DE1528762B2

DE1528762B2 - Mehrstufiger Radialverdichter

Info

Publication number: DE1528762B2
Application number: DE1528762A
Authority: DE
Inventors: Kenton Dent Scotia N.Y. Mcmahan (V.St.A.)
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1962-02-27
Filing date: 1963-02-14
Publication date: 1974-11-07
Also published as: GB1024584A; US3171353A; DE1528762A1

Description

Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Radialverdichter mit sprialigen Umlenkkanälen und etwa radialen Rückführkanälen zum Saugmund des Laufrades der nächsten Stufe.

Ein derartiger mehrstufiger Radialverdichter mit spiraligen Umlenkkanälen und mit etwa radialen Rückführungskanälen zum Saugmund des Laufrades der nächsten Stufe ist durch die USA.-Patentschrift 2 868 440 bekannt. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diesen bekannten Radialverdichter zu verbessern, und zwar bezüglich einer Reduzierung von Ströniungs- und Reibungsverlusten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die radialen Rückführkanäle wandfrei ausgebildet sind. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß die bei dem bekannten Radialverdichter durch die Begrenzungswände der Rückführkanäle verursachten Reibungs- und Wirbelverluste erfindungsgemäß vermieden werden. Außerdem ergibt sich noch der Vorteil einer Vereinfachung der Bauweise.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist am Austritt der spiraligen Umlenkkanäle eine an sich bekannte Winkelübertreibung vorgesehen. Hierdurch wird erreicht, daß die Impulsresultierende in etwa mit der mechanischen Mittellinie des Kanals übereinstimmt, so daß die Strömung mit keiner oder nur mit äußerst geringer Drehkomponente in den Einlauf der nächsten Stufe eintritt.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung dient die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, welches in der Zeichnung schematisch dargestellt ist. In der Zeichung zeigt

Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen mehrstufigen Radialverdichters, der in jeder Stufe 5 gleich große und auf gleiche Abstände verteilte Radialstrahlen aufweist, welche am Austritt der spiraligen Umlenkkanäle mit Winkelübertreibungen jeweils versehen sind,

F i g. 2 einen Querschnitt längs Linie 2-2 in F i g. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt längs Linie 3-3 in Fig. 1,

Fig. 4 einen Schnitt in Umfangsrichtung längs Linie 4-4 in Fig. 3,

Fig. 5 einen Teil des Querschnitts gemäß Fig. 3 in vergrößertem Maßstab und mit der Darstellung von Vektordiagrammen.

In F i g. 1 bis 5 ist ein mehrstufiger Radialverdichter 10 gemäß der Erfindung dargestellt, der zur Kompression von Gasen oder Dämpfen dient und als dreistufiger Verdichter ausgebildet ist. Es können jedoch auch mehr als drei Stufen vorgesehen sein.

Der Verdichter 10 wird durch einen mit Hilfe von Stiftschrauben 17 befestigten Motor 11 angetrieben.

der eine in Lagern 18 gelagerte Welle 12 aufweist. Der Verdichter 10 weist ein Gehäuse 13 auf, welches axial von der Motorwelle 12 durchsetzt wird und in welchem drei Stufen von mit der Welle verkeilten bzw. anderweitig verbundenen Schaufelrädern 14 vorgesehen sind. Ein mit der Motorwelle 12 verbundenes Lüfterrad 15 bläst zwecks Kühlung des Motors 11 Luft über dessen Körper und insbesondere durch nicht dargestellte Rippendurchgänge, welche daraufhin in einen offenen Zwischenraum 16 abgegeben wird, von

