der Luftstrom entlang der gebogenen Oberfläche 24 jedes Flügels im Wesentlichen in der radialen (R) Richtung bewegt, wie am besten in 6 dargestellt und durch mehrere Pfeile 15 angegeben ist. In solch einer Beziehung kann ein Luftstrom mit hohem Druck erreicht werden, da die volle Kraft der Luft in eine einzige Richtung (R) gerichtet ist.
Bei solch einem radialen Laufrad 10 sollte für eine optimale Laufradleistung die Länge des Inducers oder die Höhe der Anströmkante 26 in der axialen Richtung (Z) innerhalb von 5 bis 7 % des Außendurchmessers des Laufrades 10 liegen, wie im Folgenden weiter diskutiert wird.
In einer alternativen Ausführungsform ist das Laufrad 10 ein Mischstromlaufrad, wie in 7 gezeigt ist. Im Hinblick auf die Ähnlichkeit zwischen dem radialen Laufrad 10 und dem Mischstromlaufrad werden im Folgenden und in den Zeichnungen gleiche Bezugsziffern verwendet, um gleiche Komponenten zu identifizieren, während gleiche Bezugsziffern mit Buchstabenerweiterungen verwendet werden, um diejenigen Komponenten zu kennzeichnen, die modifiziert worden sind.
In einem Mischstromlaufrad tritt ein eintretender Luftstrom entlang der axialen Richtung (Z) ein, verlässt das Laufrad 10 aber nicht nur in der radialen Richtung (R). Vielmehr verlässt eine verdichtete Luftströmung in einer Anwendung mit einem Mischstromlaufrad das Laufrad in sowohl der axialen (Z) als auch radialen (R) Richtung, wie in 7 am besten ersichtlich und durch mehrere Pfeile 17 angegeben ist. In solchen Systemen enthält das Laufrad mehrere Flügel 14a mit einer Anströmkante 26a, einer Austrittskante 28a und einer dazwischen verlaufenden Flügelkontur 27a, wie am besten in der Meridionalansicht von 7 dargestellt ist. Außerdem weisen solche Flügel 14a ferner eine Nabenkontur 20a mit einer raschen Flächenreduzierung 46 auf, die bei im Wesentlichen 1/3 der Gesamtlänge des Flügels 14a von der Anströmkante 26a angeordnet ist, wobei die Gesamtlänge des Flügels 14a zwischen der Anströmkante 26a und der Austrittskante 28a gemessen wird, wie in 7 am besten dargestellt ist.
Die rasche Flächenreduzierung 46 ist als eine Funktion der Gesamtfläche der Anströmkante 26a ausgebildet. Konkret sollte für eine optimale Leistung die reduzierte Fläche 46 in der axialen Richtung (Z) innerhalb 2/3 bis 3/4 der Fläche der Anströmkante 26a liegen, wie im Folgenden weiter diskutiert wird. Auf diese Art und Weise weist die rasche Flächenreduzierung 46 einen Startpunkt in einer Distanz "X" von der Anströmkante 26a auf und erstreckt sich von solch einem Punkt bis zur Austrittskante 28a jedes Flügels 14a, wie in 7 dargestellt ist. Wie vorher diskutiert wurde, ist die Distanz "X" ungefähr gleich der folgenden Gleichung: X = 1/3·(die Gesamtlänge des Flügels).
In jeder der vorhergehenden Ausführungsformen hängt der geeignete Betrieb des Laufrades 10 von der Fähigkeit des Laufrads 10 ab, eine Luftströmung zu empfangen und solch eine Luftströmung zu verdichten, um einen vorbestimmten Fluiddruck zur Nutzung in einem externen System gleichmäßig zu liefern. Auf diese Art und Weise muss das Laufrad 10 eine Fluidströmung ungeachtet des Zustands der eingespeisten Fluidströmung gleichmäßig verdichten können. Dabei muss das Laufrad 10 unter Bedingungen eines minimalen Einspeisungsstroms arbeiten können, um das Einsetzen einer Förderstörung zu vermeiden.
Wie vorher diskutiert wurde, wird eine Förderstörung durch eine Stromablösung auf einer Ansaugfläche oder nahe der Anströmkante 26 der Laufradflügel 14 hervorgerufen und tritt bei einem reduzierten Strom auf, wenn der Anströmwinkel groß ist. Eine Förderstörung kann die Fehlfunktion des Laufrades 10 verursachen, da eine solche Stromablösung einen "abgerissenen" oder abgelösten Strom erzeugt. 8 ist eine graphische Darstellung einer Förderstörungslinie, die einen Punkt angibt, an welchem man bei einer gegebenen Drehzahl eine abgerissene Strömung erhält.
