DE1097615B

DE1097615B - Supersonic centrifugal compressor

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Publication number: DE1097615B
Application number: DER16006A
Authority: DE
Original assignee: RHEINISCHE MASCHINEN und APP G
Current assignee: RHEINISCHE MASCHINEN und APP G
Priority date: 1955-02-16
Filing date: 1955-02-16
Publication date: 1961-01-19
Also published as: NL111487C

Description

Uberschall-Zentrifugalverdichter Die Erfindung betrifft einen Überschall-Zentrifugalverdichter zur Förderung von gas- oder dampfförmigen Medien. Eine Aufgabe der Erfindung ist es, mittels des Verdichterlaufrades bedeutend größere Energiemengen verlustarm an das Fördermedium weiterzugeben, als dies mit gleich großen bekannten Verdichtern möglich ist. Ein Verdichter gemäß der Erfindung überträgt daher entweder bei gleichem Bauaufwand eine höhere Leistung, oder er erfordert für die Übertragung der gleichen Leistung einen geringeren Bauaufwand; er erreicht damit eine höhere Leistungsdichte.Supersonic centrifugal compressor The invention relates to a supersonic centrifugal compressor for conveying gaseous or vaporous media. One object of the invention is it generates significantly larger amounts of energy with little loss by means of the compressor impeller to pass on the pumped medium than with known compressors of the same size is possible. A compressor according to the invention therefore transmits either with the same Construction costs a higher output, or it requires the transfer of the same Performance a lower construction cost; it thus achieves a higher power density.

Verdichter haben die Aufgabe, das Fördermittel durch die Maschine zu transportieren und hierbei dessen statischen Druck zu erhöhen. Dabei überwiegt im allgemeinen der Energieaufwand für die Druckerhöhung beträchtlich den Energieaufwand für die Förderung des Mediums.Compressors have the task of conveying the material through the machine to transport and thereby to increase its static pressure. It predominates In general, the energy expenditure for the pressure increase considerably the energy expenditure for promoting the medium.

Die im Verdichter zu verarbeitende Energie kann vom Laufrad an das Fördermittel entweder 1. als Zentrifugal- oder Schleuderenergie, die eine unmittelbare Erhöhung des statischen Druckes und damit der Enthalpie des Fördermittels bewirkt, oder 2. als kinetische Energie weitergegeben werden, die zunächst nur eine Beschleunigung des Fördermittels bedeutet.The energy to be processed in the compressor can be transferred from the impeller to the Funding either 1. as centrifugal or centrifugal energy, which is an immediate Increases the static pressure and thus the enthalpy of the conveying means, or 2. to be passed on as kinetic energy, which initially only accelerates of the funding means.

Rein axiale Verdichterlaufräder geben die Energie vorwiegend als kinetische Energie weiter, währendLaufräder mit einer radialen Komponente der Strömungsrichtung beide Arten der Energieübertragung benutzen.Purely axial compressor impellers give the energy primarily as kinetic ones Energy continues while impellers with a radial component of the direction of flow use both types of energy transfer.

Auch die dem Fördermittel erteilte kinetische Energie wird bis auf den zur Förderung des Mediums benötigten Anteil in Druck umgesetzt. Durch eine Verminderung der kinetischen Energie wird also die Enthalpie vermehrt. Je nach Bauart der Maschine geschieht das durch Verzögerung der Strömung zwischen den Laufschaufeln selbst oder in einer nachfolgenden Leitvorrichtung. Oft werden beide Verdichterbauteile gleichzeitig für diese Aufgabe herangezogen.The kinetic energy given to the funding is also up to converted the proportion required to convey the medium into print. By a reduction the kinetic energy increases the enthalpy. Depending on the type of machine this is done by delaying the flow between the blades themselves or in a subsequent guide device. Often both compressor components are used at the same time used for this task.

Die Steigerung der Energieübertragungsdichte bekannter Verdichter findet ihre Grenzen vor allem in folgenden Faktoren, die etwa den heutigen Entwicklungsstand üblicher Hochleistungsverdichter kennzeichnen: 1. Annäherung der Strömungsgeschwindigkeit an die Schallgeschwindigkeit, wobei verlustbringende örtliche Verdichtungsstöße und andere Störungen aufzutreten beginnen, 2. maximale Kanalerweiterungen bzw. Profil- oder Schaufelanstellungen, bei denen die Strömung abzureißen beginnt, und 3. ansteigende Spaltverluste zwischen Laufradeintritt und -austritt. Man hat bereits versucht, die vorstehend erwähnten Grenzen dadurch zu überschreiten, daß man das Fördermittel auf eine über der Schallgeschwindigkeit liegende Strömungsgeschwindigkeit beschleunigte, wobei dann ein erheblicherTeil der Gesamtdruckerhöhung sprunghaft durch vorbestimmte Verdichtungsstöße gewonnen wurde. Verdichtungsstöße bringen zwar Verluste an nutzbarer Energie, weil sie mit einem mehr oder weniger starken Entropieanstieg verbunden sind, doch verkürzen sich bei ihrer Anwendung die Längen der Wandreibungsflächen erheblich, und die Reibungsverluste werden im Vergleich zu Unterschallverdichtern dadurch unter Umständen verringert.The increase in the energy transmission density of known compressors finds its limits mainly in the following factors, which are approximately the current level of development Typical high-performance compressors characterize: 1. Approach of the flow velocity to the speed of sound, with loss-making local shock waves and other disturbances begin to occur, 2. maximum channel expansions or profile or blade positions at which the flow begins to stall, and 3. rising Gap losses between the impeller inlet and outlet. One has already tried to exceed the above-mentioned limits by having the funding accelerated to a flow velocity above the speed of sound, in which case a considerable part of the total pressure increase will jump through predetermined ones Shock waves was won. Compression shocks bring losses of usable Energy, because it is associated with a more or less strong increase in entropy are, but the lengths of the wall friction surfaces are shortened when they are used significant, and the friction losses are compared to subsonic compressors thereby possibly reduced.

Solche Überschallverdichter wurden bisher wegen der hohen, in ihnen erzielbaren Leistungsdichte für Luftfahrttriebwerke vorgesehen und deshalb als axiale Verdichter gebaut. Axialverdichter liefern bei kleinerer Stirnfläche größere Fördermengen als Radial- oder Zentrifugalverdichter. Sie können aber nicht, wie eingangs bereits angedeutet, dem Fördermedium auch noch eine nutzbare »Schleuder-« oder »Zentrifugalenergie« mitteilen.Such supersonic compressors were previously used because of the high levels in them achievable power density intended for aircraft engines and therefore as axial Compressor built. Axial compressors deliver larger flow rates with a smaller frontal area as a radial or centrifugal compressor. But you cannot, as at the beginning indicated, the conveying medium also has a usable »centrifugal« or »centrifugal energy« communicate.

Die Erfindung bezweckt vor allem, auch diese im Laufrad eines Überschall-Zentrifugalverdichters anfallende »Schleuderenergie« (genauer ausgedrückt, die durch Zentrifugalkraftwirkung im Fördermittel unmittelbar bewirkte Drucksteigerung) zur Gewinnung von Überschallgeschwindigkeit mit heranzuziehen. Gegenüber vergleichbaren Verdichtern läßt sich dadurch eine noch höhere Leistungsdichte erzielen. Durch die auf das Fördermittel ausgeübte Zentrifugalkraft läßt sich z. B. auch die Meridiankomponente der Strömungsgeschwindigkeit auf 'Überschallgeschwindigkeit beschleunigen. Damit lassen sich recht einfache Verdichtungsstoßkonfigurationen erzielen.The main purpose of the invention is to also use these in the impeller of a supersonic centrifugal compressor Accruing "centrifugal energy" (more precisely, the centrifugal force pressure increase directly caused in the conveyor) to obtain supersonic speed to use. Compared to comparable compressors, this allows one more achieve higher power density. The centrifugal force exerted on the conveyor can z. B. also the meridian component of the flow velocity to 'supersonic velocity accelerate. This allows very simple shock wave configurations achieve.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin begründet, daß es die zur Erzeugung der Überschallgeschwindigkeit herangezogene »Schleuderenergie « ermöglicht, auch innerhalb des Laufrad-Relativsystems der Strömung die Schallgrenze zu durchfahren, ohne daß dabei äußere »Starthilfen« erforderlich werden. Verdichter, in denen keine Schleuderenergie zur Verfügung steht, also z. B. Überschall-Axialverdichter, können dagegen innerhalb des Relativsystems die Schallgrenze nur dann überschreiten, wenn ihnen das gasdynamische »kritische Druckgefälle«, z. B. mittels einer dem Laufrad nachgeschalteten Vakuumpumpe, aufgeprägt wird.Another major advantage of the invention is based on that it is the »centrifugal energy used to generate the supersonic speed « enables the sound limit also within the impeller relative system of the flow to drive through without the need for external "starting help". Compressor, in which no centrifugal energy is available, so z. B. Supersonic axial compressors, on the other hand, can only exceed the sound limit within the relative system if if the gas dynamic "critical pressure gradient", z. B. by means of the impeller downstream vacuum pump, is impressed.

