DE1403480C3 - Laufrad für einen Zentrifugalverdichter - Google Patents

Description

sind so gekrümmt, daß die Krümmungsradien der äußeren und inneren Begrenzungswände dieser Abschnitte derart sind, daß ihre Mittel auf einem solchen Kegel liegen. Dann verlaufen die Schaufeleintrittskanten rechtwinklig zu den Wänden des Durch-• gangs, was zu hohem Wirkungsgrad führt.

Zusammenfassend geht aus dem Vorstehenden hervor, daß für eine gewählte Auslegung dünne schraubenförmige Schaufeln geschaffen sind, die dadurch, daß ihre Eintrittskanten auf einem Kegel liegen, richtigen Verlauf des Eintrittswinkels längs dieser Kanten mit den den Eintrittsdurchgang begrenzenden Wänden haben, zu denen diese Kanten rechtwinklig verlaufen. Tatsächlich dünne Schaufeln lassen jedoch nicht die hier in Frage kommende beträchtliche Änderung des Anströmwinkels zu, da sie einen guten Wirkungsgrad nur in einem engen Bereich der Anströmung ergeben:

Wenn angenommen wird, daß eine dünne Schaufel dieser Art entworfen ist, dann kann sie als die Mittelfläche einer dicken Schaufel angesehen werden, die durch das Hinzufügen von Material auf beiden Seiten dieser Fläche aufgebaut ist, wobei die Dicke so aufgebaut wird, daß die maximale Dicke vorzugsweise nicht kleiner als 10°/o und nicht größer als 35% der Schaufelteilung ist, gemessen in der gleichen Entfernung von der Laufradachse. Die maximale Dicke sollte etwas stromabwärts vom Mittelpunkt der Schaufel angeordnet werden. — _^

Als nächstes ist zu berücksichtigen, daß die so geschaffene dicke Schaufel sowohl an ihrer Eintrittskante als auch an ihrer Austrittskante abgerundet wird, um eine glatte Luftströmungsprofilierung zu schaffen. Das Ergebnis würde dann eine massive Schaufel sein, die, wie in F i g. 2 veranschaulicht, eine abgerundete Eintrittskante, wie sie durch die gestrichelte Linie 116 angedeutet ist und eine abgerundete Austrittskante, wie sie durch die gestrichelte Linie 115 angedeutet ist, haben würde. Zwischen diesen abgerundeten Kanten würde die Fläche dieser hypothetischen Schaufel auf ihrer konkaven Seite die konkave Seite des Schaufelteiles 68 und die konvexe Seite des Schaufelteiles 66 darstellen.

Als nächstes wird diese dicke Schaufel hohl gemacht, indem zentrales Material entfernt wird, um eine hüllenartige Schaufel zu schaffen, die Wanddikken besitzt, welche den Abschnitten 66 und 68 in Fig.2 entsprechen. Die nächste Stufe der Ausführungbesteht darin, öffnungen zu schaffen, wie sie in den Fig. 1 und2 bei 117 und 118 gezeigt sind. Die Öffnung 117 wird so ausgebildet, daß die entsprechenden Abschnitte 66 und 68 einer einzelnen Schaufel an ihren Eintrittskanten 67 bzw. 69 in solcher Weise endigen, daß diese Kanten an irgendeinem Radius in einer Fläche enden, die ungefähr rechtwinklig zu dem Strömungsdurchgang am Eintritt verläuft. Das Ergebnis ist, daß die Eintrittskante 69 des vorderen Schaufelabschnittes 68 in der Richtung der Strömung axial jenseits der Eintrittskante des hinteren Schaufelabschnittes 66 liegt. Es sei bemerkt, daß die Eintrittskante 67, wie bereits erwähnt, auf einem Kegel um die Drehachse liegt und rechtwinklig zu der Strömung verläuft, während die Eintrittskante 69 des Schaufelabschnittes 68 radial (oder angenähert radial) ist und auch rechtwinklig zu der auf sie auftreffenden Strömung verläuft.

Eine allgemein ähnliche Ausbildung ist an der Austrittsseite 118 vorgesehen. Die Austrittskante des Schaufelabschnittes 66 endigt kurz vor der Austrittskante des Schaufelabschnittes 68 (in Richtung der Strömung), so daß das Ende der ersteren Kante auf einem Radius von der Drehachse liegt, der kleiner als der Radius der letzteren Kante ist. Das Ergebnis ist, daß jede Schaufel zwischen ihren Begrenzungsabschnitten 66 und 68 einen Durchgang enthält, der bei 117 einen Eintritt und bei 118 einen Austritt hat. Es sei hier bemerkt, daß die Strömung relativ zu dem ίο Laufrad zwischen den Schaufelabschnitten 66 und 68 einer einzelnen Schaufel einen S-förmigen Verlauf hat, während derjenige zwischen benachbarten Schaufeln nur eine einzige Krümmung hat.