Wenn die Massenstromrate und der Druck einer empfangenen Luftströmung reduziert werden, erleidet ein Laufrad 10 leicht eine Förder störung. Drehzahlkurven 48, die in 8 angegeben sind, können für verschiedene Drehzahlen des Laufrades 10 gezeichnet werden, wobei jede Drehzahlkurve 48 eine Förderstörungslinie (A-B) an einem Punkt schneidet, an welchem ein abgerissener Strom auftritt. Der Punkt, an welchem die Drehzahlkurve 48 die Förderstörungslinie (A-B) berührt, ist der Punkt, an welchem das Laufrad 10 für eine gegebene Drehzahl eine Förderstörung erleidet. Wie man erkennen kann, wird die Wahrscheinlichkeit einer Förderstörung erhöht, wenn das Druckverhältnis und die Massenstromrate einer eingespeisten Fluidströmung reduziert werden.
In 8 ist ferner dargestellt, dass eine Förderstörung verhindert werden kann, falls die Förderstörungslinie (A-B) mit der vertikalen Achse koaxial ausgerichtet ist, so dass das Druckverhältnis endlich und die Massenstromrate Null ist, wodurch eine Förderstörung verhindert wird. Solch eine Beziehung ist in 8 graphisch angegeben, indem die Drehzahllinien unter Verwendung gestrichelter Linien 50 zur vertikalen Achse verlängert sind und die Förderstörungslinie (A-B) mit der vertikalen Achse koaxial ausgerichtet ist. Indem man so verfährt, kann das Laufrad 10 unter einer Bedingung arbeiten, in der das Druckverhältnis endlich und die Massenstromrate Null ist, wodurch das Auftreten einer Förderstörung verhindert wird.
Im Betrieb ist das Laufrad 10 der vorliegenden Erfindung betreibbar, um eine Förderstörung zu verhindern, indem der abgelöste Strom erneut angelegt und eine nutzbare eingespeiste Fluidströmung ermöglicht wird. Mit anderen Worten ist die Flügelform dafür ausgelegt, den "sich ausbildenden abgerissenen" Strom zu stabilisieren, so dass der Strom bei allen Strömen selbst unter Bedingungen, bei denen der Strom auf Null reduziert ist, an der Flügeloberfläche 24 angelegt bleibt.
Um sicherzustellen, dass eine empfangene Luftströmung bei jedem beliebigen Zustand des eingespeisten Stroms an den Laufradflügeln 14 angelegt bleibt, müssen drei Bedingungen erfüllt sein. Zunächst muss die Form des Flügels 14 eine Funktion des Rades (R) sein. Insgesamt sollte der Polarwinkel (Θ) im Wesentlichen die folgende Gleichung erfüllen: Θ = a·[natürlicher Logarithmus von (R)] + b, wie vorher diskutiert wurde. Indem man die obige Gleichung im Allgemeinen erfüllt, ist offenbar beabsichtigt, dass geringe Abweichungen eine Förderstörung ähnlich eliminieren bzw. vermeiden.
Eine zweite Forderung zur Vermeidung einer Förderstörung besteht darin, dass ein schaufelloser Diffusor 34 in Verbindung mit dem Laufrad 10 verwendet werden sollte. Mit anderen Worten sollte ein Diffusor 34 mit einem offenen Raum 38 in Verbindung mit dem Laufrad 10 verwendet werden und keine Mehrzahl fester Schaufeln enthalten.
Für ein radiales Laufrad 10 ist die dritte Forderung bei der Vermeidung einer Förderstörung, dass für eine optimale Leistung die Länge des Inducers oder die Höhe der Anströmkante 26 in der axialen Richtung (Z) zwischen 5 % und 7 % des Außendurchmessers des Laufrads 10 liegen sollte, wie vorher diskutiert wurde und in 6 am besten dargestellt ist.
Im Fall eines Mischstromlaufrades besteht die dritte Forderung zur Vermeidung einer Förderstörung darin, dass die Fläche der raschen Flächenreduzierung 46 in der axialen Richtung (Z) zwischen 2/3 und 3/4 der Fläche der Anströmkante 26a liegen sollte. Auf diese Art und Weise beginnt die reduzierte Fläche 46 in einer Distanz "X" von der Anströmkante 26a des Flügels 14a und erstreckt sich von solch einem An fangspunkt bis zur Austrittskante 28a jedes Flügels 14a, wie vorher diskutiert wurde und in 7 gezeigt ist.
Mit Verweis auf 9 ist ein Verdichter 100 vorgesehen und betreibbar, um eine Luftströmung zur Verwendung in einem externen System 102 zu verdichten. Der Verdichter 100 wird von einem Motor 104 mit einer sich dazwischen erstreckenden Welle 106 drehend angetrieben. Das Laufrad 10 ist innerhalb des Verdichters 100 angeordnet und wirksam mit der Welle 106 gekoppelt. Konkret ist die Welle 106 wirksam mit der Nabe 12 des Laufrades 10 verbunden, so dass eine Drehung der Welle 106 gleichzeitig das Laufrad 10 dreht. Wie vorher diskutiert wurde, bewirkt eine Drehung des Laufrades 10, dass die Anströmkante 26 jedes Flügels 14 einen Einlassluftstrom einfängt und eine verdichtete Luftströmung an die Sammelanordnung 30 liefert. Bei ausreichender Verdichtung ist die Sammelanordnung 30 betreibbar, um das verdichtete Fluid wie vorher diskutiert über einen Auslass 44 an das externe System 102 abzugeben.
Wie man erkennen kann, kann eine solche Beziehung zwischen einem schaufellosen Diffusor 34 und einem Laufradflügel 14 mit einer nur als eine Funktion des Radius (R) definierten Oberfläche auf jeden beliebigen Bereich von Anwendungen angewendet werden und ist nicht nur auf einen Verdichter beschränkt. Überdies ist solch ein Laufrad 10 nicht auf eine Verdichtung von Luft beschränkt und kann in jedem beliebigen System verwendet werden, das ein verdichtetes Fluid erfordert, wie zum Beispiel, nicht aber darauf beschränkt, eine verdichtete Wasser- oder Wasserstoffströmung. In jeder der vorhergehenden Anwendungen verschafft eine Vermeidung der Förderstörung der bestimmten Anwendung die Möglichkeit, eine Strömung eines unter Druck gesetzten Fluids unter beliebigen äußeren Bedingungen oder Zuständen des Einspeisungsstroms gleichmäßig zu erzeugen und aufrechtzuerhalten.
Die Beschreibung der Erfindung ist in ihrer Art nur beispielhaft, und folglich sollen Variationen, die nicht vom Wesentlichen der Erfindung abweichen, als innerhalb des Umfangs der Erfindung betrachtet werden. Solche Variationen sollen nicht als Abweichung vom Geist und Umfang der Erfindung betrachtet werden. Ein Verdichter enthält einen schaufellosen Diffusor, eine Schnecke in Fluidverbindung mit dem Diffusor und ein Laufrad, das betreibbar ist, um eine Fluidströmung zu verdichten und die Fluidströmung zum Diffusor zu leiten. Das Laufrad enthält eine Nabe mit einer Drehachse und mehrere davon ausgehende Flügel. Die Flügel weisen eine Oberfläche auf, die definiert ist durch eine axiale Richtung (Z), einen von der Drehachse der Nabe definierten Radius (R) und einen Polarwinkel (Θ), wobei Θ im Wesentlichen definiert ist durch die Gleichung: Θ = a·[natürlicher Logarithmus von (R)] + b.

Claims

Verdichter, mit: einem Diffusor; einer Schnecke, die einen offenen Raum in Fluidverbindung mit dem Diffusor definiert; und einem Laufrad, das betreibbar ist, um eine Fluidströmung zu verdichten und die Fluidströmung zur Schnecke zu leiten, wobei das Laufrad enthält: eine Nabe mit einer Drehachse; und mehrere Flügel, die von der Nabe ausgehen, wobei die Flügel eine Oberfläche aufweisen, die defniert ist durch eine axiale Richtung (Z), einen von der Drehachse der Nabe definierten Radius (R) und einen Polarwinkel (Θ), wobei der Polarwinkel (Θ) im Wesentlichen definiert ist durch die Gleichung: Θ = a·[natürlicher Logarithmus von (R)] + b.
Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Flügel eine Anströmkante und eine Austrittskante aufweist, wobei die Anströmkante nahe der Nabe ausgebildet und die Austrittskante nahe der Schnecke ausgebildet ist.
Verdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass a und b aus einem Flügelwinkel der Anströmkante bestimmte Konstanten sind, wobei der Flügelwinkel der Anströmkante im All gemeinen durch die Abgabeanforderungen des Verdichters bestimmt ist.
Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor schaufellos ist, wobei der schaufellose Diffusor einen im Wesentlichen offenen Raum in Fluidverbindung mit dem offenen Raum der Schnecke enthält.
Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad ein radiales Laufrad ist, das einen Inducer enthält, der nahe einer Anströmkante jedes Flügels ausgebildet ist.
Verdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Inducer eine Höhenkomponente in der axialen Richtung (Z) enthält, die 5–7 % eines Außendurchmessers des Laufrades beträgt.
Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad ein Mischstromlaufrad ist.
Verdichter nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Flächenreduzierung, die entlang jedem der Flügel zwischen einer Anströmkante und einer Austrittskante ausgebildet ist.
Verdichter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenreduzierung eine Fläche einschliesst, die zwischen 2/3 und 3/4 einer Fläche der Anströmkante jedes Flügels umfasst.
Verdichter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenreduzierung entlang jedem der Flügel in einer Distanz X von der Anströmkante ausgebildet ist, wobei die Distanz X ungefähr gleich 1/3 einer Gesamtlänge eines Flügels ist, wie sie entlang dem Radius (R) gemessen wird.
Laufrad, mit: einer Nabe mit einer Drehachse; und mehreren Flügeln, die von der Nabe ausgehen, wobei die Flügel eine Oberfläche aufweisen, die definiert ist durch eine axiale Richtung (Z), einen von der Drehachse der Nabe definierten Radius (R) und einen Polarwinkel (Θ), wobei der Polarwinkel (Θ) im Wesentlichen definiert ist durch die Gleichung: Θ = a·[natürlicher Logarithmus von (R)] + b.
Laufrad nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Flügel eine Anströmkante und eine Austrittskante aufweist.
Laufrad nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass a und b aus einem Flügelwinkel der Anströmkante bestimmte Konstanten sind, wobei der Flügelwinkel der Anströmkante im We sentlichen durch Abgabeanforderungen des Verdichters bestimmt ist.
Laufrad nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad ein radiales Laufrad ist, das einen Inducer enthält, der nahe einer Anströmkante jedes Flügels ausgebildet ist.
Verdichter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Inducer eine Höhenkomponente in der axialen Richtung (Z) enthält, die 5–7 % eines Außendurchmessers des Laufrades beträgt.
Verdichter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad ein Mischstromlaufrad ist.
Verdichter nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine Flächenreduzierung entlang jedem der Flügel zwischen einer Anströmkante und einer Austrittskante.
Verdichter nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenreduzierung eine Fläche einschliesst, die zwischen 2/3 und 3/4 einer Fläche einer Anströmkante jedes Flügels beträgt.
Verdichter nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenreduzierung entlang jedem der Flügel in einer Distanz X von der Anströmkante ausgebildet ist, wobei die Distanz X ungefähr gleich 1/3 einer Gesamtlänge eines Flügels ist, wie sie entlang dem Radius (R) gemessen wird.
Verdichter, mit: einem schaufellosen Diffusor; einer Schnecke in Fluidverbindung mit dem schaufellosen Diffusor; und einem radialen Laufrad, das betreibbar ist, um eine Fluidströmung zu verdichten und die Fluidströmung zur Schnecke zu leiten, wobei das radiale Laufrad enthält: eine Nabe mit einer Drehachse; und mehrere Flügel, die von der Nabe ausgehen, wobei die Flügel eine Oberfläche aufweisen, die definiert ist durch eine axiale Richtung (Z), einen von der Drehachse der Nabe definierten Radius (R) und einen Polarwinkel (Θ), wobei der Polarwinkel (Θ) im Wesentlichen definiert ist durch die Gleichung: Θ = a·[natürlicher Logarithmus von (R)] + b; und einen Inducer, der nahe einer Anströmkante der Flügel ausgebildet ist, wobei der Inducer eine Höhe als Funktion der axialen Richtung (Z) hat, die 5–7 % eines Außendurchmessers des radialen Laufrads beträgt.
Verdichter, mit: einem schaufellosen Diffusor; einer Schnecke in Fluidverbindung mit dem schaufellosen Diffusor; und einem Mischstromlaufrad, das betreibbar ist, um eine Fluidströmung zu verdichten und die Fluidströmung zur Schnecke zu leiten, wobei das Mischstromlaufrad enthält: eine Nabe mit einer Drehachse; und mehrere Flügel, die von der Nabe ausgehen, wobei die Flügel eine Oberfläche aufweisen, die definiert ist durch eine axiale Richtung (Z), einen von der Drehachse der Nabe definierten Radius (R) und einen Polarwinkel (Θ), wobei der Polarwinkel (Θ) im Wesentlichen definiert ist durch die Gleichung: Θ = a·[natürlicher Logarithmus von (R)] + b; und wobei jeder der Flügel eine Anströmkante und eine Austrittskante aufweist, wobei die Austrittskante eine Fläche bei oder zwischen 2/3 und 3/4 einer Fläche der Anströmkante hat.