Auf erfindungsgemäße Weise ist es möglich, an das Fördermittel weit mehr Energie abzugeben als bei bekannten Laufrädern, so daß man mittels eines einzigen Laufrades eine höhere Drucksteigerung erreichen oder kleinere Laufräder verwenden kann. Wenn die Meridiankomponente größer ist als die Schallgeschwindigkeit, so ist es möglich, im Verdichter - und zwar wahlweise im Laufrad oder in einem nachfolgenden Ringraum - einen ringförmigen Verdichtungsstoß zu erzeugen, der koaxial zur Laufradachse liegt. In diesem Fall kann man auf komplizierte Leitvorrichtungen mit stoßerzeugenden Profilen verzichten, dadurch den Aufbau vereinfachen und die Stabilität des Verdichterbetriebes erhöhen. Ein solcher Ringstoß kann nämlich bei erfindungsgemäßer Bemessung der Strömungsräume gegen Betriebsschwankungen stabil und wenig empfindlich gehalten werden. Änderungen der Betriebsbedingungen verursachen lediglich eine Verlagerung des Ringstoßes stromauf- oder abwärts, wie dies in dem sich erweiternden Teil einer Lavaldüse für senkrechte Verdichtungsstöße bekannt ist Findet der Ringstoß und damit die Drucksteigerung erst in der Leitvorrichtung statt, so bleiben die Spaltverluste gering, und die Spaltweite zwischen Rotor und Stator kann größer gehalten werden, wodurch die Fertigung erleichtert wird. Alle diese Eigenschaften stellen einen wesentlichen Fortschritt gegenüber bisher bekannten Überschallverdichtern dar.In the manner according to the invention it is possible to reach the funds far give off more energy than with known impellers, so that one by means of a single Achieve a higher pressure increase with the impeller or use smaller impellers can. If the meridian component is greater than the speed of sound, then is it is possible in the compressor - either in the impeller or in a subsequent one Annular space - create an annular shock wave that is coaxial with the impeller axis lies. In this case one can rely on complicated guiding devices with shock-generating Do without profiles, thereby simplifying the structure and increasing the stability of the compressor operation raise. Such an annular joint can namely with the dimensioning of the flow spaces according to the invention be kept stable and not very sensitive to fluctuations in operation. Changes of the operating conditions only cause a shift of the ring joint upstream or downwards, as in the widening part of a Laval nozzle for vertical Compression shock is known Finds the ring shock and thus the pressure increase not until the guide device takes place, the gap losses remain low, and the Gap width between rotor and stator can be kept larger, thereby reducing the manufacturing process is facilitated. All of these properties represent a major advance compared to previously known supersonic compressors.

Bei dem erfindungsgemäßen zentrifugalen Laufrad wachsen sowohl die Absolutgeschwindigkeit als auch die gegenüber dem Laufrad gemessene Relativgeschwindigkeit des Fördermediums innerhalb des Laufrades von Unterschall- auf Überschallgröße. Hierbei kann auch die Meridiankomponente der Strömungsgeschwindigkeit auf Überschallgröße gesteigert werden. Sie muß auf Überschallgröße gesteigert werden, wenn ein zum Laufrad koaxialer Ringstoß im Verdichter vorgesehen ist. Um die Relativgeschwindigkeit allein oder sowohl die Relativgeschwindigkeit als auch die Meridiankomponente gemeinsam im Laufrad von Unterschall- auf Überschallgeschwindigkeit zu bringen, bewährte sich eine ganz bestimmte Formgebung der Strömungskanäle. Man kann die Kanäle des erfindungsgemäßen radialen oder teilradialen Laufrades mit einer Lavaldüse vergleichen, doch muß man sich dabei des wesentlichen Unterschiedes bewußt sein, daß beim Laufrad die Gesamtenergie des Fördermediums auch in der Relativströmung steigt, während in der Lavaldüse nur eine Umwandlung bereits vorhandener potentieller Energie erfolgt.In the centrifugal impeller according to the invention both grow Absolute speed as well as the relative speed measured with respect to the impeller of the pumped medium within the impeller from subsonic to supersonic size. Here, the meridian component of the flow velocity can also be supersonic can be increased. It has to be increased to supersonic size when one becomes an impeller coaxial ring joint is provided in the compressor. About the relative speed alone or both the relative speed and the meridian component together Bringing the impeller from subsonic to supersonic speed has proven itself a very specific shape of the flow channels. You can use the channels of the invention compare radial or partially radial impeller with a Laval nozzle, but you have to be aware of the essential difference that the total energy of the impeller of the pumped medium also increases in the relative flow, while in the Laval nozzle only a conversion of already existing potential energy takes place.

Zur Erläuterung der erforderlichen Laufradform sei im folgenden von der Lavaldüse ausgegangen. Eine Lavaldüse befindet sich zwischen zwei Räumen, welche eine gewisse Mindestdruckdifferenz (das kritische Druckverhältnis) aufweisen. Diese potentielle Energie wird dazu benutzt, das von einem Raum in den anderen durch die Lavaldüse überströmende Fördermittel auf Überschallgeschwindigkeit zu beschleunigen. Eine ausschlaggebende Rolle spielen dabei. die Strömungs- bzw. Kanalquerschnitte, deren Abmessungen von zwei gegenläufigen Faktoren bestimmt werden: 1. Von der örtlichen Strömungsgeschwindigkeit, mit deren Steigerung der benötigte Strömungsquerschnitt gegenüber dem Anfangsquerschnitt (Eintrittsquerschnitt) bei gleichbleibender Dichte geringer wird, und 2. von der Volumenvergrößerung des Mediums, die sich aus der Dichteabnahme infolge der Beschleunigung ergibt und die eine Vergrößerung des Strömungsquerschnittes erfordert.To explain the required impeller shape, see below from the Laval nozzle ran out. A Laval nozzle is located between two rooms, which have a certain minimum pressure differential (the critical pressure ratio). These potential energy is used to move from one room to the other through the To accelerate conveying means overflowing Laval nozzle to supersonic speed. Play a crucial role in this. the flow or channel cross-sections, the dimensions of which are determined by two opposing factors: 1. The local Flow velocity, with the increase of which the required flow cross-section compared to the initial cross-section (inlet cross-section) with constant density becomes less, and 2. the increase in volume of the medium resulting from the The result is a decrease in density due to the acceleration and an enlargement of the flow cross-section requires.

Solange die Geschwindigkeit des expandierten Mittels unterhalb der Schallgeschwindigkeit liegt, überwiegt der erste Faktor; zur Geschwindigkeitssteigerung braucht man eine Querschnittsverminderung. Mit der Annäherung an die Schallgeschwindigkeit wächst aber der Einfluß des zweiten Faktors. In dem Augenblick, in dem die Schallgeschwindigkeit erreicht ist, sind beide Faktoren gleichwertig, und der Querschnitt muß an dieser Stelle konstant bleiben. Will man die Schallgeschwindigkeit überschreiten, so muß man den zweiten Faktor stärker berücksichtigen als den ersten, d. h., der Kanalquerschnitt muß sich erweitern. An derjenigen Stelle, an welcher die Strömungsgeschwindigkeit die Schallgeschwindigkeit überschreitet, ist demgemäß ein engster Querschnitt erforderlich. Eine solche als Lavaldüse bekannte Anordnung ist die einzige Möglichkeit, einem Strömungsrizedium unter Umwandlung seiner eigenen potentiellen Energie eine Überschallgeschwindigkeit zu erteilen.As long as the speed of the expanded agent is below the Is the speed of sound, the first factor predominates; to increase speed you need a reduction in cross-section. With the approach to the speed of sound but the influence of the second factor increases. At the moment when the speed of sound is reached, both factors are equivalent, and the cross-section must be at this Position remain constant. If you want to exceed the speed of sound, you have to the second factor is considered more than the first, d. i.e., the channel cross-section must expand. At the point where the flow velocity exceeds the speed of sound, a narrowest cross-section is accordingly required. Such an arrangement, known as a Laval nozzle, is the only way to get one Flow rate a supersonic speed with conversion of its own potential energy granted.

