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Zentrifugalverdichter, aus dessen Laufrad das Fördermittel mit Überschallgeschwindigkeit
in eine das Laufrad konzentrisch umschließende Leitvorrichtung eintritt Die Erfindung
betrifft einen Zentrifugalverdichter, aus dessen Laufrad das Fördermittel mit Überschallgeschwindigkeit
in eine das Laufrad konzentrisch umschließende Leitvorrichtung eintritt. Sie bezweckt
die Erzielung eines hohen Druckverhältnisses bei gutem Wirkungsgrad und im Vergleich
zu anderen Verdichtern mit gleichem Druckverhältnis die Verwendung nur weniger Stufen
sowie einer geringen Baugröße.
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Um die für ein hohes Druckverhältnis erforderlichen, relativ hohen
Energiemengen in einem vorzugsweise einstufigen Zentrifugalverdichter geringer Baugröße
verarbeiten zu können, muß die Laufraddrehzahl wesentlich gesteigert werden. Dabei
wird das Fördermittel im Verdichter auf Strömungsgeschwindigkeiten beschleunigt,
die über der örtlichen Schallgeschwindigkeit liegen. Es ist nicht notwendig, daß
gegenüber dem Laufrad die Schallgeschwindigkeit überschritten wird, sondern es genügt
in vielen Fällen, wenn am Laufradaustritt die Strömungsgeschwindigkeit nur in bezug
auf den Leitapparat größer ist als die Schallgeschwindigkeit. Oft bietet es jedoch
auch Vorteile, wenn die Strömungsgeschwindigkeit in bezug auf das Laufrad größer
ist als die Schallgeschwindigkeit.
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Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere, bei derartigen mit Überschallgeschwindigkeit
arbeitenden Zentrifugalverdichtern die Druckerhöhung mit gutem Wirkungsgrad durchzuführen.
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Auf Grund der physikalischen Eigenschaften von Überschallströmungen
ist die Umsetzung einer Überschallgeschwindigkeit in Druckerhöhung prinzipiell auf
zwei verschiedene Arten möglich: a) In einem konvergent-divergenten Diffusor od.
dgl., der auch einem Zentr ifugalverdichter zugeordnet sein kann, wird das Fördermittel
in bekannter Weise allmählich und angenähert isentropisch verzögert, wobei eine
Druckerhöhung auftritt. Bei dieser Arbeitsweise wird die Überschallgeschwindigkeit
zunächst im konvergenten, d. h. seinen Querschnitt in Strömungsrichtung verringernden
Teil des Diffusors verzögert, bis sie an einer engsten Stelle die Schallgeschwindigkeit
erreicht; anschließend wird sie in einem divergenten Diffusorteil in üblicher Weise
weiter auf Geschwindigkeiten verzögert, die immer tiefer unter der Schallgeschwindigkeit
liegen. Die Druck- und Temperaturzunahme im Fördermittel entspricht dabei im Idealfall,
d. h. bei Vernachlässigung von Reibungseinflüssen der Abnahme der Geschwindigkeitsenergie.
Die erläuternde Fig. 1 zeigt schematisch einen solchen fYb.erschalldiffusor. In
einem linken, konvergenten Teil 1 herrscht die Überschallgeschwindigkeit cl, die
sich unter Druckanstieg langsam verringert, bis sie im engsten Querschnitt 1-I gleich
der örtlichen Schallgeschwindigkeit a ist, um dann im rechten, divergenten Teil
2 auf die immer geringer «:erdende Unterschallgeschwindigkeit c. verzögert zu werden.
Die Größe der eingezeichneten Pfeile deutet die Geschwindigkeit an den einzelnen
Stellen ungefähr an.
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b) In dem mit Überschallgeschwindigkeit strömenden Fördermittel wird
in an sich bekannter Weise durch eine sprunghafte, anisotropisch verlaufende Herabsetzung
der Geschwindigkeit (Verdichtungsstoß) eine entsprechende Druckerhöhung erzeugt.
Allerdings wird hierbei auch im Idealfall nicht die gesamte Geschwindigkeitsdifferenz
vor und hinter dem Verdichtungsstoß in Druck (und adiabatische Temperaturerhöhung)
umgesetzt, sondern ein Teil dieser Geschwindigkeitsenergie erscheint als im allgemeinen
unerwünschte, zusätzliche, überadiabatische Erwärmung des Fördermittels.
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Diese Verdichtungsstöße führen, wenn die Druck-und Geschwindigkeitsänderung
senkrecht zur Strömungsrichtung auftritt, unmittelbar auf Unterschallgeschwindigkeit
hinter der Stoßfront und sind in dieser Form im allgemeinen nur bei divergierenden
Stromfäden stabil; außerdem sollte die Überschallgeschwindigkeit eine gewisse Höhe
nicht überschreiten, da sonst leicht unerwünschte Störungen, z. B. gegabelte Stöße,
auftreten können. Die Stoßfront dieses sogenannten »senkrechten Verdichtungsstoßes«
stellt sich abhängig von der Größe der Überschallgeschwindiglceit bzw. der Machzahl
und vom Gegendruck am Diffusorende an einer vorausbestimmbaren Stelle des Diffusors
ein. Fig. 2 gibt schematisch einen Längsschnitt durch eine solche Anordnung zur
Erläuterung
des Prinzips. In dem sich erweiternden Diffusor 3 bildet
sich die Stoßfront S. Vor dieser Stoßfront herrscht die Überschallgeschwindigkeit
ci und hinter der Stoßfront die Unterschallgeschwindigkeit c.. Die Energiedifferenz
zwischen cl und c. erscheint, abgesehen von Reibungsverlusten, teils in der Druckerhöhung
und teils in einer zusätzlichen Erwärmung des Fördermittels.
