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Luftverdichter mit einer Radialstufe und einer vorgeschalteten Axialstufe
Die Erfindung bezieht sich auf einen Luftverdichter mit einer Radialstufe mit axialem
Eintritt und einer vorgeschalteten Axialstufe, wobei ein Leitschaufelkranz zwischen
den beiden Stufen angeordnet ist.
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Die von einem Verdichter mit radialer Strömung geförderte Luftmenge
hängt vom Außendurchmesser des Verdichters ab. Insbesondere bei Fluggeräten, bei
denen die Außenabmessungen und das Gewicht möglichst klein gehalten werden müssen,
kann der Außendurchmesser nicht über bestimmte Grenzen hinaus vergrößert werden.
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Soll die geförderte Luftmenge ohne Vergrößerung des Außendurchmessers
des Radialverdichters bei Beibehaltung des gleichen Druckverhältnisses dennoch erhöht
werden, dann kann an sich der Außendurchmesser des Einlaßquerschnittes des umlaufenden
Radialverdichterrades vergrößert werden. Verläuft in diesem Fall jedoch die absolute
Strömung am Einlaß des Radialverdichterrades vollständig axial, dann überschreitet
die Relativgeschwindigkeit am Rand des Einlaßquerschnittes bei Berücksichtigung
der in dem axialen Teil des Verdichterrades vorzunehmenden Ablenkung die Schallgeschwindigkeit,
und es treten starke Verdichtungsstöße auf, die zu hohen Verlusten Anlaß geben.
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Es ist bekannt, dem Laufrad eines Radialverdichters einen Eintrittsleitschaufelkranz
vorzuschalten, in dem ein Vordrall im Drehsinn erzeugt wird, der das überschreiten
der Grenzwert-Machzahl verhütet. Nachteilig ist dabei jedoch, daß die äußeren Stromfäden
weniger Energie enthalten als die inneren, so daß höchst unerwünschte Energieverhältnisse
in der Ausgangsströmung des Radialverdichters auftreten.
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Es ist auch bekannt, Radialverdichterstufen Axialverdichterstufen
vorzuschalten, die entweder im Unter- oder im überschallgebiet arbeiten. Auch diesen
Anordnungen lag die Absicht zugrunde, die Leistungsdichte des Radialverdichters
zu steigern. Die Leistungssteigerung beim Einsatz des Axialverdichters, der im Unterschallgebiet
arbeitet, blieb dabei aber hinter den Erwartungen zurück. Bekanntlich führen große
Stufendruckverhältnisse eines Verdichters, die sich durch hohe Umfangsgeschwindigkeiten
erzielen lassen, zu einer Verkleinerung der Abmessungen. Aus diesem Grund müßte
eigentlich die Wahl eines vorgeschalteten überschallaxialverdichters zu einer besseren
Leistungsdichte führen. Dies ist jedoch nicht der Fall, da bei Umlaufgeschwindigkeiten,
die wesentlich größer als die Schallgeschwindigkeit sind, die in den Laufschaufeln
auftretenden starken Verdichtungsstöße zu hohen Verlusten führen. Der theoretische
Vorteil der hohen Umlaufgeschwindigkeit wird damit zunichte gemacht.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Luftverdichter mit einer Radialstufe
mit axialem Eintritt und einer vorgeschalteten Axialstufe zu schaffen, dessen spezifische
Leistung größer ist als die Leistung eines Verdichters, bei dem die Axialstufe im
reinen Unterschallbetrieb arbeitet, bei dem aber die Nachteile vermieden werden,
die sich ergeben, wenn der Axialverdichter im überschallgebiet arbeitet.
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Die gestellte Aufgabe wird bei einem Luftverdichter der eingangs erwähnten
bekannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Leitschaufeln in an sich
bekannter Weise dem in die Radialstufe eintretenden Strom am Außenumfang einen positiven
Drall erteilen und daß die Axialstufe mit ihren äußeren Schaufelbereichen örtlich
im Gebiet niederen Überschalls arbeitet.
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Es hat sich gezeigt, daß bei einem derartigen Aufbau, bei dem der
Verdichter im transsonischen Bereich (Bereich örtlicher geringer überschallgeschwindigkeiten,
d. h. schwacher Stöße und geringer Verluste) arbeitet, eine Vergrößerung der Luftfördermenge
ohne Vergrößerung des Außendurchmessers des Radialverdichters zu erreichen ist.
Der Verdichtungsgrad, der mit dem Luftverdichter nach der Erfindung erzielbar ist,
liegt in der Größenordnung von 6 und damit höher als bei den bekannten Luftverdichtern.
Die
Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.