Der Erfindungsgegenstand, nämlich das auf eine Überschallkomponente in meridionaler Richtung oder nur auf Überschall-Relativgeschwindigkeit (d. h. ohne Überschall-Meridiankomponente) im Laufrad beschleunigte zentrifugale Laufrad unterscheidet sich nun insofern von der Lavaldüse, als dem Fördermittel während seiner Beschleunigung im Laufrad durch die Schaufeln unmittelbar mechanische Energie zugeführt wird. Diese zugeführte Energie wird zur Gewinnung der Überschallgeschwindigkeit herangezogen, so daß eine potentielle Eigenenergie des Mittels zur Erzielung der Überschallgeschwindigkeit nicht oder nur in geringer Höhe erforderlich ist. Dieser Unterschied in der Wirkungsweise führt zu einer weitgehend anderen Formgebung der Strömungskanäle gegenüber dem Querschnittsverlauf in der Lavaldüse. Insbesondere spielt der bei der Lavaldüse erforderliche engste Querschnitt bei dem erfindungsgemäßen Laufrad keine ausschlaggebende Rolle mehr und kann oder muß in vielen Fällen fortfallen. Es tritt nämlich, sobald genügend mechanische Energie zugeführt wird, nicht notwendigerweise eine Expansion des Fördermittels während seiner Beschleunigung ein, sondern es kann sogar während der Beschleunigung gleichzeitig eine Kompression eintreten; damit entfällt die oben angeführte Begründung für einen engsten Querschnitt.The subject of the invention, namely that of a supersonic component in meridional direction or only at supersonic relative speed (i.e. without Supersonic meridian component) in the impeller differentiates accelerated centrifugal impeller now insofar as the Laval nozzle, as the conveying means during its acceleration Mechanical energy is supplied directly in the impeller by the blades. These The energy supplied is used to generate the supersonic speed, so that a potential inherent energy of the means to achieve the supersonic speed is not required or is only required to a small extent. This difference in the mode of action leads to a largely different shape of the flow channels compared to the cross-sectional shape in the laval nozzle. In particular, the narrowest required with the Laval nozzle plays Cross-section in the impeller according to the invention no longer a decisive role and in many cases it can or must fall away. It occurs as soon as enough mechanical energy is supplied, not necessarily an expansion of the conveyor during its acceleration one, but it can even during acceleration compression occurs at the same time; the reason given above does not apply for a narrowest cross-section.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen schematisch den Querschnittsverlauf und charakteristische Daten von Strömungskanälen, in welchen. ein Mittel von Unter- auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt werden soll. In allen vier Fällen erfolgt die Strömung von links nach rechts, und der Betrachtung ist der gleiche Geschwindigkeitsanstieg des Mittels zugrunde gelegt. Unterschiedlich ist bei den vier Figuren die Menge der während der Geschwindigkeitssteigerung zugeführten äußeren mechanischen Energie. In den Figuren sind untereinander ein axialer Schnitt durch den Strömungskanal, der Verlauf der Machzahl und der Druckverlauf dargestellt, wobei sich die betreffenden Werte der Machzahl und des Druckes unter der zugehörigen Stelle des Kanals befinden.1 to 4 show schematically the cross-sectional profile and characteristic Data of flow channels in which. a means from subsonic to supersonic speed should be accelerated. In all four cases the flow is from the left to the left right, and the consideration is the same rate increase of the mean based on. The amount of during is different for the four figures external mechanical energy added to the increase in speed. In the Figures are among each other an axial section through the flow channel, the course the Mach number and the pressure curve are shown, with the relevant values the Mach number and the pressure are located under the associated point of the channel.

In Fig. 1 ist angenommen, daß keine äußere Energie zugeführt wird. Infolgedessen zeigt die Fig.1 oben die klassische Lavaldüse. Der gesamte Bedarf an kinetischer Energie ist aus dem vorzugebenden Druckgefälle d p zwischen Düseneintritt und -austritt zu decken, wie es in Fig. 1, unten, bei der graphischen Darstellung von p wiedergegeben ist. Der erforderliche Strömungsquerschnitt nimmt ab, erreicht einen kleinsten Wert und steigt dann wieder an. Wie die mittlere Kurve in Fig. 1 anzeigt, steigt die Machzahl während des Durchgangs des Mediums durch die Lavaldüse an und überschreitet im engsten Querschnitt den Wert 1, d. h., im engsten Querschnitt (gestrichelt angedeutet) wird die Schallgrenze erreicht.In Fig. 1 it is assumed that no external energy is supplied. As a result, Figure 1 shows the classic Laval nozzle above. All the need The kinetic energy is derived from the pressure gradient d p to be specified between the nozzle inlet and outlet, as in Fig. 1, below, in the graphical representation is represented by p. The required flow cross-section decreases, achieved a smallest value and then increases again. Like the middle curve in Fig. 1 indicates, the Mach number increases during the passage of the medium through the Laval nozzle and exceeds the value 1 in the narrowest cross-section, i.e. i.e., in the narrowest cross-section (indicated by dashed lines) the sound limit is reached.

Bei Fig. 2 ist angenommen, daß dem Mittel auf dein Wege durch den Strömungskanal eine geringe Menge mechanischer Energie zugeführt wird, d. h., der Strömungskanal werde z. B. von den Schaufeln eines zentrifugalen Verdichterlaufrades gebildet, welches sich mit mäßiger Umfangsgeschwindigkeit dreht. Der Bedarf an kinetischer Energie kann nun zum Teil aus der zugeführten mechanischen Energie gedeckt werden. Demgemäß kann A p, wie dargestellt, wesentlich kleiner angenommen werden, d. h., die Enthalpiedifferenz des Fördermediums kann geringer sein. Auch in diesem Fall sinkt der Druck im Kanal zwischen Ein-und Austritt ab. Das Absinken ist jedoch wesentlich schwächer als bei der Lavaldüse gemäß Fig. 1. Im Sinne der bei Verdichterrädern üblichen Klassifizierung liegt hier ein Rad mit negativem Reaktionsgrad oder ein Unterdruckrad vor. Die Klassifizierung ist hierbei auf die adiabatische Strömung bezogen. Der erforderliche Strömungsquerschnitt nimmt etwas stärker ab als in Fig. 1; es ist auffällig, daß der engste Querschnitt in den Überschallbereich abwandert. Die Machzahl überschreitet den Wert 1 bereits vor Erreichen des engsten Querschnittes. Nach der engsten Stelle nimmt der Ouerschnitt wieder zu.In Fig. 2 it is assumed that the means on your way through the flow channel, a small amount of mechanical energy is supplied, that is, the flow channel will z. B. formed by the blades of a centrifugal compressor impeller, which rotates at a moderate peripheral speed. The need for kinetic energy can now be partially covered from the supplied mechanical energy. Accordingly, A p can, as shown, be assumed to be significantly smaller, that is to say the enthalpy difference of the conveying medium can be smaller. In this case, too, the pressure in the channel between the inlet and outlet drops. However, the sinking is much weaker than with the Laval nozzle according to FIG. 1. In terms of the classification customary for compressor wheels, this is a wheel with a negative degree of reaction or a vacuum wheel. The classification is based on the adiabatic flow. The required flow cross-section decreases somewhat more than in FIG. 1; it is noticeable that the narrowest cross-section migrates into the supersonic range. The Mach number already exceeds 1 before the narrowest cross-section is reached. After the narrowest point, the cross section increases again.

Im Beispiel der Fig. 3 ist die Zufuhr mechanischer Energie weiter gesteigert. Es ist hier der Fall vorausgesetzt, daß der Bedarf an kinetischer Energie gerade von der zugeführten mechanischen Energie gedeckt wird. Die Umfangsgeschwindigkeit des Verdichterlaufrades ist gegenüber dem zweiten Fall gesteigert. Es ist dann keine potentielle Energie des Fördermediums mehr notwendig, um die gewünschte Beschleunigung zu erzielen: dp=0. Der Druck im Kanal fällt nicht mehr im Sinne der Fig. 1 und 2 ab, sondern bleibt konstant, so daß man den Fall des Gleichdruckrades mit dem Reaktionsgrad Null hat. In einem solchen Fall braucht man eine noch stärkere Querschnittsabnahme als im Fall t. Ein »engster Querschnitt« ist innerhalb des Kanals nicht mehr vorhanden, sondern er wird theoretisch gerade in unendlicher Entfernung asymptotisch erreicht.In the example of FIG. 3, the supply of mechanical energy continues increased. It is the case here that the need for kinetic energy is just covered by the supplied mechanical energy. The peripheral speed of the compressor impeller is increased compared to the second case. Then it is not Potential energy of the conveyed medium is more necessary to achieve the desired acceleration to achieve: dp = 0. The pressure in the channel no longer falls in the sense of FIGS. 1 and 2 from, but remains constant, so that one has the case of the constant pressure wheel with the degree of reaction Has zero. In such a case, an even greater reduction in cross-section is required than in the case of t. There is no longer a »narrowest cross section« within the canal, but it is theoretically reached asymptotically precisely at an infinite distance.