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Im Gegensatz zum senkrechten Verdichtungsstoß ist der sogenannte »schiefe
Verdichtungsstoß« nicht an das Vorhandensein divergierender Stromfäden gebunden.
Dieser schiefe Verdichtungsstoß wird von einem der Überschallströmung ausgesetzten
Hindernis ausgelöst. Hat dieses Hindernis senkrecht zur Strömungsrichtung eine stumpfe,
d. h. ebene oder abgerundete Form oder ist es ein Keil, bei dem wenigstens eine
Flanke mit der Ausströmrichtung einen Winkel einschließt, der eine bestimmte Größe
überschreitet, so stellt sich vor dem Hindernis ein sogenannter »starker« oder »abgelöster«
Verdichtungsstoß ein. Man bezeichnet die Mindestgröße des Keilwinkels, welche noch
einen starken Stoß ergibt, als »kritischen Winkel«. Der starke Stoß führt in einem
bestimmten Bereich um das Hindernis die Strömung auf Unterschallgeschwindigkeit
herunter. Außerhalb dieses Bereiches kann er in den nachfolgend beschriebenen schwachen
Stoß übergehen und führt auf eine geringere Überschallgeschwindigkeit. Hierbei treten
entsprechende Druckanstiege auf. Die Front des starken Stoßes ist im allgemeinen
gewölbt. Fig. 3 zeigt schematisch zur Erläuterung einen solchen starken, abgelösten
Verdichtungsstoß S vor einem Keil 4, dessen Flanke 5 mit der Strömungsrichtung R
einen Winkel 0 einschließt, der größer als der kritische Winkel ist. Die anströmende
Überschallgeschwindigkeit cl verringert sich auf c. und ändert dabei ihre Richtung.
Gleichzeitig steigen Druck und Temperatur.
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Ist das Hindernis dagegen als Keil ausgebildet, dessen Flanken mit
der Anströmrichtung einen Winkel einschließen, der kleiner ist als der kritische
Winkel, so erzeugt der Keil an seiner Spitze einen sogenannten »schwachen, schiefen
Verdichtungsstoß «, der hinter einer schräg zur Anströmrichtung liegenden Stoßfront
auf eine geringere Geschwindigkeit als die zuströmende Überschallgeschwindigkeit
führt, wobei aber auch die verbleibende Geschwindigkeit noch oberhalb der Schallgeschwindigkeit
liegt. Gleichzeitig wird die Strömung derart abgelenkt, daß sie sich der durch den
Keil gegebenen Richtung anpaßt. Abgesehen von den Stoßverlusten und Reibungsverlusten
erscheinen die Änderungen der Geschwindigkeitsenergie in einer Druckerhöhung. In
Fig. 4 ist ein solcher schwacher, schiefer Verdichtungsstoß zur Erläuterung schematisch
dargestellt. Ein in der Überschallströmung stehender Keil 6, dessen Flanke 7 mit
der Anströmrichtung R den Winkel 0 einschließt, der kleiner ist als der kritische
Winkel, erzeugt an seiner Spitze den schiefen Verdichtungsstoß S. Hierbei wird die
überschallgeschwindigkeit cl auf die geringere Überschallgeschwindigkeit c2 verzögert,
und gleichzeitig wird die Strömung parallel zur Keilflanke 7 abgelenkt. Läuft die
andere Seite des Keiles parallel zur Strömungsrichtung R, so tritt hier kein Verdichtungsstoß
auf.
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Während der starke Stoß im allgemeinen bereits kurz vor dem Hindernis
nach Art einer Bugwelle entsteht, liegt der schwache Stoß in den meisten Fällen
am Hindernis an, so daß man auch von abgelösten (starken) oder anliegenden (schwachen)
Stoßwellen spricht. Eine für die Praxis brauchbare Arbeitsweise ist bei bekannten
Ze :trifugalverdichtern, in denen die kinetische Energie von Überschallströmungen
in Drucksteigerung umgesetzt wird, bisher noch nicht erreicht worden.
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Die Verdichtung durch allmähliche, im Idealfall isentropisch verlaufende
Geschwindigkeitsherabsetzung benötigt verhältnismäßig lange Kanäle mit in Strömungsrichtung
großer Erstreckung, wodurch hohe Reibungsverluste und Ablösungsmöglichkeiten für
die Grenzschicht entstehen, so daß diese Anordnung im allgemeinen einen schlechteren
Wirkungsgrad liefert als eine mit Verdichtungsstoß arbeitende Anordnung, obgleich
diese eine zusätzliche Wärmemenge erzeugt.
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Mit Verdichtungsstößen arbeitende Kreiselverdichter wurden bisher
vorwiegend für die Verwendung in Luftfahrttriebwerken geplant und wurden daher entsprechend
der Forderung nach hohem Luftdurchsatz als Axialverdichter entwickelt. Gerade den
Axialverdichtern haften jedoch eine Reihe typischer Mängel an, die das ordnungsgemäße
Arbeiten solcher Verdichter erschweren.
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Insbesondere wirkt sich beim Arbeiten mit Verdichtungsstößen die in
der Pratis kaum vermeidbare Ablösung der Grenzschicht beim Axialverdichter sehr
nachteilig aus, weil die abgelösten energiearmen Grenzschichtteile unter dem Einfluß
des im Laufrad vorhandenen radialen Druckgefälles zur Nabe hin quer zur Strömungsrichtung
wandern und dabei die Überschallströmung und dieVerdichtungsstöße stören. Außerdem
ist bei bekannten Stoßverdichtern eine Stabilität des Verdichtungsvorganges, d.
h. eine Unempfindlichkeit gegen Schwankungen des Gegendruckes und anderer Störungen
sowie eine Regelungsmöglichkeit nicht oder nur in sehr kleinen Grenzen gegeben.