Das Ergebnis dieser Ausbildung ist, daß auf Grund der Zentrifugalwirkung bei 119 eine Drucksenke besteht, die eine erzwungene Strömung in die Öffnung 117 hinein, zwischen den Schaufelabschnitten 66 und 68 hindurch und aus der Öffnung 118 heraus erzeugt. Das Ergebnis ist eine erzwungene Drehung der Strömung bei 117, die erforderlichenfalls eine Krümmung der Strömung an den Eintritten der Schaufeldurchgänge bewirkt, weil die Grenzschichten längs des Anfangsteiles der konkaven Seite des Schaufelabschnittes 66 dadurch erregt werden, daß sie weggesaugt werden. Nahe der Schaufeleintrittskante auf dieser Seite des Schaufelabschnittes würde während unrichtiger Strömungswinkelbedin- ^ gungen ein Ablösen der Strömung von der Schaufel ■ eintreten.

Der Nachteil, der eintreten würde, besteht darin, daß die Drehkomponente der absoluten Geschwindigkeit der eintretenden Luft die Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades derart übersteigen würde, daß die Relativgeschwindigkeit der Strömung in bezug auf die Schaufeln mehr oder weniger rechtwinklig zu den Schaufeln verlaufen könnte, so daß so etwas wie eine rechtwinklige Drehung der Strömung erforderlich sein würde, um es der Strömung zu ermöglichen, in den Laufraddurchgang zwischen den Schaufeln glatt einzutreten. Dieser Zustand kann während solcher Arbeitsbedingungen auftreten, bei denen der Luft eine hohe Wirbelkomponente in der Drehrichtung erteilt wird, um zu bewirken, daß das Verdichterrad als Turbine arbeitet, was zum Antrieb der Rotorwelle beiträgt.

Auf Grund der induzierten Strömung eines Teiles der Luft, die durch den Durchgang zwischen den Schaufelabschnitten 66 und 68 einer einzelnen Schaufel hindurchgeht, wird trotz der schlechten Winkelbedingungen die zwischen den Schaufeln hindurchgehende Strömung veranlaßt, sich so zu krümmen, daß sie zwischen den Schaufeln glatt hindurchgeht. Unter den normalen Bedingungen, für welche die Schaufeln ursprünglich entworfen wurden, sind die Eintrittswinkelbeziehungen natürlich richtig, und unter solchen Bedingungen haben die Durchgänge innerhalb der einzelnen Schaufeln zwischen ihren Abschnitten keinen nachteiligen Effekt auf das Strömungsbild am Laufradeintritt. Sie haben jedoch einen höchst günstigen Effekt auf das Strömungsmuster am äußeren Durchmesser des Laufrades. An diesem Durchmesser erreichen die Grenzschichten, die sich auf der Hinterseite üblicher Schaufeln bilden, ihre maximale Dicke, die oft so groß ist, daß die von benachbarten Schaufeln gebildeten Durchgänge von diesen Stagnations- und Wirbelzonen teilweise blokkiert werden und daß der Verlauf der Austrittsgeschwindigkeit längs des Umfanges des Laufrades

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höchst unregelmäßig ist. Diese Bedingungen werden dar: die Art mit radialem Eintritt und radialem Auswesentlich verbessert, und die ernsthaften Strö- tritt, die Art mit axialem Eintritt und radialem Ausmungsverluste, die sich daraus ergeben, werden tritt, die Art mit axialem Eintritt und diagonalem durch die gemäß der Erfindung ausgebildeten Schau- Austritt und die Art mit axialem Eintritt und axialem fein ausgeschaltet. Die Strömung, die zwischen den 5 Austritt.