Schließlich ist in Fig.4 der Fall dargestellt, in welchem dem Fördermittel sehr viel mechanische Energie zugeführt wird, wobei das Verdichterlaufrad also eine sehr hohe Umfangsgeschwindigkeit hat. Die zugeführte Energiemenge übersteigt den zur Beschleunigung des Fördermittels erforderlichen Betrag. Gleichzeitig mit der Erhöhung der Machzahl erfolgt also eine Erhöhung des statischen Druckes und der Enthalpie. Der Reaktionsgrad ist jetzt positiv, und es liegt ein Überdruckrad vor. In diesem Falle muß der Kanalquerschnitt stark abnehmen und asymptotisch gegen Null gehen. Eine engste Stelle existiert weder im Kanal noch irgendwo außerhalb des Kanals. Im folgenden soll nunmehr eine Kanalform angegeben werden, ;mit deren Hilfe bei einem zentrifugalen Verdichterlaufrad der Schalldurchgang im Laufrad besonders günstig erreicht werden kann.Finally, in Figure 4, the case is shown in which the funding a lot of mechanical energy is supplied, with the compressor impeller so a has a very high peripheral speed. The amount of energy supplied exceeds the amount required to accelerate the funding. Simultaneously with the Increasing the Mach number therefore results in an increase in the static pressure and the Enthalpy. The degree of reaction is now positive and there is an overpressure wheel. In this case, the channel cross-section must decrease sharply and asymptotically towards zero walk. A narrowest point does not exist either in the canal or anywhere outside the canal. In the following, a channel shape is now to be specified, with the help of which at a centrifugal compressor impeller, the passage of sound in the impeller is particularly favorable can be reached.

In den hier gegebenen Gleichungen sind: F Kanalquerschnitt, w Relativgeschwindigkeit, d. h. Geschwindigkeit, bezogen auf das Laufrad, 2s Umfangsgeschwindigkeit am betrachteten Laufradradius, a örtliche Schallgeschwindigkeit, M Machzahl der Relativgeschwindigkeit M" Machzahl der Umfangsgeschwindigkeit T absolute Temperatur, r Laufradradius am betrachteten Kanalquerschnitt, O Dichte des Fördermediums, g Erdbeschleunigung, k Adiabatenexponent des Fördermediums, d. h. das Verhältnis der spezifischen Wärme des Fördermediums bei konstantem Druck zur spezifischen Wärme bei konstantem Volumen R Gaskonstante.In the equations given here are: F channel cross-section, w relative speed, ie speed in relation to the impeller, 2s circumferential speed at the considered impeller radius, a local speed of sound, M Mach number of the relative speed M "Mach number of the peripheral speed T absolute temperature, r impeller radius at the considered duct cross-section, O density of the pumped medium, g acceleration due to gravity, k adiabatic exponent of the pumped medium, ie the ratio of the specific heat of the pumped medium at constant pressure to the specific heat at constant volume R gas constant.

Der Index e gibt die konstruktiven Randbedingungen an, d. h. die vorzugebenden Werte in einem angenommenen Strömungsquerschnitt, z. B. am Kanalein-oder -austritt.The index e indicates the constructive boundary conditions, i. H. the ones to be specified Values in an assumed flow cross-section, e.g. B. at the channel inlet or outlet.

Zugrunde gelegt wird die Kontinuitätsgleichung in folgender Schreibweise: Hier kann der Quotient aus den Relativgeschwindigkeiten w, und w vorgegeben werden, z. B. durch Angabe der gewünschten Zu- oder Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit im Kanal. Der Ausdruck Pe e ist jedoch von der geforderten Relativgeschwindigkeit w bzw. der Machzahl M sowie von der zugeführten Energie abhängig, d. h. von der Umfangsgeschwindigkeit u an der betreffenden Stelle: An sich könnten auch die Dichte o bzw. der Druck vorgegeben werden, wobei sich dann die Relativgeschwindigkeit w bzw. die Machzahl M aus einer der Gleichung (2) ähnlichen Beziehung ergeben würden; das gleiche gilt auch für die Vorgabe des bestimmten Strömungsquerschnittes F. Es ist jedoch für den Konstrukteur von Vorteil, mit dem Ausdruck (2) zu arbeiten, weil dann von vornherein - wie weiter unten noch gezeigt werden wird - auf ein arbeitendes Laufrad hin entworfen werden kann, was in den anderen Fällen zunächst dem Zufall überlassen bliebe. Die Gleichung (2) ist durch Gleichsetzen der Druckglieder in der Eulerschen Hauptgleichung mit der thermodynamischen Adiabatengleichung wie folgt gewonnen Aus der Gleichung (3) gewinnt man ferner einen Audruck für die Schallgeschwindigkeit a: Diese Gleichung (4) verwendet man, um die Relativgeschwindigkeit w durch die Machzahl M zu ersetzen, welche im Überschallbereich rechnerisch besser zu handhaben ist.It is based on the continuity equation in the following notation: Here the quotient of the relative speeds w and w can be specified, e.g. B. by specifying the desired increase or decrease in the flow velocity in the channel. However, the term Pe e depends on the required relative speed w or the Mach number M as well as on the energy supplied, i.e. on the peripheral speed u at the relevant point: Per se, the density o or the pressure could also be specified, in which case the relative speed w or the Mach number M would result from a relationship similar to equation (2); The same also applies to the specification of the specific flow cross-section F. However, it is advantageous for the designer to work with expression (2), because a working impeller is then designed from the outset - as will be shown below can, which in the other cases would initially be left to chance. Equation (2) is obtained by equating the pressure terms in Euler's main equation with the thermodynamic adiabatic equation as follows From equation (3) one also obtains an expression for the speed of sound a: This equation (4) is used to replace the relative speed w by the Mach number M, which is easier to handle mathematically in the supersonic range.

Mit den angegebenen Ausdrücken erhält man: Diese Gleichung (5) gibt für jede Stelle im Laufrad den erforderlichen Strömungsquerschnitt F in Abhängigkeit von der Machzahl M, die an dieser Stelle gefordert wird und von der an dieser Stelle zur Verfügung stehenden Energie, welche sich aus der Umfangsmachzahl M" und dem Radius der betreffenden Stelle r ergibt. Alle anderen Größen sind vorgegebene Randbedingungen (Fe, Me, Mue, re). Der Adiabatenexponent K wird als bekannt und als während der Durchströmung unverändert angesehen.With the given expressions we get: This equation (5) gives the required flow cross section F for each point in the impeller as a function of the Mach number M, which is required at this point and of the energy available at this point, which is derived from the circumferential Mach number M "and the radius of the point in question results in r. All other variables are predetermined boundary conditions (Fe, Me, Mu, re). the adiabatic K while the flow regarded as it is as known and as.

Die Gleichung (5) gilt sehr allgemein. Sie enthält sowohl den Unterschallbereich als auch den Durchgang durch die Schallgeschwindigkeit und den Überschallbereich. Weiterhin ist sie unabhängig von der Schaufelform. Sie gibt also sowohl ein Laufrad, in welchem die Relativgeschwindigkeit von Unterschallauf Überschallgröße gesteigert werden kann, ohne daß dabei die Meridiangeschwindigkeit die Schallgrenze überschreitet, als auch Laufräder mit Überschall-Meridiankomponente.Equation (5) is very general. It contains both the subsonic area as well as the passage through the speed of sound and the supersonic range. Furthermore, it is independent of the blade shape. So there is both an impeller, in which the relative speed increased from subsonic to supersonic size without the meridian velocity exceeding the sound limit, as well as impellers with supersonic meridian components.

Die Gleichung (5) gilt prinzipiell auch für ein rein axial durchströmtes Laufrad. Dabei wird aber, da der Radius in Strömungsrichtung konstant bleibt (r=re), das Energieglied zu Null: und es bleibt die bekannte Formel zur Berechnung der Lavaldüse übrig. Ein rein axial durchströmtes Rad entspricht somit dem Fall der Fig. 1. Einer solchen Anlage muß, um sie in Betrieb setzen zu können, ein äußeres Druckgefälle zwischen Radeintritt und Radaustritt aufgeprägt werden, welches mindestens dem für das Relativsystem gültigen »kritischen Druckverhältnis« entspricht, so wie eingangs bereits angedeutet.In principle, equation (5) also applies to an impeller with a purely axial flow. However, since the radius remains constant in the direction of flow (r = re), the energy term becomes zero: and the well-known formula for calculating the Laval nozzle remains. A wheel through which there is purely axial flow thus corresponds to the case of Fig. 1. In order to be able to put it into operation, an external pressure gradient between the wheel inlet and wheel outlet must be impressed, which corresponds at least to the "critical pressure ratio" valid for the relative system, as already indicated at the beginning.

Ein gemäß Gleichung (5) gebautes zentrifugales Verdichterlaufrad kann nun Überschallströmungen in recht vielfältiger Weise erzeugen. Aus der Vielzahl der noch möglichen Bauweisen heben sich einige als besonders vorteilhaft heraus.A centrifugal compressor impeller built according to equation (5) can now generate supersonic flows in quite a variety of ways. From the multitude Of the possible construction methods, some stand out as being particularly advantageous.

Bei der Formgebung der begrenzenden Wände der Laufradkanäle wird man solche Bauweisen bevorzugen, bei denen die Begrenzungen im Meridianschnitt in an sich bekannter Weise einen sich nach außen verringernden Abstand aufweisen. Eine im Sinne der Erfindung besonders hohe Energiedichte der Maschine erreicht man vorzugsweise dadurch, daß man sogar den senkrecht zu den Stromlinien gemessenen Querschnitt der Laufradkanäle mit zunehmendem Radius abnehmen läßt.When shaping the bounding walls of the impeller channels one will prefer construction methods in which the boundaries in the meridional section in in a known manner have a distance that decreases towards the outside. One In the context of the invention, a particularly high energy density of the machine is preferably achieved by even having the cross-section measured perpendicular to the streamlines of the Can decrease impeller channels with increasing radius.

Solche Bauweisen haben weiterhin auch hinsichtlich der Festigkeitsbeanspruchung des Laufrades und seiner Bauelemente günstige Eigenschaften. Die Laufräder müssen nämlich wegen der hohen Fliehbeanspruchungen besonders sorgfältig berechnet und konstruiert werden, wobei sich eine Abnähme der Schaufelmasse mit zunehmendem Radius günstig auswirkt. Besondere Vorteile erzielen auch Bauweisen, welche Rücksicht nehmen auf mögliche Energieverluste. Gegenüber den bisher berücksichtigten verlustfreien (isentropen) Überschallströmungen können im Laufrad auch nicht isentrope Strömungen auftreten. In solchem Falle ist es zweckmäßig, besondere Bedingungen einzuhalten, um einen stabilen Laufradbetrieb zu gewährleisten. Nicht isentrope Strömungen liegen insbesondere dann vor, wenn innerhalb der Strömung Verdichtungsstöße auftreten. Hier kann es sich entweder um beabsichtigte Stöße, z. B. um ein mitrotierendes Stoßwellensystem handeln, das innerhalb des Laufrades zu einer sprunghaften Drucksteigerung führen soll, oder um mögliche instationäre Störungen, welche stromaufwärts in das Laufrad eindringen können. Diese Betriebsfälle sind mit der zusätzlichen Forderung erfaßbar, daß innerhalb der Laufradkanäle ein stabiler Verdichtungsstoß möglich sein soll. Die konstruktive Verwirklichung dieser Forderung ist wesentlicher Bestandteil der Erfindung.Such types of construction continue to be stressed in terms of strength the impeller and its components have favorable properties. The wheels must namely, because of the high centrifugal loads, calculated and particularly carefully be constructed, with a decrease in the blade mass with increasing radius has a beneficial effect. Construction methods that are considerate also achieve particular advantages for possible energy losses. Compared to the previously considered lossless (Isentropic) supersonic flows can also be non-isentropic flows in the impeller appear. In such a case it is advisable to adhere to special conditions, to ensure stable wheel operation. Currents are not isentropic especially when shock waves occur within the flow. This can either be intentional impacts, e.g. B. a co-rotating shock wave system act that lead to a sudden increase in pressure within the impeller should, or possible unsteady disturbances, which upstream in the impeller can penetrate. These operating cases can be recorded with the additional requirement, that a stable shock wave should be possible within the impeller channels. The constructive realization of this requirement is an essential part of the Invention.

Auch hier wird zur Erläuterung zunächst auf die bekannten Vorgänge in einer Lavaldüse (Fig. 5) zurückgegriffen. Fig.5 gibt oben schematisch einen axialen Schnitt durch eine Lavaldüse, in deren sich erweiterndem Teil durch einen entsprechenden Gegendruck am Düsenende ein senkrechter Verdichtungsstoß (ausgezogene senkrechte Linie) hervorgerufen wird. Wie der darunter eingezeichnete Druckverlauf erkennen läßt, ergibt dieser Verdichtungsstoß eine sprunghafte Druckerhöhung. Die Druckerhöhung führt zu einer entsprechenden Volumenabnahme. Die Volumenabnahme wird durch den Geschwindigkeitsabfall kompensiert, der von einer Überschallgeschwindigkeit vor dem Stoß auf eine Unterschallgeschwindigkeit hinter dem Stoß führt. Der Strömungsquerschnitt ist also weiterhin ausgefüllt, und die Kontinuitätsbedingung bleibt erfüllt. Der Stoß ist somit physikalisch reell. Eine Störung der Strömung, etwa durch einen vom Düsenaustritt (von rechts) gegen die Strömung laufenden Druckstoß, verlagert die Front des senkrechten Verdichtungsstoßes etwas stromaufwärts (gestrichelt eingezeichnet), wodurch die nach dem Verdichtungsstoß sich einstellenden thermodynamischen Zustände des Mediums derart geändert werden, daß die Kontinuitätsbedingung wiederum erfüllt ist. Nach Abklingen der Störung, d. h. wenn sich der ursprüngliche Düsenaustrittsdruck wieder eingestellt hat, verlagert sich die Stoßfront wieder an ihren ursprünglichen Ort. Eine analoge Reaktion erzeugt eine als Unterdruckwelle zurücklaufende Störung (strichpunktiert). Im Fall der Fig.5 spricht man von einem stabilen Stoß. Er ist, wenn der Strömung keine Energie zugeführt wird, nur im divergenten Teil einer Lavaldüse möglich.Here, too, the known processes are first of all explained for the sake of explanation used in a Laval nozzle (Fig. 5). Fig. 5 is a schematic axial at the top Section through a Laval nozzle, in the widening part of which by a corresponding one Back pressure at the end of the nozzle a vertical shock wave (solid vertical Line). How to recognize the pressure curve drawn below leaves, this shock wave results in a sudden increase in pressure. The pressure increase leads to a corresponding decrease in volume. The decrease in volume is caused by the Compensates for the drop in speed caused by a supersonic speed above leading the impact to subsonic velocity behind the impact. The flow cross-section is therefore still filled in and the continuity condition remains fulfilled. Of the Impact is therefore physically real. A disturbance of the flow, for example by one of the Nozzle outlet (from the right) against the flow pressure surge, shifts the Front of the vertical shock wave slightly upstream (shown in dashed lines), whereby the thermodynamic conditions that arise after the shock wave of the medium can be changed in such a way that the continuity condition is met again is. After the disturbance has subsided, i. H. when the original nozzle discharge pressure has stopped again, the shock front shifts back to its original position Location. An analogous reaction creates a disturbance that returns as a negative pressure wave (dash-dotted). In the case of FIG. 5, one speaks of a stable collision. He is, if no energy is supplied to the flow, only in the divergent part of a Laval nozzle possible.

Bei der Betrachtung derartiger Strömungsvorgänge, d. h. bei Strömungen ohne Zufuhr äußerer Energie, kann gezeigt werden, daß ein senkrechter Verdichtungsstoß nur in einem divergenten Kanal stabil ist, in welchem der Druck und die Dichte absinken und die Überschallgeschwindigkeit zunimmt. Ein Stoß ist stets instabil in einem konvergenten Kanal bei Druck-und Dichteanstieg und bei Abnahme der Überschallgeschwindigkeit. Man muß also, wenn keine Energie zugeführt wird, stets drei gekoppelte Bedingungen beachten, wenn man einen stabilen senkrechten Stoß erzielen will: 1. Divergenz des Kanals, 2. Absinken des Druckes und 3. Ansteigen der Machzahl.When considering such flow processes, i. H. with currents without the addition of external energy, it can be shown to be a vertical shock wave is stable only in a divergent canal in which the pressure and density decrease and the supersonic speed increases. A shock is always unstable in a convergent channel with an increase in pressure and density and with a decrease in supersonic speed. If no energy is supplied, then one must always have three coupled conditions note if you want to achieve a stable vertical impact: 1. Divergence of the Channel, 2. decrease in pressure and 3. increase in Mach number.

Eingehende Untersuchungen haben ergeben, daß diese gekoppelten Bedingungen für einen stabilen Stoß und damit für die Unempfindlichkeit gegen Störungen nicht für den Fall gelten, daß der Strömung im Kanal mechanische Energie zugeführt wird. Diese Feststellung bedeutet, daß bei Zufuhr mechanischer Energie überraschenderweise auch in einem konvergenten Kanal ein senkrechter Stoß stabil existieren kann. Im Gegensatz zur Lavaldüse ist es dabei gleichgültig, ob der statische Druck zu- oder abnimmt. Demgemäß soll die Strömungsgeschwindigkeit, d. h. die Machzahl der isentropischen Überschallströmung, monoton oder kontinuierlich zunehmen, um einen stabilen Stoß in einem Laufrad zu sichern, welches eine Überschall-Meridiankomponente bzw. eine Überschall-Relativ geschwindigkeit der Strömung in seinen Schaufelkanälen erzeugt. Diese Lehre, die Machzahl und damit die Geschwindigkeit innerhalb des Laufrades monoton ansteigen zu lassen, ist der bei bekannten Verdichterrädern üblichen Konstruktionsweise genau entgegengesetzt, da man hier in der Regel das Fördermittel innerhalb des Laufrades verzögert, um den Druck zu steigern.In-depth studies have shown that these coupled conditions not for a stable impact and thus for the insensitivity to disturbances apply in the event that mechanical energy is supplied to the flow in the channel. This finding means that when mechanical energy is supplied, surprisingly a vertical collision can also exist stably in a convergent channel. in the In contrast to the Laval nozzle, it does not matter whether the static pressure is applied or not decreases. Accordingly, the flow velocity, i.e. H. the Mach number of the isentropic Supersonic flow, monotonically or continuously, increasing to a stable shock to secure in an impeller, which is a supersonic meridian component or a Generated supersonic relative speed of the flow in its blade channels. This teaching, the Mach number and thus the speed within the impeller Allowing it to increase monotonically is the usual method of construction with known compressor wheels exactly the opposite, since the conveying means are usually within the impeller delayed to increase the pressure.