Die Ursache hierfür ist darin zu sehen, daß sich Überschallströmungen nicht ohne
weiteres Richtungsänderungen aufzwingen lassen, wie sie sich infolge von Druckschwankungen
oder Regelungsvorgängen einstellen; bei solchen Richtungsänderungen treten vielmehr
auch unerwünschte Stoßwellen undi oder Verdünnungsbereiche auf.
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Auch die bisher bekanntgewordenen Zentrifugalv erdichter mit Überschallgeschwindigkeit
am Laufradaustritt konnten nicht befriedigen. Sie arbeiten mit allmählicher Verzögerung,
d. h. isentropisch und ohne Verdichtungsstoß, und daher mit hohen Reibungsverlusten.
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Gemäß der Erfindung werden nun bei einem Zentrifugalverdichter, aus
dessen Laufrad das Fördermittel mit Überschallgeschwindigkeit in eine das Laufrad
umschließende Leitvorrichtung eintritt, in dieser Leitvorrichtung keilförmige Überschallprofile
so angeordnet, daß eine ihrer Keilflanken im Einströmbereich nach der ungestörten
gekrümmten Strömungsrichtung verläuft und der von den Keilflanken gebildete Winkel
kleiner als der kritische Winkel ist. Dabei werden die Verdichtungsstöße nur an
einer Kanalseite ausgelöst, wandern zu der in Strömungsrichtung gekrümmten Kanalseite
hinüber und werden dort reflektiert, wobei sich die Reflexionen wiederholen können.
Es gibt keine sich durch Kreuzung störenden Stoßwellen und die Reflexionen erfolgen
an der gekrümmten Kanalseite auch bei wechselnder Strömungsgeschwindigkeit und damit
wandernden Reflexionspunkten stets in gleicher Weise.
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Vorzugsweise liegt zwischen dem (vorderen) konvergenten und dem (hinteren)
divergenten Kanalteil ein im Meridian- und Normalschnitt des ',#% erdichters parallelwandiges
Kanalstück, in dem keine Reflexionen
erfolgen, so daß der senkrechte
Stoß im divergenten Kanalteil nicht gestört wird.
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Das Fördermittel kann bei der zentrifugalen Anordnung gemäß der Erfindung
bereits im Laufrad vorverdichtet werden, wobei aber die Geschwindigkeit am Laufradaustritt
nicht merklich verringert werden soll. Ein besonders guter Gesamtwirkungsgrad wird
erzielt, wenn das Laufrad etwa den fünften bis dritten Teil der gesamten statischen
Drucksteigerung liefert. Derartige Anordnungen zeichnen sich infolgedessen gegenüber
den axialen Verdichtern auch dadurch aus, daß bei einer Auslegung für gleiche Drucksteigerungen
geringere Umfangsgeschwindigkeiten erforderlich sind, so -daß die Anforderungen
an die Materialfestigkeit herabgesetzt werden.
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Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist es, daß der Eintritt von
Verdichtungswellen und/oder Verdünnungswellen von außen her in das Laufrad vermieden
wird. Um dies zu erreichen, stehen zwei Wege zur Verfügung a) Ist die radiale Geschwindigkeitskomponente
des Fördermediums am Laufradaustritt kleiner als die örtliche Schallgeschwindigkeit,
so wird man die hinter dem Laufrad angeordneten Teile, an denen die Verdichtungsstöße
ausgelöst und reflektiert werden, derart ausbilden und anordnen, daß auftretende
Verdichtungs- und/oder Verdünnungswellen auf andere, hinter dem Laufrad angeordnete
Teile auftreffen. Sie werden daher von diesen anderen Teilen aufgefangen und können
nicht in das Laufrad zurücklaufen.
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b) Der andere Weg besteht darin, daß man die radiale Geschwindigkeitskomponente
des Fördermediums am Laufradaustritt größer wählt als die ertliche Schallgeschwindigkeit.
In diesem Fall ist ein Zurücklaufen von Verdünnungswellen vollständig ausgeschlossen.
Das gilt auch für die meisten vorkommenden Verdichtungswellen. Bei sehr heftigen
Verdichtungsstößen können zusätzlich die genannten -Maßnahmen zweckmäßig sein.
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In den Fig. 5 bis 17 ist eine Reihe von verschiedenen Ausbildungsmöglichkeiten
für den Genstand der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigt Fig. 5 einen axialen
Schnitt durch eine einfache Ausführungsform des Verdichters, Fig. 6 einen vergrößerten
Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 5, Fig. 7 eine andere Ausbildungsform der
Leitvorrichtung, Fig.8 eine Leitvorrichtung mit Druckausgleichsräumen in den Profilen,
Fig. 9, 10 und 11 Erläuterungen und eine schematische Darstellung für eine mit schwenkbaren
Profilen versehene Leitvorrichtung, Fig. 12 und 13 Erläuterungen und Anwendung zusätzlicher
Einbauten.
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Fig. 14 eine andere Ausführungsform des Verdichters, Fig. 15 einen
Schnitt nach der Linie A-B der Fig. 14 und Fig. 16 und 17 Geschwindigkeitsdreiecke
zur Erläuterung einer Regelungsart.