¹S wo aus sie zur Einlaßseite des Lüfters zurückgelangt. Der Verdichter 10 besteht aus mehreren praktisch kreisförmigen, scheibenartigen Teilen, die jeweils an einem anderen derartigen Teil befestigt sind, und besitzt ein am Einlaufende vorgesehenes Schaufelradgehäuseteil 20 für die erste Stufe, dazwischenliegende Schaufelradgehäuseteile 21, Zwischenstufenteile 22 zum Umlenken des Gases von der Auslaßseite des Schaufelrades einer Stufe zum axialen Saugeinlauf des Schaufelrades der nächsten Stufe, ein Zwischenstufenteil 22a, das biß--äuf_tjen mit Gewindebohrungen zur Aufnahme der Stiftschrauben 17 versehenen Motor-Stirndeckelflansch 19 und geringfügige Änderungen der Umlenkkanalauslässe zwecks Abänderung ihrer radialen Einwärtsrichtung in Axialrichtung dem Teil 22 ähnlich ist, sowie einen stirnseitigen Spiralumlenkkanal-Auslaßring 23 für die letzte Stufe. Sämtliche scheibenförmigen Teile 20, 21 und 22 sind mit Hilfe von Stiftschrauben 25 mit ihren Stirnflächen aneinander liegend in einer Reihe hintereinander am Teil 22a befestigt. Auf ähnliche Weise sind der Stirnring 23 sowie ein kombiniertes Gasauslaß- und Motor-Lüfter-Gehäuseteil 24 mit Hilfe von Stiftschrauben 25a miteinander verbunden und vervollständigen den mehrstufigen Verdichter 10.

Das Schaufelradgehäuseteil 20 der ersten Stufe weist eine zentrale Einlauföffnung 26 auf, durch welche die zu verdichtende Ansaugluft bzw. -gas dem mit einer Anzahl von in Umfangsrichtung auf Abstände verteilten Schaufeln 28 versehenen ersten Schaufelrad 14 zugeführt wird. Die Schaufeln 28 sind bezüglich ihrer Drehrichtung an den vorderen Flächen konkav ausgebildet und am Außenumfang bzw. ihren Auslaßenden im allgemeinen nach vorn gekrümmt, während ihre Einlaßabschnitte 29 nach außen und vorn geneigt

sind, um die' Strömung von der Einlauföffnung 26 wirksam und ohne Strömungsstörungen aufzunehmen. Um das Schaufelrad 14 herum ist ein Radialdiffusor 30 für die erste Stufe vorgesehen, der dazu dient, die Geschwindigkeit in Druck umzuwandeln. Um den Diffusor 30 herum ist eine Anzahl von einander ähnlichen, am Umfang, liegenden Umlenkkanälen 31 in Form von Evolventen-Spiralen vorgesehen, von denen fünf auf gleiche Abstände verteilte Spiralen dargestellt sind. Diese spiraligen Kanäle dienen dazu, die vom Diffusor kommende Luft zu sammeln und sie auf Grund ihrer Drehbewegung zur Abgabe an die nächste Verdichterstufe durch diesen Bereich hindurchzudrängen.

Gemäß der Zeichnung besitzt das Gehäuse 13 praktisch kreisförmigen Querschnitt und die spiraligen Kanäle 31 folgen gewissermaßen der Kreisform des Gehäuses und enden in an dessen Innenseite auf gleiche Abstände verteilten Auslässen 32. Die spirali-

gen Kanäle 31 besitzen jeweils eine sich in Richtung auf ihren Auslaß 32 erweiternde Querschnittsform und dienen auf diese Weise nicht nur als Auslaßleitungen, sondern auch als Diffusoren zur Umwandlung der Geschwindigkeit des Gases in Druck.

Am Auslaß 32 jedes spiraligen Umlenkkanals 31 einer Stufe ist ein Krümmungsabschnitt 33 vorgesehen, mit dessen Hilfe das Gas vom Auslaß in Form eines Strahls radial einwärts durch einen radialen Rückführkanal 34 zum Saugeinlauf 35 der nächsten Stufe geleitet wird.