Ein Laufrad, welches in Strömungsrichtung kontinuierlich wachsende Machzahlen aufweist, ist in der Lage, bewußt herbeigeführte oder ungewollt auftretende Stöße oder Störungen zu verarbeiten, ohne daß die Überschallströmung dabei zusammenbricht. Wenn z. B. im Rad selbst ein mitrotierendes System von senkrechten Verdichtungsstößen vorgesehen ist, so werden sich die Stoßfronten unter dem Einfluß äußerer Störungen lediglich um die Laufradachse etwas zusammenziehen oder ausdehnen. Das Rad arbeitet nicht nur stabil, sondern es ist bei einer derartigen Auslegung sogar in weiten Grenzen regelbar hinsichtlich des vom ganzen Verdichter zu erzeugenden Druckes.An impeller which is continuously growing in the direction of flow Has Mach numbers, is capable of deliberately brought about or unintentionally occurring Process shocks or disturbances without the supersonic flow collapsing. If z. B. in the wheel itself a co-rotating system of vertical compression shocks is provided, the shock fronts are influenced by external disturbances just contract or expand a little around the wheel axis. The wheel works Not only is it stable, but with such a design it is even broadly Adjustable limits with regard to the pressure to be generated by the entire compressor.

Wenn die Verdichtungsstöße nicht im Laufrad selbst, sondern in einer nachgeschalteten Leitvorrichtung auftreten sollen, z. B. als mit dem Laufrad koaxialer Ringstoß in einem schaufellosen Ringraum, so können die Folgen der nicht gleichförmigen Abströmung der Überschallströmung vom Laufrade (die auf Grund der endlichen Schaufelzahl und -dicke unvermeidbar sind) beim erfindungsgemäßen Laufrad weitgehend herabgesetzt werden. Die Forderung nach monotonem Geschwindigkeitswachstum der isentropischen Strömung, welche im Interesse der Strömungsstabilität aufgestellt wurde, läßt nämlich noch die Wahl des genauen Gesetzes offen, nach welchem die Machzahl im Laufrad zunehmen soll. Beispielsweise könnte man die Machzahl linear mit der Länge des Strömungskanals oder parabolisch zunehmen lassen.If the shock waves are not in the impeller itself, but in a downstream control device should occur, z. B. as coaxial with the impeller Ring joint in a vane-less annulus, the consequences of non-uniform Outflow of the supersonic flow from the impeller (due to the finite number of blades and thickness are unavoidable) largely reduced in the impeller according to the invention will. The demand for monotonous speed growth of the isentropic Flow, which was set up in the interest of flow stability, namely leaves The choice of the exact law according to which the Mach number in the impeller increases is still open target. For example, the Mach number could be linear with the length of the flow channel or let it increase parabolically.

Diese verbleibende Konstruktionsfreiheit, also die Wahl des Gesetzes, nach dem die Machzahl im Laufrad zunimmt, kann für die Erfüllung der Forderung benutzt werden, die ungünstigen Folgen der nicht gleichförmigen Abströmung vom Laufrad zu veringern. Die konstruktive Verwirklichung dieser Forderung ist ein weiterer wesentlicher Bestandteil der Erfindung. Die Strömung in der Leitvorrichtung ist durch ihre Konstruktion sowie durch den Zustand und die Strömungsrichtung des Fördermittels beim Verlassen des Laufrades eindeutig festgelegt. Sie verläuft ohne weitere Energiezufuhr z. B. unter Druckabfall bei weiterer Beschleunigung im Sinne des sich erweiternden Teils einer Lav aldüse. Um nun hierbei die Störungen am Laufradaustritt herabzusetzen, ist es zweckmäßig, die Strömung innerhalb des Laufrades in der Nähe des Laufradaustritts derartig auszubilden, daß die Absolutströmung im Laufradbereich knickfrei in die Absolutströmung im Leitapparat übergeht; »knickfrei« soll bedeuten, daß in der graphischen Darstellung die Änderungen der absoluten Machzahl sowie die Änderung des Druckes an der Austrittsstelle knickfrei oder annähernd knickfrei erfolgen sollen. In diesem Sinne kann es unter Umständen zweckmäßig sein, die Machzahl kurz vor dem Laufradaustritt so stark zu erhöhen, daß dem Fördermedium in diesem Bereich noch potentielle Energie entzogen wird. Dabei ergibt sich dann zum Laufradaustritt hin bereits innerhalb des Laufrades ein Druckabfall, der bei richtiger Wahl knickfrei in den Druckabfall innerhalb der Leitvorrichtung übergeht.This remaining freedom of design, i.e. the choice of the law, after the Mach number in the impeller increases, it can be used to meet the requirement the unfavorable consequences of the non-uniform outflow from the impeller decrease. The constructive realization of this requirement is another essential one Part of the invention. The flow in the diffuser is due to its design as well as the condition and the direction of flow of the conveying means when it leaves of the impeller clearly defined. It runs without additional energy supply z. B. under pressure drop with further acceleration in the sense of the expanding part a lav al nozzle. In order to reduce the disturbances at the impeller outlet, it is advisable to keep the flow inside the impeller close to the impeller outlet in such a way that the absolute flow in the impeller area into the Absolute flow passes over in the diffuser; "Kink-free" should mean that in the graphic Representation of the changes in the absolute Mach number as well as the change in pressure should be free of kinks or almost kink-free at the exit point. In this In the sense, it may be useful under certain circumstances to set the Mach number just before the impeller outlet to increase so much that the pumped medium still has potential energy in this area is withdrawn. This then results already within the impeller outlet of the impeller there is a pressure drop which, if the choice is made correctly, results in the pressure drop without kinks passes within the guide device.

Die Fig.6 zeigt schematisch auf der linken Seite einen Meridianschnitt durch den Austritt eines nach den angegebenen Gesetzen berechneten Laufrades und den Eintritt in einen nachgeschalteten schaufellosen Ringraum sowie auf der rechten Seite die zugehörigen Kurven des Ouerschnitts, der Machzahl der Absolutgeschwindigkeit und des statischen Druckes. Hierbei wurde ein guter, d. h. möglichst störungsfreier Übergang der Laufradströmung in die Ringraumströmung angestrebt. Da die Ringraumströmung ohne weitere Energiezufuhr erfolgt, also sich selbst überlassen bleibt, liegt ihr Verlauf in Abhängigkeit vom Eintrittszustand des Fördermittels, vom Strömungswinkel, von der Eintrittsmachzahl und der Wandform des Ringraumes eindeutig fest. Wenn die Meridiankomponente der Strömungsgeschwindigkeit im Sinne der Erfindung die Schallgeschwindigkeit übersteigt, so expandiert das Medium im Ringraum unter gleichzeitiger Beschleunigung. In einem solchen Fall sollte der Austrittsbereich des Laufrades gemäß Fig. 6 für Druckabfall konstruiert werden.6 shows schematically on the left side a meridional section through the exit of an impeller calculated according to the specified laws and the entry into a downstream vane-less annulus and on the right Page the corresponding curves of the cross section, the Mach number of the absolute speed and static pressure. Here a good, i. H. as trouble-free as possible Intended to transition the impeller flow into the annulus flow. Because the annulus flow takes place without any additional energy supply, i.e. left to its own devices, suits her Course depending on the inlet condition of the conveying medium, the flow angle, clearly determined by the entry mach number and the wall shape of the annulus. If the Meridian component of the flow velocity in the sense of the invention is the speed of sound exceeds, the medium expands in the annulus with simultaneous acceleration. In such a case, the exit area of the impeller according to FIG. 6 for Pressure drop can be constructed.

Die waagerechte, gestrichelte Linie des Kurvenblattes kennzeichnet den Übergang von der Laufradströmung zur Ringraumströmung. Oberhalb dieser Grenze, d. h. im Ringraumbereich, liegt der Verlauf des Druckes und der Machzahl eindeutig fest. Innerhalb des Laufrades kann man jedoch die Strömung im Rahmen der vorgegebenen Bedingungen beliebig gestalten, indem man z. B. den Verlauf der Machzahländerung zweckentsprechend wählt, wie dies im folgenden erläutert wird.The horizontal, dashed line on the curve sheet indicates the transition from the impeller flow to the annulus flow. Above this limit d. H. In the annulus area, the course of the pressure and the Mach number is clearly fixed. Inside the impeller, however, you can control the flow within the specified range Make conditions arbitrarily by z. B. the course of the Mach number change appropriately selects, as explained below.