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Fig. 5 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine einfache
Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes. Durch den Saugstutzen 8 tritt das Fördermittel
in das Laufrad 10, welches von der Welle 9 getragen und angetrieben wird. Das Fördermittel
verläßt dieses Laufrad mit einer über der örtlichen Schallgeschwindigkeit liegenden
Geschwindigkeit und tritt in den Leitapparat 11 ein, in welchem es unter Druckanstieg
durch Verdichtungsstöße und allmähliche Geschwindigkeitsverzögerung auf Unterschallgeschwindigkeit
gebracht wird. Die verbleibende Unterschallgeschwindigkeit wird durch einen Diffusor
oder durch ein Spiralgehäuse 12a zur weiteren Druck gewinnuag noch mehr verzögert.
Der dargestellten Stufe können weitere gleich oder anders ausgebildete Stufen vor-
und/oder nachgeschaltet sein.
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Die Fig. 6 zeigt einen vergrößerten Schnitt nach der Linie II-II der
Fig. 5 durch einen Teil des Laufrades 10 und der Leitvorrichtung 11. Die Leitvorrichtung
11 weist nach diesem Ausführungsbeispiel einen das Laufrad 10 umschließenden Ring
von Überschallprofilen 12 auf. Diese sind am Eintritt der Strömung keilförmig und
scharfkantig ausgebildet. Die dem Laufrad zugeneigte Keilflanke 13 verläuft in Strömungsrichtung;
diese ist keineswegs geradlinig, sondern beschreibt eine gekrümmte Bahn, welche
bei den praktisch üblichen Arbeitsbereichen und Machzahlen in ihrer Richtung bis
etwa 5° von der Richtung einer logarithmischen Spirale abweicht, jeweils auf den
gleichen Radius bezogen. Die Abweichung ist dabei im Sinne einer Annäherung an die
Umfangsrichtung aufzufassen und gilt für alle Fälle, in denen die Radialkomponente
der Strömungsgeschwindigkeit geringer ist als die Schallgeschwindigkeit. Die logarithmische
Spirale, auf welche dabei Bezug genommen wird, ist jene, die ein inkompressibles
Mittel beschreiben würde, welches unter den gleichen Anfangsbedingungen wie das
tatsächliche Fördermittel aus dem Laufrad austritt. (Ist die Radialkomponente dagegen
von Überschallgröße, so erfolgt die Abweichung von der logarithmischen Spirale im
entgegengesetzten Sinne und ist bedeutend größer, d. h., die Strömung nähert sich
mehr der radialen Richtung.) Im Beispiel nach Fig. 6 schließt die dem Laufrad abgewandte
Flanke 14 mit der Anströmrichtung einen Winkel ein, der kleiner ist als der kritische
Winkel. Es entsteht so zwischen je zwei benachbarten Profilen ein in seinem Ouerschnitt
konvergierender Kanal. Konvergierende Kanäle sind Voraussetzung für eine nutzbringende
Anwendung schiefer Verdichtungsstöße und Reflexionen, da sie dem verminderten Volumenbedarf
des Fördermediums nach dem verdichtenden Stoß im Verein mit der verminderten Geschwindigkeit
Rechnung tragen. Im Falle des senkrechten Stoßes dagegen wird die Geschwindigkeit
hinter der Stoßfront so stark herabgesetzt, daß die geringe verbleibende Geschwindigkeit
allein genügt, um dem neuen spezifischen Volumen des Fördermediums ein ordnungsgemäßes
Abströmen zu erlauben. An jeder Profilspitze entsteht durch die beschriebene Spitzenausbildung
nur ein schiefer, schwacher Verdichtungsstoß S1, der in denjenigen Leitkanal hineinläuft.
der der Umlaufrichtung des Laufrades entgegengesetzt liegt. Auch der an der Profilspitze
erzeugte schiefe Verdichtungsstoß verläuft nicht geradlinig, sondern ist gekrümmt,
eine Folge der gekrümmten, divergierend ankommenden Stromlinien. Wird mit verhältnismäßig
kleiner Machzahl gearbeitet, was bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 der Fall
sein soll, so nähert sich die Strömungsgeschwindigkeit bereits nach einem einzigen
schiefen Stoß von geringer Intensität der Schallgeschwindigkeit in beträchtlichem
Maße. Es ist dann zweckmäßig, eine Reflexion des Stoßes S1 an der gegenüberliegenden
Wand 13 des anderen Profils 12 dadurch zu verhindern, daß diese Wand im Auftreffpunkt
15 der Stoßwelle in eine der Keilflanke 14 angenähert parallele Richtung abgebogen
wird. In eincm anschließenden divergierenden Teil des Leitkanals zwischen den beiden
benachbarten Profilen 12 wird
die geringe noch bestehende Überschallgeschwindigkeit
mittels eines senkrechten Stoßes S2 auf Unter-Schallgeschwindigkeit gebracht und
dann weiter unter Druckanstieg verzögert. Die Divergenz des Unterschallteils der
Kanäle kann dadurch erzielt werden, daß die Profile der Leitvorrichtung nach dem
Austritt zu sich wieder verjüngen; sie kann aber auch durch Vergrößerung des Abstandes
zwischen den Gehäusewänden - in Fig. 6 ist das senkrecht zur Zeichenebene - erreicht
werden.
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Steht im Gegensatz zu den bei Fig.6 gemachten Annahmen am Eingang
der Leitvorrichtung 11 eine verhältnismäßig hohe Machzahl zur Verfügung,
so ist es zweckmäßig, die Überschallgeschwindigkeit in jedem Kanal durch einen mehrfach
reflektierten Stoß abzubauen, wie dies in Fig.7 beispielsweise dargestellt ist.