Bei der Umlenkung der Gasströmung durch den Krümmungsabschnitt radial nach innen verdichtet sich auf Grund der Fliehkraft die Gasströmung von der inneren Biegungsseite des Krümmungsabschnittes zu dessen äußerer Biegungsseite. Auf diese Weise wird ein resultierender Strahlimpuls erhalten, der gegenüber der geometrischen Mittelachse des Strahls bzw. gegenüber der Mittellinie des radialen Rückführungskanals versetzt ist, so daß die Gasströmung beim Eintritt in den Einlauf der nächsten Stufe eine Drehbewegungskomponente erhält. Um diese Drehbewegung und die dadurch verursachten Zwischenstufen-Leistungsverluste zu verhindern, ist der am Austritt der spiraligen Umlenkkanäle 31 vorgesehene Krümmungsabschnitt mit einer an sich bekannten Winkelübertreibung ausgebildet. Zu diesem Zweck verläuft die auf der Innenseite des Krümmungsabschnitts 33 gelegene Biegung 36, von der die Strömung sich beim Durchströmen des Krümmungsabschnitts abzureißen trachtet, über einen Winkelbereich, der eben ausreicht, die Strömung in ausreichendem Maße von dem spiraligen Kanal 31 nach innen in den radialen Rückführungskanal 34 zu lenken. Die stromab liegende äußere Biegung 37 des Krümmungsabschnitts 33 verläuft dagegen über einen größeren Winkel, als erforderlich wäre, um die Strömung radial nach innen umzulenken. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich beispielsweise die äußere Biegung 37 über einen Winkel von etwa 150°, während sich die innere Biegung 36 nur über einen Winkel von etwa 90° zu erstrecken braucht, um die Strömung radial nach innen abzulenken. Durch diese Winkelübertreibung des Krümmungsabschnitts 33 wird die Tendenz der Strömung, sich auf der Seite der äußeren Biegung 37 zu verdichten, ausgeglichen, wodurch der resultierende Impuls der in den radialen Rückführungskanal 34 eintretenden Strömung praktisch mit der Mittellinie dieses Kanals übereinstimmt und durch die Achse des Einlaufs 35 verläuft. Die in den Einlauf 35 eintretende Gasströmung besitzt daher keine Drehbewegungskomponente, und es treten keine dadurch bedingten Leistungsverluste auf.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung liegt in der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform darin, daß die radialen Rückführungskanäle 34 jeder Stufe frei von Begrenzungswänden an den in Umfangsrichtung im Abstand voneinander entfernten Seiten 45 der Strömungsstrahlen bis zum Einlauf 35 der nächsten Stufe sind. Durch das Fehlen dieser Begrenzungswände werden Grenzschicht-Reibungswiderstände vermieden, wird die Bildung von normalerweise durch derartige Wände eingeleiteten Wirbelströmungen verringert und werden das Gewicht und die Herstellungskosten des Verdichters gesenkt. Das Fehlen von Begrenzungswänden an den Stellen, an welchen die sich vereinigenden Radialströmungen in der Nähe des Einlaufs 35 der nächsten Stufe zusammenströmen, dient außerdem auch dazu, alle Wirbelströmungen, welche sich an den Grenzschichten der Strömungsstrahlen gebildet haben können und von diesen mitgeführt wurden, aus diesen Strahlen herauszudrücken und zu beseitigen, und gewährleistet, daß sich die zusammenlaufenden Strömungen derart vereinigen, daß ein praktisch wirbelfreier Axialfluß zum und durch den Einlauf hervorgebracht wird..

In den Vektordiagrammen gemäß Fig. 5 ist die

ίο Wirkung der durch Wände unbehinderten Vereinigung der zusammenlaufenden Radialströmungen in der Nähe des Einlaufs 35 dargestellt. Aus dieser Figur geht hervor, daß der als ein durch die Resultierende J j seines Impulsmoments dargestellter Strahl aus dem Krümmungsabschnitt 33 austretende Gasstrom auf Grund des Fehlens von Begrenzungswänden an seinen in Umfangsrichtung im Abstand voneinander entfernten Seiten sich an jeder Seite geringfügig um den Winkel b verbreitert, welcher bei der dargestellten Aus-

ao führungsform der Erfindung etwa 3° beträgt, und dabei durch die Kreispfeile e_x und e_y angedeutete Grenzschicht- und Wandwirbel erzeugt. Diese Wirbelströmungen werden durch das Hindurchströmen des Strahls durch die spiraligen Kanäle 31 und den Krümmungsabschnitt 33 hervbr.geT)racht. Der Strahl /, schließt außerdem auch eine geringe Gasmenge aus den freien Ruhezonen 46 zwischen den einzelnen Strahlen in sich ein.

Bevor der Strahl sein Segment des Schaufelradeinlaufs 35 erreicht, trifft ein an einer Seite des Strahls J₁ liegender Grenzschichtabschnitt, dessen Impulsmoment durch den Vektor j angedeutet ist, auf den an der angrenzenden Seite des Strahls J₂ vorhandenen Grenzschichtabschnitt des Strahls J₂ auf, dessen Impulsmoment durch den Vektor j_xm bezeichnet ist, wobei der Auftreffwinkel zwischen diesen Grenzschichtabschnitten kleiner ist als 90°. Gleichermaßen trifft an der anderen Seite des Strahls J₁ ein Grenzschichtabschnitt desselben mit einem durch den Vektor J_xm bezeichneten Impulsmoment an der benachbarten Seite des Strahls J₅ auf einen Grenzschichtabschnitt mit einem dem Vektor j_ym entsprechenden Vektor auf. Das elementare Strahlimpulsmoment j kann in eine Radialkomponente j und in eine Tangentialkomponente j_xml zerlegt werden. Da das elementare Impulsmoment j_ym an einer Seite des Strahls J_x dem Moment j_xmt unmittelbar entgegengerichtet ist und da das Moment j etwas größer ist als das Impulsmoment j_xml, vereinigen sich die beiden Strahlen J₁ und J₂ längs der gekrümmten Bahn P. Ein ähnlicher Zustand ist auch an der anderen Seite des Strahls J₁ vorhanden. Das Zusammenwirken der nicht durch Begrenzungswände behinderten Grenzschichten benachbarter Strahlen hat nicht nur zur Folge, daß der Grenzschichtstrom radial einwärts geleitet wird, sondern verursacht außerdem auf Grund der einander entgegengerichteten Kräfte an diesen Grenzschichten ein Gegeneinanderpressen der Wirbelströmungen e_y und e_x. Da sich die Wirbel e entgegen dem Uhrzeigersinn

und die Wirbel e_x im Uhrzeigersinn drehen, werden diese sich entgegengesetzt drehenden Wirbelströmungen unterdrückt und beseitigt, wodurch die Zwischenstufen-Leistungsverluste vermindert werden. Ein anderes Erfordernis für die wirksame Unterdrükkung der Wirbelströmungen ist eine weitere, fortlaufend zunehmende kleine Verringerung des Strömungsquerschnitts jedes Strahls vom Auslaß des Krümmungsabschnitts 33 zu einem unmittelbar au-

ßerhalbdes Einlaufs 35 der nächsten Stufe längs eines sich über den Winkelbereich Θ gemäß F i g. 5 erstrekkenden Zylindersegments. Zur noch weiteren Unterdrückung von Wirbelströmungen ist eine weitere, fortlaufend zunehmende Querschnittsverringerung zwischen dem Strömungsbereich unmittelbar außerhalb des Einlaufs der nächsten Stufe längs eines vom Winkel Θ überspannten Zylindersegments (Fig. 5) und dem gesamten Strömungsquerschnitt des Einlaufs 35 in der durch die Strahlen unterteilten, im rechten Winkel zur Schaufelradachse liegenden Ebene von Vorteil. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die kombinierte Reduzierung des Strömungsquerschnitts zwischen dem Querschnitt des Krümmungsabschnitts 33 und dem entsprechenden Teil der genannten Gesamt-Einlauffläche etwa 25 %.

Die beschriebene Grenzschichtwirkung der radialen Rückführungsströmungen hat zur Folge, daß jeder Strahl das Einlaufsegment Θ = 360°/« ausfüllt, worin η die Anzahl der radialen Strömungsstrahlen jeder Verdichterstufe bedeutet. Im Fall des dargestellten Ausführungsbeispiels erstreckt sich somit das von jedem Strahl eingenommene Einlaufsegment Θ über einen Winkel von 72^J.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mehrstufiger Radialverdichter mit spiraligen Umlenkkanälen und etwa radialen Rückführkanälen zum Saugmund des Laufrades der nächsten Stufe, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Rückführkanäle (34) wandfrei ausgebildet sind.

2. Mehrstufiger Radialverdichter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Austritt der spiraligen Umlenkkanäle (31) eine an sich bekannte Winkelübertreibung (36, 37) vorgesehen ist.