Gemäß Fig.6 wird der Machzahlverlauf im Laufrad so gewählt, daß der statische Druck bereits vor dem Laufradaustritt knickfrei aus dem steigenden Verlauf in einen fallenden Verlauf übergeht, so daß sich der Druckverlauf im Ringraum stetig an den Druckverlauf im Laufrad anschließt. Wenn man in diesem Sinne schon vor dem Laufradaustritt ein Absinken des Druckes erhalten will, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist, so muß sich die Querschnittsabnahme in der Nähe des Laufradaustritts vermindern, wie dies der Krümmung der Querschnittskurve in dem Diagramm auf der rechten Seite zu entnehmen ist. Aus Fig.2 ist zu entnehmen, daß die Druckabsenkung einen engsten Querschnitt des Laufrades bedingt; dieser engste Querschnitt liegt im vorliegenden Falle außerhalb des Laufrades (vgl. die gestrichelte Fort- Setzung des unteren Teiles der Ouerschnittskurve). Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 ist also bereits vor Erreichen des engsten Querschnitts der Laufradaustritt erreicht, und an die Stelle des gestrichelten OOuerschnittsverlaufes tritt die lineare Zunahme des Strömungsquerschnittes, welche sich aus den parallelen Seitenwänden des Ringraumes ergibt. Hierdurch werden die unvermeidlichen Austrittsverluste wesentlich reduziert.According to Figure 6, the Mach number curve in the impeller is chosen so that the static pressure already before the impeller outlet from the rising course without kinks merges into a falling curve, so that the pressure curve in the annulus is steady connects to the pressure curve in the impeller. If in this sense you have already done The impeller outlet wants to obtain a drop in pressure, as shown in FIG. 6 then the cross-section reduction in the vicinity of the impeller outlet must be reduced, like this the curvature of the cross-sectional curve in the diagram on the right can be found. From Figure 2 it can be seen that the pressure drop is extremely narrow Cross-section of the impeller conditional; this narrowest cross-section is in the present one Fall outside the impeller (see the dashed progression Settlement of the lower part of the cross-section curve). In the embodiment according to FIG. 6 the impeller outlet is already reached before the narrowest cross-section is reached, and the linear increase takes the place of the dashed cross section of the flow cross-section, which results from the parallel side walls of the annular space results. This significantly reduces the inevitable leakage losses.

Eine weitere Konstruktionslehre der Erfindung besteht darin, daß man den glatten, knickfreien Strömungsübergang nicht allein durch die geschilderten Maßnahmen im Laufradaustritt herbeiführt, sondern durch günstige Gestaltung des Eintritts der Leitvorrichtung unterstützt. Dabei werden die Seitenwände der Leitvorrichtung nicht, wie in Fig. 6 dargestellt, parallel gestaltet, sondern in ihrer Neigung den Laufradwänden gemäß Fig.7 angepaßt, so daß sich auch ein annähernd knickfreier Verlauf der Strömungsquerschnitte ergibt. Diese Anpassung sollte aber - wenn in der Leitvorrichtung noch mit Überschall-Meridiankomponente (also z. B. mit einem Ringstoß) gearbeitet werden soll - nur so weit gehen, daß in der Leitvorrichtung eine radiale Abnahme der Querschnittsflächen (Druckanstieg) oder gar ein engster O_uerschnitt noch vermieden wird. Andernfalls ist mit Anfahrschwierigkeiten und Instabilität zu rechnen. Eine solche Ausbildung der Leitvorrichtung ist mit einer Lavaldüse vergleichbar, deren erweiterter Teil eine am Anfang geringere Divergenz aufweist als am Düsenende. Das bedeutet eine am Anfang geringere Beschleunigung der Strömungsgeschwindigkeit und einen geringeren Druckabfall.Another design teaching of the invention is that one the smooth, kink-free flow transition not only through the described Measures brought about in the impeller outlet, but through favorable design of the Entrance of the guide device supported. The side walls of the guide device are thereby not, as shown in Fig. 6, designed parallel, but the inclination The impeller walls are adapted according to FIG. 7, so that there is also an approximately kink-free course the flow cross-sections results. However, this adaptation should - if in the guide device still worked with supersonic meridian components (e.g. with a ring joint) should be - only go so far that there is a radial decrease in the guide device of the cross-sectional areas (pressure increase) or even a narrowest cross-section is still avoided will. Otherwise start-up difficulties and instability are to be expected. One such a design of the guide device is comparable to a Laval nozzle, whose extended part has a lower divergence at the beginning than at the nozzle end. That means a lower acceleration of the flow velocity at the beginning and a lower pressure drop.

Bei den vorstehenden Ausführungen wurde bewußt n af eine Betrachtung der Grenzschichtprobleme verzichtet. Bei praktischen Ausführungen müssen die Strömungsquerschnitte naturgemäß etwas größer sein, als sich dies aus den adiabatischen Gesetzen und den hieraus abgeleiteten Querschnittsvorschriften ergibt, damit auch die Verdrängungswirkung der in ihrer Dicke radial zunehmenden Grenzschicht und die endliche Dicke der Schaufeln berücksichtigt werden. Der Korrekturfaktor bzw. die »Verdrängungsdicke« kann nach bekannten Methoden berechnet werden, ist aber wegen der geringen Dicke der Grenzschicht meist zu vernachlässigen. In ähnlicher Weise können die als »Gitterwirkung« bekannten Einflüsse durch Einführung eines »Minderleistungsfaktors« oder durch eine ähnliche bekannte Methode der Gittertheorie bei der Verdichterauslegung berücksichtigt werden. Bei der Betrachtung der Grenzschicht sei noch auf eine weitere Erscheinung verwiesen, nämlich auf die Grenzschichtablösung, deren an sich schädliche Folgen durch den erfindungsgemäßen Verdichter weitgehend gemildert oder vermieden werden können. Die durch einen Verdichtungsstoß im allgemeinen verursachte Ablösung der Grenzschicht wirkt sich im erfindungsgemäßen Zentrifugalverdichter nicht so schädlich aus wie z. B. in einem axialen Verdichterlaufrad. Da die Weite des Strömungsraumes (im Meridianschnitt verstanden) sowohl im erfindungsgemäßen Laufrad als auch in der Leitvorrichtung nicht sehr groß ist, können im Falle der Ablösung der Grenzschicht die hinter dem Stoß an den Kanalwänden sich ansammelnden abgelösten Grenzschichtteilchen eine merkbare Verengung des freien Strömungsquerschnittes bewirken. Da ferner die radiale Komponente der Strömungsgeschwindigkeit nach dem Stoß in jedem Falle von Unterschallgröße ist, ergibt sich durch die geschilderte Verengung des Strömungsquerschnittes aber wieder eine örtliche Beschleunigung des Fördermediums. Dadurch werden die abgelösten Teilchen jedoch wieder an die Wand gedrängt und schnell in Strörriungsrichtung fortgeschwemmt, so daß sie der Strömung nicht weiter schaden können. Die abgelösten Grenzschichtteilchen können auch deshalb keine störende Wanderung senkrecht zur Hauptströmungsrichtung antreten, wie dies z. B. bei axialen Verdichtern der Fall ist, weil im radialen Verdichter kein Druckgradient in der Ebene der Querschnittsflächen-liegt.In the above explanations, a consideration was deliberately made the boundary layer problems are dispensed with. In the case of practical designs, the flow cross-sections must naturally be somewhat larger than what follows from the adiabatic laws and the the cross-sectional regulations derived therefrom, thus also the displacement effect the boundary layer, which increases radially in its thickness, and the finite thickness of the blades must be taken into account. The correction factor or the »displacement thickness« can be adjusted according to known methods can be calculated, but is because of the small thickness of the boundary layer mostly negligible. Similarly, those known as "grid effects" can be used Influences due to the introduction of a »reduced power factor« or a similar one known method of the grid theory can be taken into account when designing the compressor. When considering the boundary layer, reference is made to another phenomenon, namely on the separation of the boundary layer, the inherently harmful consequences of which are caused by the Compressor according to the invention can be largely mitigated or avoided. The separation of the boundary layer generally caused by a shock wave does not have as harmful an effect in the centrifugal compressor according to the invention as z. B. in an axial compressor impeller. Since the width of the flow space (in the meridional section understood) both in the impeller according to the invention and in the guide device is not very large, in the case of the separation of the boundary layer, those behind the Impact on the channel walls accumulating detached boundary layer particles a noticeable Cause narrowing of the free flow cross-section. There is also the radial component the flow velocity after the collision is subsonic in each case, but results again from the described narrowing of the flow cross-section a local acceleration of the pumped medium. This causes the detached particles but again pushed against the wall and swiftly swept away in the direction of the river, so that they cannot harm the current any further. The detached boundary layer particles This is one of the reasons why there is no disruptive migration perpendicular to the main flow direction compete, as this z. B. is the case with axial compressors because in the radial Compressor no pressure gradient lies in the plane of the cross-sectional areas.