In diesem Falle behalten die Keilflanken ihre ursprüngliche Richtung bis zum Auftreffen
der letzten erwünschten Reflexion bei, um erst dann in der an Hand der Fig. 6 beschriebenen
Weise zur Bildung eines parallelwandigen und schließlich eines divergenten Kanalteils
abgebogen zu werden. Die Keile der Überschallprofile 16 sind bei diesem Ausführungsbeispiel
so gegen die Strömung angestellt, daß sie dem Laufrad 19 zugewandte Keilflanke 17
mit der Strömungsrichtung einen Winkel einschließt, der kleiner ist als der kritische
Winkel. Dagegen verläuft die dem Laufrad 19 abgewandte Flanke 18 in Strömungsrichtung
und so, daß mit der gegenüberliegenden Flanke 17 ein anfangs konvergierender Kanal
entsteht. Bei richtiger Wahl des Keilwinkels wird dann der erste schiefe Verdichtungsstoß
S1 auf die Spitze oder unmittelbar hinter die Spitze des Keiles auf die Flanke 18
des gegenüberliegenden Keiles auftreffen, so daß die mit den größeren Reibungsverlusten
behaftete Strecke höchster Überschallgeschwindigkeit im Kanal fast verschwindet.
Bei dem dargestellten Beispiel wird die Stoßwelle S1 insgesamt dreimal reflektiert.
Am Auftreffpunkt der dritten Reflexion verläuft die Flanke 17 angenähert parallel
zur Flanke 18, so daß hier keine weitere Reflexion erfo@Igt. Die restliche Überschallgeschwindigkeit
wird in einer nachfolgenden senkrechten Stoßfront umgesetzt, während in dem anschließenden
Diffusor noch ein Teil der verbleibenden Überschallgeschwindigkeit unter Drucksteigerung
abgebaut wird.
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Die an Hand der Fig. 6 und 7 beschriebenen Ausführungsbeispiele weisen
auch bei Betrieb mit geringen Schwankungen einen vorzüglichen Wirkungsgrad auf,
da die angewandten Stoßkombinationen auf Druck- und Temperaturänderungen führen,
die der adiabatischen Verdichtung wesentlicher näher liegen als trenn die Umsetzung
in einem einzigen senkrechten Stoß entsprechender Stärke erfolgen würde; andererseits
werden dieWandreibungsverluste nicht jene Höhe erreichen, wie sie bei adiabatischer
Verdichtung auftritt. Die mögliche Drucksteigerung ist somit größer, während die
Temperaturerhöhung hinter der des senkrechten Stoßes zurückbleibt. Ferner ergibt
,ich dadurch ein weiterer erheblicher Druckgewinn, daß die nach Durchlaufen der
Stoßkombination verbleibende kinetische Energie höher ist als nach einem einzelnen
senkrechten Stoß entsprechender Stärke.
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Da bei den schiefen Stößen auch hinter der Stoßfront noch Überschallgeschwindigkeit
besteht, sind sie in einen Überschallbereich eingebettet und somit gegenüber stromabwärts
auftretenden Störungen unempfindlich, denn diese Störungen können sich nicht entgegen
der Überschallgeschwindigkeit auswirken. Ein nachfolgender senkrechter Stoß überspringt
den wenig stabilen Bereich, in dem bei allmählicher Verzögerung die Strömungsgeschwindigkeit
gleich der Schallgeschwindigkeit ist, und führt direkt auf Unterschall.
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Eine besonders gute Stabilität der Verdichtungsstöße kann durch die
in Fig. 8 an Hand eines senkrechten Stoßes beispielsweise gezeigten zusätzlichen
Maßnahmen erhalten werden. Die Form der Überschallprofile der hier gezeigten Leitvorrichtung
entspricht dabei etwa der Profilform der Leitvorrichtung gemäß Fig. 6. Durch Anbohrungen
oder Schlitze 20 in den Kanalwänden sowie voneinander getrennte Hohlräume 21 und
22 in den Profilen sind Querverbindungen zwischen allen Räumen vor bzw. hinter den
senkrechten Stößen geschaffen. Diese Verbindungskanäle sind durch die Räume 21 und
22 erweitert, die im Betrieb mit dem Fördermittel unter dem entsprechenden Druck
gefüllt sind. Alle Räume 21 stehen also unter Druck, der vor dem Stoß herrscht,
während die Räume 22 mit einem Fördermittel gefüllt sind, das den hinter dem Stoß
herrschenden Druck aufweist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind zur
Erleichterung der Darstellung die Schlitze oder Bohrungen 20 in die Profilwände
gesetzt. In gleicher Weise ist es auch möglich, die Schlitze oder Bohrungen in die
Gehäusewandung der Leitvorrichtung zu verlegen, wobei sich dann die erwähnten Druckausgleichsräume
außerhalb des eigentlichen Gehäuses befinden können. Der Leitapparat wäre dann z.
B. auf einer oder zweckmäßig auf beiden Seiten von je zwei konzentrischen Druckausgleichsräumen
umgeben. Diese Anordnung mit außenliegenden Druckausgleichsräumen ist herstellungsmäßig
einfacher als die dargestellte Ausführungsform. Sie ist in den später zu erläuternden
Fig. 14 und 15 enthalten.
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Die Druckausgleichsräume wirken in folgender Weise: Wenn die Stoßfront
infolge von Gegendruckschwankungen aus dem zwischen den Schlitzen liegenden Bereich
herauswandert, tritt ein windkesselartig wirkender Druckausgleich vor bzw. hinter
der Stoßfront ein, der die Stoßfront wieder in ihre alte Lage zurückzwingt. Die
Querverbindung aller Kanäle untereinander, die im Prinzip zunächst nicht nötig ist,
wirkt sich insbesondere dann sehr vorteilhaft aus, wenn auf Grund örtlicher Störungen
nur einer oder einzelne Kanäle von Druckschwankungen betroffen werden. Die an Hand
der Fig. 8 erläuternde Anwendung der vorderen Druckausgleichskammern 21 und der
hinteren Druckausgleichskammern 22 können auch unabhängig von einander benutzt werden.
Ihre Anwendung ist nicht nur auf radiale Verdichter beschränkt, sondern ist mit
Vorteil auch bei axialen Anordnungen möglich.
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Eine bevorzugte Form des Erfindungsgedankens erlaubt es, ohne wesentliche
Beeinträchtigung der Wirksamkeit der Überschall-Leitvorrichtung die Drehzahl des
Laufrades in größerem Maße zu ändern und die Strömung vor dem Laufrad zu drosseln.
Diese Ausgestaltung des Erfindungsgedankens beruht auf den physikalischen Eigenschaften
des schiefen Verdichtungsstoßes und soll zunächst an Hand der Fig. 9 und 10 in ihrem
Prinzip und dann an Hand von Fig. 11 in einem Ausführungsbeispiel erläutert werden.
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Fig. 9 zeigt einen Keil 23, dessen Öffnungswinkel 0 kleiner ist als
der doppelte kritische Winkel für die betrachtete Überschallgeschwindigkeit. Dieser
Keil 23 ist an seiner Spitze 24 drehbar gelagert, wie durch die beiden an der Spitze
eingezeichneten gebogenen Pfeile angedeutet wurde, -und sei einer seiner Symmetrieachse
parallelen Überschallströmung cl ausgesetzt. An
seiner Spitze entstehen
dann nach jeder Seite hin gleich starke schiefe Verdichtungsstöße S, die auf beiden
Keilseiten gleichen Druckanstieg und gleichen Geschwindigkeitsabbau auf die Geschwindigkeit
c2 zur Folge haben. Es herrscht also Druckgleichgewicht, und der schwenkbare Keil
verbleibt in seiner Lage. Wird nun der Keil 23 durch äußere Kräfte um seinen Drehpunkt
24 beispielsweise gemäß Fig. 10 nach oben ausgelenkt, so werden die den einzelnen
Flanken zugeordneten Teil-Keilwinkel 01 und 02, die von der jeweiligen Keilflanke
mit der Anströmrichtung gebildet werden, verschieden groß. Im gezeigten Beispiel
wird der durch 01 ausgelöste Stoß kräftiger als der durch 02 verursachte. Der Druckanstieg
durch den von 01 verursachten Stoß (in der Zeichnung oben) ist also höher als der
Druckanstieg, der durch 02 verursacht wird (in der Zeichnung unten). Durch den Druckunterschied
entsteht dann ein Drehmoment M, welches bestrebt ist, den Keil 23 wieder um seinen
an der Spitze 24 liegenden Drehpunkt in seine alte Lage zurückzudrehen. Ändert sich
andererseits die Anströmrichtung so wird sich auf Grund des beschriebenen Effektes
der Keil in die neue Strömungsrichtung stellen.
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In Fig. 11 ist ein Anwendungsbeispiel für die an Hand der Fig. 9 und
10 erläuterte physikalische Erscheinung schematisch an Hand eines Schnittes durch
drei Profile der Leitvorrichtung gezeigt. Die Überschallprofile 25 sind wie bei
den anderen Ausführungsbeispielen in einen das Laufrad umschließenden Ringraum eingebaut,
der in diesem Falle aus mechanischen Gründen parallelwandig sein muß. Die Profile
können einzeln um senkrecht auf den Ringraumwänden stehende (und damit in einer
Meridianebene senkrecht zur Strömungsrichtung stehende), vorzugsweise (aber nicht
notwendigerweise) in die Schneiden 26 des Keilprofils gelegte Achsen frei schwenken.
Dabei liegen sie an den parallelen Ringraumwänden genügend dicht an, um ein seitliches
Umströmen der Profile zu vermeiden. Die Profile sind nun so gestaltet, daß sich
im Auslegungsbereich des Verdichters für eine bestimmte Anströmrichtung cl auf Grund
der verschiedenen, durch die Verdichtungsstöße erzeugten Druckzonen p1 bis p4 entlang
der Profilwände kein Drehmoment um den Profildrehpunkt ergibt. Die Lage der Profile
zur Anströmrichtung ändert sich in diesem Falle also nicht. Geht nun die Anströmrichtung
von cl in c1' über, so schwenken die Profile unter dem Einfluß der sich ändernden
Druckzonen von selbst um die Drehpunkte 26. Sie nehmen dabei wiederum diejenige
Stellung ein, bei der das Drehmoment verschwindet. Praktisch haben sich damit die
Profile ihrer Lage nach der geänderten Anströmrichtung angepaßt. Die geschwenkte
Stellung ist in Fig. 11 gestrichelt angedeutet.
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Die günstigste strömungstechnische Gestalt dieser Profile kann auf
verhältnismäßig einfacheWeise durch mehrfache Anwendung z. B. des Charakteristikenverfahrens
und des Stoßpolarendiagramms von B u s em an n oder durch andere graphische Methoden
auf empirischem Wege entworfen werden.
