DE1428136C3

DE1428136C3 - Axialverdichter, -gebläse oder -ventilator

Info

Publication number: DE1428136C3
Application number: DE19621428136
Authority: DE
Inventors: Jan Dr.-Ing. Jerie
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1961-12-15
Filing date: 1962-11-14
Publication date: 1973-01-04
Also published as: DE1428136A1; DE1428136B2; CH402268A; GB961513A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Axialverdichter, -gebläse oder -ventilator mit stehenden bzw. umlaufenden Scliaufelgitlern an Leit- und Laufrädern.

Axialverdichter haben in Gasturbinen eine breite Anwendung gefunden. Sie werden auch in der Industrie benutzt, z. B. für die Winderzeugung im Hochofenbetrieb. Im Vergleich mit Kreiselverdichtern haben die Axialverdichter einen höheren Wirkungsgrad, kleinere Abmessungen und geringeres Gewicht.

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absolute Bahn des Teilchens der verdichteten Luftmasse, alles ohne Hinsicht auf die Verluste betrachtet.

Aus der Fig. Ic geht deutlich hervor, daß im Falle der 50^ft/nigen Reaktion die Bahn der strömenden Luftmasse von der axialen Richtung beträchtlich abgelenkt ist. Die Richtung der absoluten Durchflußgeschwindigkeit ändert sich "in" der ersten und in den

Die bisher üblichen Ausführungen der Axialver- 10 nächsten Stufen in Grenzen, die durch die Winkel \._t dichter sind meistens durch eine ungefähr 50'Voige und \, gegeben sind. Relativ zum Gehäuse der Ma-Reaktion der Beschaufelung charakterisiert. Die so- schine fließt darum das Medium entlang einer Schraugenannte Lieferzahl ψ, die als Verhältnis zwischen der benlinie, deren Form eine wellenartige Verzerrung axialen Durchflußgeschwindigkeit und der Umfangs- aufweist, welche durch die Ablenkung des Stromes in geschwindigkeit u der Schaufeln definiert ist, liegt in 15 Lauf- und Leitradgittern hervorgerufen ist. Wenn die

der Nähe des Wertes 7· = 0,5. Bisweilen wird die Beschaufelung der Axialverdichter auch mit einer höheren Reaktion konstruiert, die sogar H)O¹Vo überschreiten kann. Diese Praxis hängt mit gewissen Versuchsarbeiten zusammen, die gezeigt haben, daß hiermit der Wirkungsgrad gesteigert werden kann.

Die Verdichtung wird in dem Axialverdichter durch die Umwandlung der von dem Rotor der strömenden Luftmasse erteilten kinetischen Energie in Druckenergie erreicht. Die verdichtete Luftmasse fließt dabei angenähert entlang zylindrischer Flächen. Ihre Bahn an diesen zylindrischen Flächen ist durch die Form der Beschaufelung bestimmt. Einige Beispiele der üblichen Ausführungen der gegenwärtig erzeugten Verdichter sind in den Fig. la bis Lc und 2a bis 2 c veranschaulicht. Die gezeigten Beispiele beziehen sich auf eine Stufe mit 50- und J OO'Voiger Reaktion.

Die Fig. 1 a bis Ic gelten für die 5()%ige Reaktion. In

Fig. la sind die
zeichnet;

Fig. Ib zeigt das Schaufelgitter, und in

Fig. Ic ist die Bahn eines Teilchens der verdichteten Luftmasse in gestrecktem zylindrischem Schnitt dargestellt.