Fig. 8 gibt ein Ausführungsbeispiel für den Erfindungsgegenstand im axialen Schnitt, während in Fig. 9 ein Teil der Draufsicht auf ein solches Verdichterlaufrad dargestellt ist, gesehen von der Anströmseite. Der Verdichtereinlauf 4 weist einen axialen Eintritt des Fördermittels auf. Er enthält ein Leitschaufelsystem 5, das insbesondere die Eintrittsmachzahl des Fördermittels in das Laufrad herabzusetzen vermag. Bei der hohen Laufradumfangsgeschwindigkeit besteht sonst die Gefahr, daß an unerwünschter Stelle die Schallgeschwindigkeit überschritten wird.Fig. 8 gives an embodiment of the subject matter of the invention in axial section, while in Fig. 9 a part of the plan view of such a compressor impeller is shown, seen from the upstream side. The compressor inlet 4 has a axial entry of the conveyor. It contains a guide vane system 5 that in particular to reduce the number of entry points of the conveying means into the impeller able. At the high impeller circumferential speed there is otherwise the risk that the speed of sound is exceeded at an undesired point.

Der Einlauf 4 erweitert sich in Strömungsrichtung und weist einen axial angeordneten, die Leitschaufeln 5 innen verbindenden Mittelteil auf, der in Strömungsrichtung stärker wird. Auf diese Weise übernimmt der Einlauf einen wesentlichen Teil der Umlenkung des Fördermediums aus der axialen Richtung in die Richtung, die die Strömung später beim Schalldurchgang haben wird, d. h. in diesem Falle in die radiale Richtung. Aufgabe dieser vor dem Laufradeintritt liegenden, erfindungsgemäßen Umlenkung ist es, im Bereich des Schalldurchgangs des Fördermittels starke Kanalkrümmungen, die zu Störungen Anlaß geben könnten, zu vermeiden.The inlet 4 widens in the direction of flow and has a axially arranged, the guide vanes 5 internally connecting central part, which in Direction of flow becomes stronger. In this way, the enema takes on an essential part Part of the deflection of the pumped medium from the axial direction in the direction that the flow will have later in the passage of sound, d. H. in this case into the radial direction. Task of this lying in front of the impeller inlet, according to the invention It is a redirection, in the area of the sound passage of the conveying means, strong duct curvatures, which could give rise to disturbances to be avoided.

Die Welle 6 trägt das Laufrad 8 und treibt es an. Umschlossen wird das Laufrad von einem Gehäuse 7. Das Laufrad weist auf seinem Kern radiale, im Eintritt umgebogene Schaufeln 9 auf. Eine Deckscheibe ist nicht vorgesehen. Der von den Laufschaufeln und dem Radkörper in Verbindung mit der Gehäusewand gebildete, senkrecht zu den Stromfäden gemessene Strömungsquerschnitt ist gemäß der Formel (5) berechnet. Dabei sind einerseits die Vorschriften über den monotonen Anstieg der Machzahl und andererseits die im Zusammenhang mit Fig.7 erläuterten Bedingungen über die Gestaltung des Austritts berücksichtigt.The shaft 6 carries the impeller 8 and drives it. Is enclosed the impeller of a casing 7. The impeller has radial on its core, in the inlet bent blades 9 on. A cover disk is not provided. The one from the blades and the wheel body formed in connection with the housing wall, perpendicular to the The flow cross section measured by stream filaments is calculated according to the formula (5). Included are on the one hand the regulations on the monotonous increase in the Mach number and on the other hand the conditions explained in connection with FIG. 7 on the design of the outlet considered.

Die für drei charakteristische Laufradströmungsquerschnitte sich ergebenden Geschwindigkeitsdreiecke sind in den Fig. 10, 11 und 12 dargestellt. In diesen Figuren bedeutet: u Umfangsgeschwindigkeit, w Relativgeschwindigkeit, w" Meridiankomponente der Geschwindigkeit, c Absolutgeschwindigkeit und ca örtliche Schallgeschwindigkeit.The resulting for three characteristic impeller flow cross-sections Velocity triangles are shown in FIGS. 10, 11 and 12. In these figures means: u circumferential speed, w relative speed, w "meridian component the speed, c absolute speed and approx local speed of sound.

Fig. 10 gilt für den Laufradquerschnitt 1 (Fig. 8). Alle Geschwindigkeiten sind noch von Unterschallgröße.Fig. 10 applies to the impeller cross section 1 (Fig. 8). All speeds are still subsonic in size.

Fig. 11 gilt für den Querschnitt 2, in welchem die Relativgeschwindigkeit gerade die örtliche Schallgeschwindigkeit erreicht hat. Da die Strömung den gekrümmten Eintrittsbereich der Laufschaufeln mittlerweile verlassen und den Bereich rein radialer Schaufelerstreckung erreicht hat, stimmt auch die Meridiangeschwindigkeit mit der Relativgeschwindigkeit überein. Die Absolutgeschwindigkeit hat bereits vorher die Schallgrenze überschritten. Fig. 12 gilt für den Querschnitt 3 (Lauf radaustritt) . Alle Geschwindigkeiten sind nun von Überschallgröße.Fig. 11 applies to the cross section 2, in which the relative speed has just reached the local speed of sound. Since the flow is curved The inlet area of the rotor blades has now been abandoned and the area is purely radial Has reached the blade extension, the meridian velocity also agrees with the Relative speed. The absolute speed already has the Sound limit exceeded. Fig. 12 applies to cross section 3 (barrel wheel exit). All speeds are now supersonic.

Anschließend expandiert das Fördermittel unter weiterer Beschleunigung, aber ohne weitere Energiezufuhr in den Ringraum 10 (Fig. 8) und erfährt dort, z. $. durch einen koaxialen Verdichtungsstoß, bedeutende Drucksteigerungen, die sich im anschließenden Spiraldiffusor noch vergrößern.Subsequently, the funding expands with further acceleration, but without further energy supply in the annular space 10 (Fig. 8) and learns there, for. $. due to a coaxial shock wave, significant pressure increases, which enlarge it in the spiral diffuser.

Die für den Kanalquerschnitt angegebenen Formeln gelten uneingeschränkt auch für andere Laufradformen als im Beispiel dargestellt, also z. B. auch für vorwärts oder rückwärts gekrümmte Radialschaufeln. Auch ist es für die Gültigkeit der Formeln als Konstruktionsanweisung für die Kanäle unwichtig, ob nur eine isentropische Strömung durch den ganzen Verdichter oder ein oder mehrere Verdichtungsstöße in der Leitvorrichtung oder im Laufrad vorgesehen sind, sofern nur die mit dem Index e gekennzeichneten Randbedingungen gemäß den gerade vorliegenden Bedürfnissen gewählt sind.The formulas given for the duct cross-section apply without restriction also for other impeller shapes than shown in the example, e.g. B. also for forward or backward curved radial blades. It is also important for the validity of the formulas as a construction instruction for the canals, it is unimportant whether there is only an isentropic flow through the entire compressor or one or more compression pulses in the guide device or are provided in the impeller, provided that only those marked with the index e Boundary conditions are chosen according to the needs at hand.

Es kann zweckmäßig sein, ist aber nicht prinzipiell erforderlich, dem erfindungsgemäßen Laufrad gleichgeartete oder andere Verdichterstufen vor- und bzw. oder nachzuschalten. Die Anwendungsmöglichkeit bleibt nicht auf den rein radialen Fall beschränkt, sondern schließt jede teilradiale Verdichterform ein, sofern dem Strömungsmedium nur überhaupt eine Radialkomponente im Laufrad erteilt wird.It can be useful, but is not required in principle, the impeller according to the invention or other compressor stages upstream and downstream or or to be connected downstream. The possibility of application does not remain on the purely radial Case limited, but includes any partially radial compressor form, provided that the Flow medium is only given a radial component in the impeller.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Supersonic centrifugal compressor, characterized in that that the cross-section of the impeller channels decreases steadily with increasing radius in such a way that that the relative speed of the conveying means within the impeller is subsonic Supersonic speed can be increased, preferably also the meridian component Supersonic.

2. Supersonic centrifugal compressor according to claim 1, characterized in that the cross-sections of the impeller channels behave like any cross-section

3. Supersonic centrifugal compressor according to claim 1 or 2, characterized in that that the distance between the channel boundaries measured in a meridian plane in per se known way decreases with increasing radius.

4. Supersonic centrifugal compressor according to claim 1 or the following, characterized in that the cross section of the Impeller channels decreases in such a way that the relative speed at isentropic Flow from the impeller inlet to the impeller outlet increases continuously.

5. Supersonic centrifugal compressor according to claim 1 or the following, characterized in that the flow cross-sections Pass from the impeller into the downstream guide device without kinks.

6. Supersonic centrifugal compressor according to claim 1 or the following with inlet guide device, characterized in that in this the flow is deflected at least approximately in the direction in which the sound passage takes place in the impeller. Considered publications: German patent specifications No. 724 553, 841 784, 872 817, 897 469, Swiss patent specification No. 278 098; British Patent No. 719,479; VDI-Zeitschrift, 1950, Vol. 92, No. 9, pp. 201 to 206; Report 171 of the Lilienthal Society for Aviation Research Berlin, 1943, pp. 92 to 109.