Schaufelabschnitten induziert wird, wird kurz vor Eine weitere übliche Art der Klassifizierung von

dem Laufradaußendurchmesser in solcher Weise ab- Zentrifugallaufrädern bezieht sich auf die Richtung gegeben, daß die Grenzschichten, die sich gewöhn- der aus dem Laufrad (relativ zu diesem) austretenden Hch an der Hinterseite der Schaufeln bilden würden,' Strömung. Es werden Laufräder hergestellt, die einen erregt und weggeblasen werden, so daß der Verlauf io nach hinten, um 90 ° oder nach vorn gerichteten der Austrittsgeschwindigkeit relativ zu dem Lauf- Austritt haben. Der oben beschriebene Ausbildungsrad in Richtung seines Umfanges sehr gleichmäßig Vorgang für die neue Schaufelart führt, wenn sie auf wird. diese drei Laufradtypen angewendet wird, zu den

Unter Bedingungen der Regelung eines extremen Gestalten und Anordnungen der Schaufeln, wie sie in Druckverhältnisses, unter denen das Laufrad zeitwei- 15 den Fig.4A, 4B und 4C veranschaulicht sind. Diese Hg als Expander oder als Turbine statt als Verdichter Figuren zeigen die konformen Abbildungen des Schnitarbeiten soll, ergeben sich einige weitere Betrachtun- tes der Schaufeln irgendeines der in den F i g. 3 A bis gen für die Ausführung. Damit eine Turbine einen 3D wiedergegebenen Laufräder mit der mittleren guten Wirkungsgrad hat, muß sie mit einem ziemlich Umdrehungsfläche zwischen den Begrenzungen der hohen Wert des Verhältnisses der Schaufelumfangs- ao Strömungsdurchgänge, die sich von dem Eintritt zu geschwindigkeit mit Bezug auf die Austrittsgeschwin- dem Austritt des Laufrades erstrecken,
digkeit arbeiten. Da die Turbinenwirkung des be- Trotz der Unterschiedlichkeit in den drei Schaufel- *-

schriebenen Laufrades in dem Eintritt der Schaufeln ausgestaltungen gemäß den Fig.4A, 4B und 4C ist 'v konzentriert ist, muß die Umfangsgeschwindigkeit leicht zu erkennen, daß auf sie die in Verbindung mit am Eintritt hoch sein, um eine zufriedenstellende 35 den Fig. 1 und 2 gemachten grundsätzlichen Darle-Turbinenleistung zu erzielen. Dies weicht von der gungen zutreffen. In jedem Fall begrenzen die Beiden üblichen Ausführung für gewöhnliche Verdichterrä- Abschnitte jeder Schaufel einen ziemlich dicken Proder ab, die keinerlei Turbinenwirkung zu haben filkörper, dessen Mittellinie von dem geforderten brauchen. Für diese wird die Umfangsgeschwindig- >_ Eintrittswinkel zu dem geforderten Austrittswinkel keit am Eintritt gewöhnlich sVliiedrig wie möglich 30 des Zentrifugallaufrades gekrümmt ist. Dieser Profilgemacht, indem der kleinstmögliche Durchmesser körper ist an dem Eintrittsende (Anströmkante) und des ringförmigen Eintritts verwendet wird, um die an dem Austritt (Abströmende) für den Durchgang Machzahl am Eingang auf ein Minimum herabzuset- von die Grenzschicht erregender Luft in solcher zen und den Zentrifugaleffckt, dem die Luft unter- Weise geöffnet, daß der abströmseitige Schaufelabworfen wird, wenn sie- durch die Laufraddurchgänge 35 schnitt nur einfach gekrümmt ist und sich von der hindurchgeht, auf ein Maximum zu bringen. Gemäß Laufradeintrittsfläche bis kurz vor die ringförmige der Erfindung ist es von Vorteil, das Verdichterrad, Austrittsöffnung des Laufrades erstreckt, während das einen ringförmigen Eintritt mit einem verhältnis- der anströmseitige Schaufelabschnitt, der den andemäßig großen Durchmesser benutzt, derart auszubil- ren Abschnitt auf einer beträchtlichen Strecke in den, daß der mittlere Quadratwert des inneren und 40 Strömungsrichtung überlappt, doppelt gekrümmt ist des äußeren Eintrittsdurchmessers ungefähr. 55 bis und sich von einer stromabwärts von dem Eintritt im 60% des Durchmessers am Austritt des Laufrades Abstand liegenden Stelle vollständig zu der ringförwird. migen Austrittsöffnung des Laufrades erstreckt.

Gleichzeitig ist es erwünscht, daß die radiale Er- Die Arbeitsweise der verschiedenen Schaufelge- (

Streckung der Schaufel am Eintritt nicht mehr als 45 staltungen gemäß der Erfindung ist auch die gleiche, 30 °/o des mittleren Eintrittsdurchmessers beträgt. wie folgt.

Während die beschriebene, gemäß der Erfindung Die die Grenzschicht erregende Luft, die zwischen

ausgebildete Laufradbeschaufelung von besonderem "den Schaufelabschnitten zum Strömen gebracht wird, Vorteil ist, wenn sie in Verbindung mit einer Rege- saugt die Grenzschicht von der freiliegenden Anlung des Druckverhältnisses und der Strömungsge- 50 strömseite des hinteren Schaufelabschnittes weg und schwindigkeit mittels einstellbarer Eintrittsleitschau- verhindert eine Ablösung an diesem Punkt des Einfein verwendet wird, kann sie mit großen Vorteilen tritts unter Arbeitsbedingungen, bei welchen der Anauch für andere Zwecke verwendet werden, um bei- Strömwinkel größer als der Winkel der Schaufel ist. spielsweise den Wirkungsgrad irgendeiner Art eines Unter sämtlichen Arbeitsbedingungen bewirkt die die Zentrifugalverdichters zu verbessern und dessen 55 Grenzschicht erregende Luft ein Wegblasen der dik-Nutzarbeitsbcreich zu erhöhen. ken Grenzschicht, die sich sonst an der Schaufel-

Es sei bemerkt, daß die eben erläuterten Grund- hinterseite in der Nähe ihres Austrittsendes bilden sätze der Ausbildung der Beschaufelung für jede der würde, und gleichzeitig bewirkt diese Luftströmung vier in den Fig. 3A bis 3D veranschaulichten Lauf- zwischen den Schaufelabschnitten, daß die Austrittsradarten anwendbar sind. Diese vier Arten unter- 60 geschwindigkeit zwischen den Schaufeln geglättet scheiden sich voneinander durch die Richtung des und sehr gleichförmig wird. Diese Gleichförmigkeit Eintritts in das Laufrad und die Richtung des Aus- führt zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades der tritts aus dem Laufrad (in einer Meridianansicht ge- Umwandlung der kinetischen Energie, die der Luft sehen), und sie stellen demgemäß folgende Arten von dem Laufrad erteilt wird, in Druck.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 2 Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Patentansprüche: Zeichnung beispielsweise erläutert. F i g. 1 ist eine Seitenansicht gegen die Einlaßseite

1. Lauffad für einen Zentrifugalverdichter, mit eines Laufrades gemäß der Erfindung.

in Abstand voneinander angeordneten Schaufel- 5 F i g. 2 ist eine Teildarstellung, die eine Abwickteilen, die eine periodische Folge von Schaufel- lung einer Projektion des Laufrades auf einen zu diegruppen bilden, dadurch gekennzeich- sem koaxialen Zylinder darstellt,
net, daß die Schaufelteile (66,68) jeder Schau- F i g. 3 A, 3 B, 3 C und 3 D zeigen vier verschiefelgruppe als Wandteile einer am Eintritt und dene Laufradarten, auf welche die Erfindung anAustritt offenen, fiktiven Hohlschaufel mit einer io wendbar ist.

maximalen Dicke von 10 bis 35% der Schaufel- Fig.4A, 4B und 4C veranschaulichen Schaufeln,

teilung gebildet sind. die gemäß der Erfindung ausgebildet sind und die bei

2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekenn- jedem der Laufräder gemäß den F i g. 3 A, 3 B, 3 C zeichnet, daß die Eintrittskanten (67) der hinte- und 3 D angewendet werden können.

ren Schaufelteile (66) auf einem zur Drehachse 15 In den F i g. 1 und 2 ist eine Laufradausführung

konzentrischen Konus liegen, dessen Spitze in für einen Zentrifugalverdichter dargestellt,

eine Richtung weist, die der Zuströmrichtung des Um zu verhindern, daß die Strömung sich von den

zu verdichtenden Mediums zu dem Laufrad ent- Schaufelflächen ablöst und um eine glatte Strömung

gegengesetzt ist. auch bei sich änderndem Anströmungswinkel zu ge-

3. Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch 20 währleisten, wird gemäß der Erfindung die Drehung gekennzeichnet, daß die Teile (66, 68) jeder der Strömung aus der Richtung seiner relativen AnSchaufel zwischen sich einen S-förmigen Durch- strömung in die Richtung der Schaufelkanäle mit gang für den Mediumstrom begrenzen. Hilfe einer Grenzschichterregung induziert, so daß

eine glatte Strömung zwischen den Laufradschaufeln 25 auf dem gesamten Durchgangsweg der Luft vom' Ein-

tritt zum Austritt des Laufrades erzeugt wird. Um die

Grenzschichterregung herbeizuführen, ist es notwen- ·», dig,,daß entweder eine Druckquelle oder eine Druck-