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Da es oft schwierig wird, den Angriff der Schwerkraft auf die Profile
derart zu berücksichtigen, daß sich durch das Drehmoment die gewünschte Lage automatisch
einstellt, wird es in vielen Fällen zweckmäßig sein, die Drehung zwangläufig durch
äußere Regelorgane vorzunehmen. Diese Einstellung kann von Hand erfolgen; sie kann
aber auch mit der Einstellung anderer Regelorgane (Drosselorgane, Drehzahlregler
usw.) gekuppelt sein oder über die Strömungsgeschwindigkeit mittels eines Überwachungsgerätes
gesteuert werden. In solchen Fällen kann man unter Umständen bei der Profilgestaltung
die Forderung nach Drehmomentfreiheit fallenlassen und braucht lediglich dafür Sorge
zu tragen, daß durch die Form und die Winkelstellung der Profile keine ungünstig
wirkenden, vor allem also auf das Laufrad zurückwirkenden Verdichtungs- und/oder
Verdünnungswellen entstehen.
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In vielen Fällen wird es zweckmäßig sein, in die Überschallströmung
wenigstens einen Kranz zusätzlicher Hilfsprofile oder kleiner Störkörper einzufügen.
Diese Hilfsprofile können starr befestigt oder relativ zu den Hauptprofilen oder
gemeinsam mit diesen beweglich sein. Sie sind oft ein vorzügliches Mittel, um der
Überschallströmung in Zusammenarbeit mit den Hauptprofilen ein gewünschtes Strömungsbild
aufzuzwingen. Dies gilt insbesondere auch für die Verwirklichung des in Fig. 11
niedergelegten Gedankens der selbsttätigen Einstellung der Hauptprofile zur augenblicklichen
Stromrichtung.
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An Hand des in Fig. 12 und 13 dargestellten Anwendungsbeispiels wird
eine mögliche Wirkungsweise solcher Hilfsprofile beschrieben. Fig. 12 stellt den
vorderen Teil einer Überschall-Leitvorrichtung gemäß den Fig. 6, 7 oder 8 dar. Seine
Profile seien in diesem Falle nicht wie in Fig. 11 schwenkbar. Diese Leitvorrichtung
gehört zu einem Verdichter, der wahlweise unter zwei sehr verschiedenen Betriebsbedingungen
bzw. Anströmrichtungen arbeiten soll. In Fig. 12 ist das Verhalten der Strömung
in einem der beiden Auslegungspunkte gezeigt. Der Verlauf der Flanken 27 der Keilprofile
28 stimmt mit der durch Pfeile gekennzeichneten gekrümmten Anströmrichtung überein,
und es können deshalb keine unerwünschten Wellen an diesen Flanken entstehen. Die
Flanken 29 sind so angestellt, daß sie den erwünschten Verdichtungsstoß S liefern.
Die Hilfsprofile sind für diesen Betriebspunkt in der Gehäusewand, d. h. senkrecht
zur Zeichenblattebene, versenkt und unwirksam.
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Soll nun bei unerwünschter Lage der Hauptprofile der andere Betriebspunkt
gefahren werden, so bietet sich das Bild gemäß Fig. 13. Die Anströmrichtung hat
sich jetzt gegenüber Fig. 12 geändert und verläuft in Richtung der Pfeile in Fig.
13. Keine der Hauptprofilflanken verläuft nun aber in der neuen Ströinungsrichtung.
Ohne Einwirkung von Hilfsprofilen würden an den Hauptprofilspitzen die dünn eingezeichneten
Verdünnungsfächer F und die gegen das Laufrad zurücktretenden Verdichtungsstöße
h entstehen und die Gesamtwirkung sowohl der Leitvorrichtung als auch des Laufrades
wesentlich beeinträchtigen. Um dies zu verhindern, werden aus der Seitenwand heraus
(aus der Blattebene heraus) die Hilfsprofile 30 vor die Hauptprofile 28 geschoben.
Im vorliegenden Falle haben diese Hilfsprofile einen langgestreckten, dreieckähnlichen
Querschnitt und sind so angeordnet, daß die Flanken 31 die Hauptprofilflanken 29
etwas verlängern. Die Haupt- und Hilfsprofile berühren sich an den Spitzen. Die
Flanken 32 verlaufen in der neuen Strömungsrichtung, und die Flanken 33 bilden mit
der neuen Strömungsrichtung einen stoßerzeugenden Winkel. Der hier entstehende schiefe
Verdichtungsstoß S1 wird an der konkaven Berührungsstelle 34 zwischen Haupt- und
I-Iilfsprofilen kräftig reflektiert, und zwar so, daß er auf die Kante 35 des gegenüberliegenden
Hilfsprofils trifft. An der absolut zwar konvexen Kante 35, die aber mit der von
der reflektierten Stoßfront S2 abgelenkten
Strömung einen konkaven
Knick bildet, erfolgt die weitere, wenn auch schwächere Reflexion S3, die die Strömung
dann profilgerecht in die Kanäle der festen Leitvorrichtung 28 schickt.
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Eine praktische Ausführungsform ist in Fig. 14 und 15 dargestellt.
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Die in den Lagern 40 geführte Kompressorwelle 41 treibt den Läufer
42 an. Der Läufer 42 hat in seinem Eintrittsteil 43 gekrümmte Schaufeln und im eigentlichen
Läufer gerade, radiale Schaufeln 44. Dem Rotor ist eine Eintrittsleitvorrichtung
45 vorgeschaltet und eine Austrittsleitvorrichung 46 nachgeschaltet. Auf der saugseitigen
Gehäusewand 47 sind zwei Ringsammler 48 und 49 angebracht (Puffervolumina), die
durch Schlitze 58 bzw. 59 mit den Strömungskanälen zwischen den Überschallprofilen
52 in Verbindung stehen; dabei ist angenommen, daß der letzte Verdichtungsstoß zwischen
den Schlitzen 58 und 59 auftritt. In der gegenüberliegenden Gehäusewand 50 ist ein
Kranz achsparallel verschiebbarer und gegebenenfalls drehbarer Hilfsleitprofile
51 geführt.
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Das Fördermittel tritt mit Unterschallgeschwindigkeit in die Eintrittsleitvorrichtung
45 ein und wird im Läufer 42 so stark beschleunigt, daß es sowohl absolut gesehen,
d. h. in bezug auf das Gehäuse, als auch relativ gesehen, d. h. in bezug auf den
Läufer, mit überschallgesohwindigkeit aus dem Läufer 42 in die nachgeschaltete Leitvorrichtung
46 übertritt.
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Fig.15 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Leitvorrichtung 46
der Fig. 14 für den Fall, daß der Verdichter bei einem anderen Betriebspunkt fahren
soll. Die Strömlinien c verlaufen in angenäherter Spiralform. Den veränderten Strömungsverhältnissen
wird dadurch Rechnung getragen, daß durch die Gehäusewand 50 (Fig.--14) --hindurch
ein Kranz von Hilfsleitschaufeln51 in die Strömung geschoben wird, wie dies in Fig.
14 durch einen in die Bewegungsrichtung deutenden Pfeil dargestellt wird. Fig.15
zeigt, wie in diesem Fall eine Anzahl Verdichtungsstöße S1, S2, S3, S4 erzeugt werden.
Voraussetzung für ordnungsgemäßes Zustandekommen ist, daß auch die Hilfsleitschaufeln
51 nach den für die Überschallprofile 52 geltenden Konstruktionsvorschriften entworfen
sind. Der Übergang zur Unterschallgeschwindigkeit erfolgt durch einen abschließenden
geraden Verdichtungsstoß S, zwischen den Schlitzen 58 und 59.
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Bringt man einen weiteren Kranz von entsprechenden Hilfsprofilen in
der anderen Gehäusewand unter, so läßt sich auf gleiche Weise ein dritter Betriebszustand
für den Verdichter verwirklichen. Es ist so in fast allen Fällen, in denen die Hauptprofile
einer anderen als der auslegungsmäßigen Zuströmung unterliegen, möglich, durch Hilfsprofile
oder sonstige kleine Störkörper ein zwar völlig neues, in seiner Gesamtwirkung aber
nicht wesentlich schlechteres Stoßbild zu erzeugen.
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An Stelle der in Fig. 13 gezeigten Form und Anordnung der Hilfsprofile
können auch andere Formen und Anordnungen benutzt werden. Die Hilfsprofile müssen
nicht die Hauptprofile berühren, sondern können auch frei in der Überschallströmung,
sowohl noch vor den Hauptprofilen (in Strömungsrichtung gesehen) als auch zwischen
den Hauptprofilen angeordnet sein. Die Hilfsprofile können auch bei anderen Verdichtern,
z. B. axialen, Anwendung finden.
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Eine weitere Regelungsart, die stufenlos und unabhängig von Hilfsprofilen
erfolgen kann, ergibt sich durch eine rotationsfähige Anordnung der radialen Leitvorrichtung.
Die Leitvorrichtung kann dabei um ihre mit der Laufradachse zusammenfallende Achse
in- gleichem oder entgegengesetztem Sinne wie das Laufrad und mit beliebiger Drehzahl
rotieren.
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Fig. 16 zeigt zum Verständnis des Vorganges die entsprechenden
Geschwindigkeitsdreiecke. Während c die Richtung der von dem Laufrad erzeugten ursprünglichen,
auslegungsmäßigen Absolutgeschwindigkeit im Augenblick des Eintritts in die stillstehende
Leitvorrichtung darstellt, soll c' die durch einen Regelvorgang geänderte Richtung
beim Eintritt in die Leitvorrichtung kennzeichnen.- Ohne besondere Maßnahmen am
Leitapparat würden sich, wie im Beispiel nach Fig.13 angegeben, beim Auftreten von
c' störende Verdünnungs- und/oder Verdichtungswellen am Eintritt in die Leitvorrichtung
ergeben. Durch Rotation der Leitvorrichtung, die in diesem Beispiel in Richtung
des Pfeiles acL erfolgt, wird deshalb die Umfangskomponente 2i der Geschwindigkeit
c' so weit vergrößert, daß die dadurch relativ zur Leitvorrichtung geänderte Richtung
c" der Zuströmung wieder der von c' entspricht und somit ein störungsfreier Eintritt
in die Leitvorrichtung gewährleistet ist.
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Ändert sich, wie in Fig. 17 dargestellt, die Zuströmrichtung c' nach
der anderen Seite von c, so muß die Leitvorrichtung mit uL im entgegengesetzten
Sinne rotieren, um relativ zur Leitvorrichtung die Strömungsrichtung c", die wieder
mit c übereinstimmt, herzustellen.
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Die Leitvorrichtung wird also bei auslegungsmäßigen Arbeiten des Verdichters
unbeweglich sein und bei Belastungsänderungen des Verdichters durch Kupplung seines
Antriebs mit den Regelorganen des Verdichters oder aber auch durch freies Drehen
unter dem Einfluß der Strömungskräfte mehr oder weniger schnell in Richtung des
Laufrades oder dieser entgegengesetzt rotieren. Dieses Verfahren kann mit Erfolg
auch bei axialen Anordnungen angewendet werden und ist in seiner Wirksamkeit nicht
nur auf Überschallverdichter beschränkt.