Die in den Fig. la, Ib, lc sowie auch in den anderen Figuren benutzten Symbole haben die folgende Bedeutung:

Bahn der Luftmasse von dem Standpunkt des rotierenden Läufers betrachtet wird, kommt man zu dem Schluß, daß diese Bahn d_v, wieder die Form einer Schraubenlinie besitzt, deren Steigung jedoch umgekehrt ist. In diesem Fall ändert sich die Steigung zwischen den Werten \j und \.„ die im Falle der Beschaufelung mit 50%)iger Reaktion den Winkeln a_s,· \₄ gleich sind.
Die Fig.2a, 2b, 2c, die für den Fall der 100°/oigeii Reaktion gültig sind, zeigen deutlich, daß die Steigung der relativ zu dem Läufer und Gehäuse betrachteten Schraubenlinien stark geändert ist. Die relativ zum Gehäuse betrachtete Schraubenlinie hat eine wesentlich höhere Steigung, während die Steigung der relativ zum Läufer betrachteten Schraubenlinie etwas kleiner ist. Infolgedessen ist die Bahn J₁₂ der Luftmasse relativ zu dem Läufer länger, die Bahn J.₁₄ der Luftmasse relativ zum Gehäuse kürzer als in dem ersten oben betrachteten Falle. Die Länge der Durch-

Geschwindigkeitsdreiecke ge- 35 flußbahn hängt von der Steigung der obenerwähnten

Schraubenlinie ab. Die relativ zu dem gegebenen Maschinenteil betrachtete Durchflußbahn verlängert sich mit der abnehmenden Steigung der Schraubenlinien. Die Energieverluste, die von der Bahnlänge abhängen, vergrößern sich darum auch mit der abnehmenden Steigung.

Aus der oben gegebenen Analyse geht deutlich hervor, daß das Bestreben nach der Herabsetzung der Verluste durch eine Verkürzung der Bahn des strömenden Mediums relativ zum Gehäuse mit einer beträchtlichen Verlängerung dieser Bahn relativ zum Läufer verbunden ist. Diese Tatsache hat zur Folge, daß durch die Wahl der verschiedenen Beschaufelungsreaktion nur eine geringe Vergrößerung des Wh-

A Axialrichtung,

w., Strömungsgeschwindigkeiten relativ zu dem Läufer,

■w.,, h>₄ absolute Strömungsgeschwindigkeiten, .

α, bis«, Winkel der Geschwindigkeiten W₁ bis w,, ge- 5< > kungsgrades der Maschine erreicht werden kann. Damessen von der axialen Richtung, durch wird auch erläutert, warum sich verschiedene

... ....... ..'. . . . konstruktive Lösungen von Axialverdichtern — so-

u Umfangsgeschwindigkeit des Laufergitters in dem betrachteten zylindrischen Schnitt, lange es sich um den erreichbaren Wirkungsgrad handelt — voneinander nur unwesentlich unterscheiden

R Laufradgitter, bestehend aus den Profilen der 55 und warum alle in dieser Richtung unternommenen i

Eingriffe nur zu unbedeutenden Resultaten führten.
_u .^Es.^{ist e}'ⁿ regelbarer Axialventilator bekannt, der ^i einer Drehzahl η = 970 U/mm ein Luftvolumen V = 66,6 bis 150 m^:t/sec liefert sowie ein Durchmes-S₀ Leitradgitter vor den Profilen der Eintritts- _6o serverhältnis D¹¹JD' = 1,6 m/0,8 m aufweist (Buch

einzelnen Laufschaufeln,

S Leitradgitter, bestehend aus den Profilen der einzelnen stationären Schaufeln,

schaufeln,

/?,,£, Laufrad- und Leitradgitter der ersten Verdichterstufe,

^der

^Vtfr"

relative Bahn des Teilchens der verdichteten Luftmasse,

Eckert/Schnell »Axial- und Radialkompressoren«, Springer 1961, S. 108, Abb. 96).

Des weiteren gibt es theoretische Untersuchungen, die den gesamten Bereich möglicher Winkel der Strömungsgeschwindigkeiten betrachten. In diesem Zusammenhang ist eine Tabelle bekannt, in welcher Strömungswinkel von 0 bis 80° eingetragen sind (Buch E c k e r t / S c Ii 11 e 11, S. 265, Abb. 293).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Axialverdichter, -gebläse oder -ventilator anzugeben, mit dem die beschriebenen Nachteile der bekannten Konstruktionen beseitigt werden können, insbesondere sollen bessere Wirkungsgrade bzw. kürzere Baulärigen erzielt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Kombination der folgenden an sich bekannten Merkmale:

a) Die Richtung der Durchfiußgeschwiiidigkeit in jedem Raum zwischen den Schaufelgittern ist so gewählt, daß sie von der Axialrichtung höch-

' ' stens um 45° abweicht;

b) die Abmessungen sind so gewählt, daß das Verhältnis des Produkts der Drehzahl und der dritten Potenz des Läuferdurchmessers, gemessen an den Spitzen der Laufschaufeln, zu dem pro Sekunde .verarbeiteten Volumen höchstens 50 beträgt; " · ^_

c) die Schaufeln sind aus Profilen gebildet, deren Dicke 12% der Profilsehnenlänge nicht übersteigt.