Die Erfindung bezieht sich" aiii ein Laufrad für senke zur Verfügung steht, um eine Strömungsableneinen Zentrifugalverdichter, mit im Abstand vonein- 30 kung hervorzurufen. Gemäß der Erfindung wird ein ander angeordneten Schaufelteilen, die eine periodi- Vorteil aus dem Umstand gezogen, daß in einem sehe Folge von Schaufelgruppen bilden. Zentrifugallaufrad an der Hinterseite jeder Laufrad-

Bei einem bekannten Laufrad dieser Art (britische schaufel nicht weit von ihrem Austrittsende entfernt Patentschrift 496 820) sind die Schaufelteile der eine Drucksenke zur Verfügung steht. Die Ausbil-Schaufelgruppen so ausgebildet und angeordnet, daß 35 dung der Laufradschaufeln ist die folgende:
am Schaufelende, insbesondere bei sich vergrößern- Die Strömung am Eintritt in das Laufrad ist eine

dem Anströmwinkel, die Grenzschichten anwachsen freie Wirbelströmung, bei welcher das Produkt aus und die Strömung zur Ablösung neigt. · der Umfangskomponente der absoluten Geschwin-

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Zentrifugalver- digkeit und dem Radius von der Drehachse konstant dichterlaufrad so auszubilden, daß auch bei Ände- 4° ist. Gleichzeitig ist nahe dem Laufradeintritt stark rung des dem Auslagepunkt entsprechenden An- gekrümmte Strömung in Meridianrichtung vorhanströmwinkels die Strömung im wesentlichen dem den, die eine große Meridiankomponente an der Schaufelprofil folgt. Diese Aufgabe wird gemäß der Außenseite der Einlaßöffnung und eine Verhältnis-Erfindung, ausgehend von einem Laufrad für einen mäßig kleine Meridiankomponente nahe der Lauf- ( : Zentrifugalverdichter der einleitend genannten Art 45 radnabe aufweist.

dadurch glöst, daß die Schaufelteile jeder Schaufel- Wenn von einer Ausführung mit dünnen Laufradgruppe als Wandteile einer am Eintritt und Austritt schaufeln ausgegangen wird und diese Ausführung offenen, fiktiven Hohlschaufel mit einer maximalen für eine ausgewählte Auslegung entworfen werden Dicke von 10 bis 35% der Schaufelteilung gebildet soll, bei welcher optimaler Wirkungsgrad gewünscht sind. 50 wird, bezieht sich die erste Überlegung hinsichtlich

Die Wirkung dieser besonderen Schaufelausbil- der Ausbildung der dünnen Laufradschaufeln auf dung besteht darin, daß nahe dem Austritt bzw. am den Verlauf des Eintrittswinkels längs der Eintritts-Schaufclende eine Drucksenke erzeugt wird, die aus- kanten. Wenn der Krümmungsradius des Eintrittsreichend ist, daß Strömungsmittel in den zwischen durchgangs klein ist, ist es erforderlich, daß der Einden beiden Schaüfelteilen gebildeten Durchgang so 55 trittswinkel an der Schaufelspitze größer als an der gesaugt wird, daß die Strömung in diesem Durchgang Nabe ist. (Das Entgegengesetzte ist bei üblichen Lauf·¹ von diesen beiden Schaufelteilen vollständig einge- rädern der Fall, die allgemein Schaufelelemente haschlossen ist, was bedeutet, daß keine Stelle vorhan- ben, welche durchgehend radial sind, was zu schrauden ist, an der die Strömung nur dem einen Schaufel- benförmigen Schaufelflächen führt, wobei die Eintcil, nicht aber dem anderen Schaufelteil folgt. 60 trittskanten in einer radialen Ebene liegen). Bei Ver-Gleichzcitig wird eine Beschleunigung der Strömung wendung erwünschter schraubenförmiger Schaufeln, am Schaufelende erzielt, so daß auch bei sich ver- bei denen sämtliche Elemente radial sind, wird das größerndem Anströmwinkel die Strömung nicht zur Problem des Verlaufs des Eintrittswinkels dadurch Ablösung neigt und auch die Grenzschichten, insbe- gelöst, daß die Eintrittskantenteile der Schaufeln versondere an der Hintcrscite der Schaufeln, nicht an- 65 längert werden, wie dies in der Zeichnung bei 67 anwachsen. Außerdem wird eine gleichmäßige Vertei- gedeutet ist, so daß die Eintrittskanten auf einem Kelung der relativen Geschwindigkeit in den Schaufel- gel um die Drehachse statt in einer radialen Ebene kanälen erzielt. liegen. Axiale Abschnitte des Eintrittsdurchganges