Es zeigt F i g. 1 schematisch in einem Axialschnitt die Hälfte eines Luftverdichters
nach der Erfindung, F i g. 2 a schematisch einen Schnitt durch eine Laufschaufel
eines Fliehkraftverdichterrades üblicher Bauart in einer zur Drehachse parallelen
Ebene im Bereich des inneren Laufschaufelhalbmessers sowie das zugehörige Geschwindigkeitsdreieck,
F i g. 2b einen entsprechenden Schnitt für den äußeren Laufschaufelhalbmesser, F
i g. 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5 b einen dem Aufbau nach F i g. 1 entsprechend
ausgeführten Verdichter nach der Erfindung ohne Eingangsleitschaufeln, wobei die
Figuren mit dem Index »a« den Bereich des inneren und die Figuren mit dem Index
»b« den Bereich des äußeren Laufschaufelhalbmessers der verschiedenen Schaufeln
zeigen; die F i g. 3 a und 3 b veranschaulichen dabei die Schaufeln, die im örtlichen
Gebiet niederen überschalls arbeiten, während die F i g. 4 a und 4b die Zwischenleitschaufeln
und die F i g. 5 a und 5 b das Fliehkraftschaufelrad betreffen.
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Der in F i g.1 dargestellte Verdichter enthält nacheinander in der
Strömungsrichtung: einen an den beiden konzentrischen Teilen 2, 3 des Stators befestigten
festen Leitschaufelkranz 1, einen Kranz von beweglichen axialen Schaufeln 4, welche
an dem Rotor 5 mit der Achse a-a befestigt sind und ein im niederen überschallbereich
arbeitendes axiales Rad bilden (beispielshalber sei angegeben, daß der Verdichtungsgrad
der beweglichen Schaufeln dieses Rades 1,3 am Fuß der Schaufeln und 1,8 an ihrem
Ende betragen kann), einen festen Leitschaufelkranz 6 und schließlich einen Kranz
von beweglichen radialen Schaufeln 7, deren axialer Eintritt auf die Leitschaufeln
6 folgt. Der Durchlaß zwischen dem Außengehäuse 3 und der Nabe der Schaufeln 4 und
6 konvergiert in Richtung auf das Fliehkraftrad.
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In dem dargestellten Schnitt der Fliehkraftlaufschaufel 7 entspricht
die gestrichelt schraffierte Zone 7a der Vergrößerung des Eintrittsdurchmessers
des radialen Rades. Die lotrecht aufgetragenen Zahlen geben beispielshalber verschiedene
Werte des Durchmessers in Zentimetern an, während die waagerecht aufgetragenen Zahlen
die diesen Durchmessern entsprechenden Umfangsgeschwindigkeiten angeben.
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Der Vergleich der F i g. 2 mit den F i g. 3 bis 5 zeigt das Arbeiten
eines Verdichters nach der Erfindung und den erhaltenen technischen Vorteil.
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Bei diesen verschiedenen Figuren sind folgende Bezeichnungen gewählt:
u für die Drehgeschwindigkeiten, v für die Absolutgeschwindigkeiten (wobei v," der
Wert dieser Geschwindigkeit in der Meridianebene ist), M", für die der Relativgeschwindigkeit
entsprechende Machzahl.
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In F i g. 2 ist der Fall eines Fliehkraftrades üblicher Bauart betrachtet,
welches z. B. einen äußeren Eintrittsdurchmesser von 40 cm und einen Innendurchmesser
von 18,5 cm hat. Der Wert der relativen Eintrittsgeschwindigkeit an dem äußeren
Halbmesser der Laufschaufel entspricht einer Machzahl von 0,9 bei einer Umfangsgeschwindigkeit
von u = 260 m/s.
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F i g. 3 a und 3 b zeigen, daß bei Beibehaltung der gleichen Drehgeschwindigkeiten
und des gleichen inneren Eingangsdurchmessers bei einem Verdichter nach der Erfindung
die im Gebiet niederen überschalls arbeitende Stufe 4 eine vorbereitende Verdichtungsarbeit
leistet, welche an dem äußeren Halbmesser größer als an dem inneren Halbmesser ist.
Aus dem Geschwindigkeitsdreieck der F i g. 3 a geht hervor, daß das Produkt
u - d v" an dem inneren Halbmesser gleich 14 400 ist, während das Geschwindigkeitsdreieck
der F i g. 3 b zeigt, daß dieses Produkt an dem äußeren Halbmesser der im Gebiet
niederen Überschalls arbeitenden Stufe 31000, d. h. etwas mehr als das Doppelte
erreicht.
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F i g. 4 a und 5 a zeigen, daß an dem inneren Halbmesser die festen
Leitschaufeln 6 die Geschwindigkeit des Strömungsmittels axial vor seinem Eintritt
in das Fliehkraftrad ausrichten.
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F i g. 4b und 5b zeigen, daß diese Leitschaufeln 6 an dem äußeren
Halbmesser die Absolutgeschwindigkeit des aus der im Gebiet niederen Überschalls
arbeitenden Stufe austretenden Strömungsmittels nicht vollständig ausrichten, so
daß die Schräglage dieser Geschwindigkeit zusammen mit der Umfangsgeschwindigkeit
gestattet, eine Machzahl der gleichen Größenordnung wie bei Fig.2b zu erhalten,
jedoch mit einem äußeren Eingangsdurchmesser des Rades, welcher von 40 auf 45,4
cm gestiegen ist, wobei sich die Umfangsgeschwindigkeit entsprechend vergrößert
hat.