Bei dieser Konstruktion wird die Bahn des strömenden Mediums relativ zum Gehäuse und Läufer dadurch gekürzt, daß der Wert der Richtungsablenkung der Durchflußgeschwindigkeit in dem Raum in zwischen den Leit- und Laufradschaufeln von der Axialrichtung höchstens auf 45° begrenzt wird. Als Raum in zwischen den Schaufeln wird der Spalt zwischen den Gittern des benachbarten Lauf- und Leitrades bezeichnet. Der eben erwähnte Eingriff an sich würde jedoch zur unangemessenen Verkürzung der Schaufel führen, und der durch die Verkürzung der Bahn, an welcher in der Maschine die Reibung entsteht,'erreichte Gewinn des Wirkungsgrades würde durch die erhöhten Randyerluste annuliert. Die Verbesserung wird nach der vorliegenden Erfindung erst dadurch erzielt,'daß die Abmessungen des Verdichters zugleich einer anderen Bedingung untergeordnet sind,, nämlich daß das Produkt der dritten Potenz des Außendurchmessers D" und der Umdrehungen, dividiert durch das Durchflußvolumen, höchstens den numerischen Wert 50 annehmen kann. Diese Bedingung kann mathematisch in Form der folgenden Gleichung ausgedrückt werden:

D"^:hi

^50,

wobei

D" = Außendurchmesser, gemessen an den Spitzen der Laufschaufeln (in Metern),
η = Umdrehungen des Verdichters in einer

Minute,
V = Durchflußvolumen in m^:!/sec.

Der Entwurf des Verdichters, Gebläses oder Ventilators, der die obenerwähnten Bedingungen in Betracht nimmt, gewährleistet gleichzeitig eine genügende Länge der Schaufeln und damit auch einen angemessenen Wert der Randverluste. Auch diese Kombination der Bedingungen sichert jedoch nicht die Erreichung der bestmöglichen Resultate. Das Wesen der vorliegenden Erfindung besteht darum in der Verbindung der beiden obenerwähnten begrenzenden Bedingungen mit der dritten Bedingung, die darin bestellt, daß die Leitrad- und Laufradschaufeln aus solchen Profilen gebildet werden müssen, deren Dicke 12% der Profilsehne nicht übersteigt. Die Kombination aller dieser Bedingungen führt zur Verringerung der Abmessungen der Maschine, zur Erhöhung ihres Wirkungsgrades und zugleich zur Herabsetzung der Umfangsgeschwindigkeit, die für die gewünschte Stufenverdichtung nötig ist. Die erfindungsgemäße Lösung des Axialverdichters resultiert in der Herabsetzung des Energieverbrauchs, der für die Gewinnung der zu komprimierenden Luftmasse nötig ist, wodurch gleichzeitig die Anschaffungskosten der Maschine erniedrigt sowie auch der von der Maschine samt Antrieb eingenommene Raum verkleinert werden können. ^:

Das Wesen der vorliegenden Erfindung, das in den vorherigen Abschnitten prinzipiell erklärt wurde, soll nun an Hand des in den Fig. 3a, 3b, 3c schematisch dargestellten Beispiels noch näher und ausführlicher besprochen und erklärt werden. In

F i g. 3 a ist ein Geschwindigkeitsdreieck gezeigt, das für die erfindungsgemäße Verdichteranordnung charakteristisch ist;

Fig. 3b zeigt einen Schnitt.durch die Beschaufelung, und die

F i g. 3 c veranschaulicht in einem gestreckten zylindrischen Schnitt die Bahn des strömenden Mediums relativ zum Läufer (d_t.,) und Gehäuse (d._u).

In F i g. 3 b ist bei den Schaufelprofilen des Laufradgitters der Austrittswinkel der Schaufel mit />'., gekennzeichnet, wobei ji, den Winkel zwischen der Tangente zur Skelettlinie des Profils an der Austrittskante und der axialen Richtung bedeutet. Die Skelettlinie ist der geometrische Ort der Mittelpunkte der in das Profil eingeschriebenen Kreise. Charakteristisch für die erfindungsgemäße Lösung ist die Tatsache, daß bei Einhaltung der obenerwähnten Bedingungen der Austrittswinkel der Läuferschaufel /J₂ den Wert 40° nicht übersteigt. Aus der Beschreibung ist ersichtlich, daß . die erfindungsgemäße Anordnung eine wesentliche Verkürzung der Strömungsbahn relativ zum Läufer sowie auch zum Gehäuse gewährleistet. Im engen Zusammenhang mit diesem Tatbestand steht die Ab-Senkung der Verluste, die von der Größe des umströmten Profils abhängen. Gleichzeitig zeigt das Geschwindigkeitsdreieck deutlich, daß für eine gewisse axiale Durchflußgeschwindigkeit w„ die Umfangsgeschwindigkeit klein ist, so daß bei kleinerem Durchmesser der Maschine und bei niedrigen Umdrehungen hohe Durchflußgeschwindigkeiten erzielt werden können. Dank dem großen Wert der Lieferzahl ist die von dem Läufer auf das strömende Medium übergebene Arbeit auch bei kleinen Umfangsgeschwindigkeiten sehr groß, wodurch eine beträchtliche Stufenverdichtung erzielt werden kann. Die erreichbaren Werte der Druckzahl übersteigen wesentlich diejenigen Werte, die bei den bekannten Ausführungen der Axialverdichter üblich sind. Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung kann natürlich auch in einer Reihe anderer Anordnungen der Geschwindigkeitsdreiecke als derjenigen der F i g. 3 a, 3 b, 3 c realisiert werden. So kann man z. B. durch die Veränderung des Reaktionsgrades die Größe der Stufenverdichtung und die Form der Charakteristik beeinflussen. Wird in diesem Falle die erfindungsgemäße Kombination der drei Bedingungen eingehalten, d. h. die Begrenzung der Ablenkung der Strömungsrichlung von der

axialen Richtung auf Werte, die 45° -nicht übersteigen, die Gültigkeit der Grenzgleichung für die Abmessungen des Verdichters und die Begrenzung der Dicke der Schaufelprofile auf höchstens 12°/o der Profilsehne, wird auch dann eine solche Herabsetzung des Energieverbrauchs, Erniedrigung der Anschaffungskosten und Verminderung der Abmessungen der Maschine samt Antrieb erreicht, wie sie bei dem heutigen Stand der Technik auf diesem Gebiet nicht üblich sind. Für die Merkmale des Anspruchs 2 wird kein selbständiger Schutz beansprucht.

Claims

Patentansprüche:

1. Axialverdichter, -gebläse oder -ventilator mit stehenden bzw. umlaufenden Schaufelgittern an Leit- und Lauf rädern, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden an sich bekannten Merkmale:

a) die Richtung der Durchflußgeschwindigkeit in jedem Raum zwischen den Schaufelgittern ist so gewählt, daß sie von der Axialrichtung höchstens um 45° abweicht;

b) die Abmessungen sind so gewählt, daß das Verhältnis des Produkts der Drehzahl und der dritten Potenz des Läuferdurchmessers, gemessen an den Spitzen der Laufschaufeln, zu dem pro Sekunde verarbeitenden Volumen höchstens 50 beträgt;

c) die Schaufeln sind aus Profilen gebildet, deren Dicke 12°/o der Profilsehnenlänge nicht übersteigt.

2. Axialverdichter, -gebläse oder ^ventilator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tangente zu der .Skelettlinie des Lauf schaufelprofils an der Austrittskante von der axialen Richtung höchstens um 40° abweicht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen