DE1626542A1

DE1626542A1 - Luftstossduese fuer Turbinen oder Turbolader-Kompressoren und Verfahren zur Anwendung des Luftstossprinzips

Info

Publication number: DE1626542A1
Application number: DE19681626542
Authority: DE
Inventors: Bernson Elmer Rudolph; Engel Hans William
Original assignee: Caterpillar Tractor Co
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1967-04-20
Filing date: 1968-03-01
Publication date: 1971-01-21
Also published as: GB1221344A; FR1555273A; US3396534A

Description

Luftstoßdüse für Turbinen oder Turbolader-Kompressoren und Verfahren zur Anwendung des Luftstoßprinzips

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein verbessertes Gehäuse mit einem in diesem drehbar angeordneten Rotor, der mit einem Gas unter periodisch wechselnden Drücken in dem gesamten Gehäuse zusammenwirkt. Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf einen Turbolader-Kompressor, der dazu dient, einem Motor Luft zuzuführen, wobei der Kompressor einen mit Schaufeln ausgebildeten Rotor und in dem Kompressorgehäuse Luftstoßdüse?» aufweist, durch die versuchtete Luft hindurchgeht, um auf die Schaufeln des Rotors als eine Strahlhilfe zur Erzielung starker Beschleunigung des Motors auftrifft, und wobei die Düsen an bestimmten Stellen um das Gehäuse angeordnet sind, um

die Entstehung resonanter Schwingungszustände in dem Rotor zu verhindern. 009 8 84/1742

Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtidi.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann

3 ίΥ,OMCHEM 2, THERESIENSTRASSE 33 ■ Telefon. 281202 · Telegramm-Adresse, Lipalli/MOndun

Die Verwendung von Luftstoßdüsen ist in der Technik bekannt. Wenn jedoch Luft unter Druck durch mehrere Öffnungen in einem Rotorgehäuse eingeführt wird, um mit dem Rotor zusammenzuwirken, müssen die Eigenschaften des Rotors sorgfältig auf das Rotorgehäuse abgestimmt werden, um die Vibration des Rotors innerhalb der Sicherheitsgrenzen zu halten. Das Problem ist besonders schwerwiegend bei einem Rotor, der in radialer Richtung verlaufende Schaufeln aufweist, die mit der Mt in dem Gehäuse zusammenwirken. Die Schaufeln eines derartigen Rotors haben eine natürliche Vibrationsfrequenz, die in Schwingungsperioden pro Sekunde ausgedrückt werden kann. Luft, die durch mehrere Öffnungen in dem Gehäuse in die Rotorkammer gelangt, bewirkt, daß Zonen hohen Druckes periodisch je nach der Stellung der Öffnungen in der Rotorkammer entstehen und auf die Rotorschaufeln wirken. Da eine Wechselwirkung zwischen den Schaufeln und den Zonen hohen Druckes periodisch um die Rotorkammer herum auftritt, können harmonische Kräfte erzeugt werden, die mit der natürlichen Frequenz der Schaufelschwingung zusammenfallen, um dadurch einen unerwünschten Resonanzzustand in dem Rotor und insbesondere in den Rotorschaufeln zu bewirken.

Eine übliche Lösung zur Vermeidung eines derartigen resonanten Vibrationszustandes bestand darin, einen Teil der Rotorschaufeln abzuschneiden, um ihre natürliche Vibrationsfrequenz zu ändern, so daß in der Umgebung der Schaufeln der resonarvte Zustand nicht entsteht. Dieses allgemeine Verfahren ist jedoch in den Fällen nicht wirkungsvoll, in denen der Rotor einen weiten Drehzahlbereich aufweist, da bei einer anderen Drehzahl ein neuer resonanter !in stand ohne weiteres auftreten kann. Eine andere Lösung bestand darin,

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die Öffnungen in dem Gehäuse, durch die die Luft für den Aufprall auf dem Rotor gelangt_r neu auszurichten. Derartige Versuche beruhten aber auf einer Versuchs- und Fehlergrundlage einer rein willkürlichen Verteilung, die zeitraubend und teuer ist, und die ebenfalls durch einen großen Drehzahlbereich erschwert wird.

Die vorliegende Erfindung sieht ein verbessertes Rotorgehäuse mit mehreren Öffnungen vor, bei dem das durch die Öffnungen gelangende Gas ebenfalls mit einem Rotor zusammenwirkt, der in dem Gehäuse drehbar angeordnet ist, wobei jedoch die Öffnungen an bestimmten Stellen angeordnet sind, um resonante Vibrationszustände in dem Rotor über seinen gesamten Drehzahlbereich zu verhindern, in dem das durch die mehreren Öffnungen eindringende Gas auch mit dem Rotor zusammenwirkt. Ein derartiger Rotor hat eine natürliche Vibrationsfrequenz und verschiedene Vibrationsbereiche, die durch die natürliche Vibrationsfrequenz und den Drehzahlbereich des Rotors in der Rotorkammer hervorgerufen werden. Die durch die vorliegende Erfindung geschaffene Verbesserung besteht darin, daß jede der Öffnungen an einer Stelle entlang einer bestimmten Anzahl von Radien angeordnet ist, die in rechtem Winkel von der Achse der zylindrischen Rotorkammer ausgehen und die Kammer in gleiche Sektoren unterteilen, wobei die bestimmte Anzahl der Radien eine Primzahl gegenüber den Zahlenwerten der Vibrationsbereiche ist, die eine Punktion der natürlichen Vibrationsfrequenz des Rotors und des Drehzahlbereichs sind, in dem der Rotor sich drehen soll, während das Gas mit ihm zusammenwirkt.

Die Erfindung sieht ferner ein Verfahren zur Anwendung des Luftstoßprinzips vor, bei dem die Gasströme so gelenkt werden,

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daß sie auf den Rotorschaufein mindestens teilweise anders auftreffen, als wenn die Rotorschaufein sich je nach ihrer natürlichen Vibrationsfrequenz in einer vorwärtsgerichteten Vibration befinden. Die vorliegende Erfindung geht deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels hervor, in der Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen wird.
In den Zeichnungen sind

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Industrie-Luftkompressors mit einer Antriebsmaschine, einem Turbolader-Kompressor (teilweise im Schnitt dargestellt), der dazu dient, der Antriebsmaschine Luft zuzuführen, und einer Steuerung zur Zufuhr von Druckluft in die Rotorkammer des Turbolader-Kompressors, Fig, 2 eine Schnittansicht des Rotors und der Rotorkammer

des in Fig. 1 gezeigten Turbolader-Kompressors, Fig, 3 eine Sehnittansicht entlang der Linie IU-IJI in

Fig. 2, in der eine der Düsen in ihren Einzelheiten gezeigt ist, durch die die Druckluft in die Rotorkammer eingeführt wird,

Fig. 4 eine graphische Darstellung, in der die Vibrationsbereiche eines Rotors mit einer gegebenen natürlichen Vibrationsfrequenz und einem gegebenen Drehzahlbereich veranschaulicht sind, währenddessen die Luft durch die Düsen gelangt, um mit den Rotorschaufeln zusammenzuwirken.

Wenngleich die vorliegende Erfindung unter besonderer Bezugnahme auf eine Luftverdichterimlage gemäß Fig, i beschrieben ist,

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bezieht sich die Erfindung allgemein gesehen auf jede Turbine, die einen Rotor aufweist, der mit einem durch mehrere Öffnungen in das Rotorgehäuse gelangenden Gas zusammenwirkt.

In Fig. 1 ist ein Turbolader 11 der Luftverdichteranlage gezeigt. Er weist einen Kompressor 12 auf, der dem Ansaugstutzen eines Motors 14 Luft zuführt und von einer Turbine 17 angetrieben wird, die ihrerseits von dem Auspuff des Motors angetrieben wird. Der Kompressor 12 ist über ein Regulierventil 18 mit einer unabhängigen Druckluftquelle 16 verbunden, beispielsweise mit dem Empfänger der Luftverdichteranlage. Das Regulierventil 18 spricht auf den Druck in dem Ansaugstutzen 13 des Motors an, der über eine Verbindungsleitung 19 mit dem Regulierventil verbunden ist. Wenn der Druck in dem Ansaugstutzen 13 unter einen bestimmten Wert sinkt, verbindet das Ventil 18 die Druckluftquelle 16 mit dem Kompressor, wodurch der Turbolader bei der Zufuhr von Luft zu dem Motoransaugstutzen 13 unterstützt wird und es dem Turbolader ermöglicht wird, eine erhöhte Luftzufuhr zu dem Luftansaugstutzen des Motors im Verhältnis zu derjenigen Luftmenge zu liefern, die normalerweise durch den Turbolader geliefert wird, wenn der Motor und demzufolge auch der durch den Auspuff des Motors angetriebene Turbolader nit geringer Drehzahl laufen. Die geregelte Luftzufuhr wird nicht nur der dem Motor zugeführten Luftmenge hinzugefügt, sondern beschleunigt auch den Turbolader und erhöht dadurch die liftmenge, die in die Ansaugöffnung des Turboladers gelangt und in den Ansaugstutzen des Motors gedrückt wird. Dieser Vorgang wird allgemein als eine Strahlhilfe bezeichnet, durch die eine starke Beschleunigung des Motors hervorgerufen und das bekannte Problem

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des Zurückbleibens des Turboladers vermieden oder auf ein Mindestmaß verringert wird. Das Regulierventil 18 ist also so eingestellt, daß es Druckluft liefert, die als Strahlhilfe bei dem Turbolader-Verdichter über einen bestimmten Drehzahlbereich des Turboladers wirkt, in dem es wünschenswert ist, das Maß der Beschleunigung des Motors zu erhöhen.

Wie in dem in Fig. 1 als Schnitt und auch in Fig. 2 gezeigten Teil des Turbolader-Kompressors 12 ersichtlich ist, umschließt das Kompressorgehäuse 21 eine im wesentlichen zylindrische Rotorkammer 22 und weist einen Rotor 23 mit mehreren radial verlaufenden Rotorschaufeln 2k auf, der in dem Gehäuse drehbar angeordnet ist. Das Kompressorgehäuse bildet ferner einen geschlossenen Luftdurchgang 26, der im allgemeinen ringförmig ist und am äußeren Umfang der radial verlaufenden Schaufeln des Rotors angeordnet ist. Der ringförmige Luftdurchgang des Kompressorgehäuses steht über eine Leitung 27 in Verbindung mit dem Regulierventil 18. Um den Eintritt von Druckluft aus dem ringförmigen Luftdurchgang 26 in die Rotorkainmer zu gestatten und der Luft zu gestatten, auf die Rotorschaufeln einzuwirken, sind mehrere Öffnungen oder Busen vorgesehen, die von dem Kompressorgehäuse zwischen dem ringförmigen Luftdurchgang 26 und der Rotorkammer 22 gebildet werden.

Die vorliegende Erfindung sieht eine Verbesserung bei Rotorgehäusen wie bei dem Kompressorgehäuse 21 genäß Flg. 1 vor, bei den die mehreren Düsen 23 um den Uafang des Eotors nach einest beistimmten Plan angeordnet sind, durch den Resonaiizzustände in den Rotorschaufeln verhindert werden und die Zeit und Kosten verringert werden, die für die Herstellung eines solchen Gehäuses aufgewendet

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werden müssen. Ferner braucht aufgrund der Anordnung der Öffnungen nach dem bestimmten Plan keine Änderung der Kompressoreinzeltexle wie z.B. der Rotorschaufeln vorgenommen werden, und infolgedessen können die optimalen Bearbeitungstoleranzen zwischen dem Rotor und dem Gehäuse aufrechterhalten werden.

Wenn der Rotor sich in dem Gehäuse mit einer bestimmten Drehzahl dreht und seine Schaufeln mit der natürlichen Frequenz vibrieren, findet eine bestimmte Anzahl von Schaufelschwingungen während jeder Umdrehung des Rotors statt. Derjenige Zustand, bei dem die Drehzahl ein gerades Vielfaches der natürlichen Vibrationsfrequenz der Schaufeln ist, und bei der demzufolge die Anzahl der Schaufelvibrationen pro Umdrehung des Rotors eine ganze Zahl ist, wird als ein Vibrationsbereich bezeichnet. Da der Rotor sich über einen gegebenen Drehzahlbereich dreht, kann er zahlreichen Bedingungen mit verschiedenen Vibrationsbereiehen unterliegen. Wenn beispielsweise die Rotorschaufeln eine natürliche Vibrationsfrequenz von 7000 Perioden pro Sekunde haben, tritt der 12. Vibrationsbereieh bei 35000 u/mir auf, der Ii. Vibrationsbereieh bei 38200 U/min, und der 10. Vibrationsbereieh bei 42000 U/min.. Es ist also ersichtlich, daß ein resonanter Zustand der Schaufelvibration dann stattfindet, wenn, die Druckänderungen in der Rotorkammer um den Rotor in gleichen Sektoren verteilt sind, die dem Vibrationsbereieh entsprechen, dem der Rotor und seine Schaufeln unterliegen.

Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Fig. 2 und 4 sei angenommen, daß der Turbolader il und der Kompressor 12, der ein Teil des Turboladers ist (wie in Fig. 1 gezeigt) zum Zwecke der beispielsweisen Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung eine Betriebsdrehzahl von bis etwa 70000 U/min, haben. Um die gewünschte Beschleunigung des Motors zu erzielen und den Effekt des Zurück-

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bleibens des Turboladers zu überwinden, ist das Regulierventil 18 so eingestellt, daß es dem Kompressorgehäuse über die Leitung 27 über einen Drehzahlbereich des Turboladers von 3OOOO-56OOO u/min. Druckluft zuführt. Ferner haben die Schaufeln 24 des Kompressorrotors 23 eine natürliche Vibrationsfrequenz von 7300 Perioden pro Sekunde (CPS), wie es durch die senkrechte Linie 31 in Pig. 4 angedeutet ist. Die verschiedenen schrägen Linien, die alle durch den Nullpunkt des Diagramms gemäß Fig. k verlaufen und mit 5., 6.,7. usw. bezeichnet sind, stellen die Vibrationsbereiche für die Rotorschaufeln dar, und die Schnittpunkte dieser Schräglinien mit der senkrechten Linie 31 stellen diejenigen Drehzahlen des Turboladers dar, bei denen die Anzahl der Vibrationsperioden der S_chau— fei während jeder vollständigen Umdrehung des Rotors eine ganze Zahl ist. Ferner ist ersichtlich, daß die Rotorschaufeln dem 8. bis 15. Vibrationsbereich des Rotors 23 während des Strahlhilfe-Drehzahlbereichs des Turboladers unterliegen, d.h., im Drehzahlbereich zwischen 30000 und 56000 U/min..

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 sei darauf hingewiesen, daß, wenn Druckluft durch die Öffnungen 28 in die Rotorkammer gelangt, um auf den Rotorschaufeln 2k aufzuprallen, Bereiche hohen Druckes periodisch um den Umfang der Rotorkammer auftreten, wobei sich jeder Bereich hohen Druckes an einer der Düsen 28 befindet, die in gleichen Abständen um den Umfang des Rotors verteilt sind. Die in der Rotorkammer 22 gemäß Fig. i rotierenden Rotorschaufeln werden also periodisch von den Luftstrahlen getroffen, die durch die Düsen 28 eindringen und die obengenannten Bereiche hohen Druckes erzeugen.

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Jede Vibrationsperiode der Rotorschaufein umfaßt eine nach vorn gerichtete und eine nach hinten gerichtete Vibrationsschwingung jeder Schaufel» Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß, falls sich jede Rotorschaufel in der nach vorn gerichteten Schwingung ihrer Vibrationsperiode befindet, wenn ein Luftstrahl aus einer der Düsen 28 auf ihr auftrifft, die Amplitude ihrer Vibration durch die luftstrahlen entsprechend periodisch erhöht wird. Fenn sich die Rotorschaufel in ihrer nach vorn gerichteten Schwingung befindet, wenn sie jede einer aufeinanderfolgenden Vielzahl von Düsen 28 passiert, besteht ein Resonanzzustand, bei dem die wachsende Vibrationsamplitude der Schaufeln zur Beschädigung oder zum Ausfall des Rotors führen kann. Wenn andererseits die Rotorschaufeln sich in ihrer nach hinten gerichteten Vibrationsschwingung befinden, wenn ein Luftstrom aus wenigstens einigen der Düsen 28 auf ihnen auftrifft, wird die Amplitude der Schaufelvibrationen periodisch verringert oder mindestens auf einem im wesentlichen konstanten Niveau gehalten, um dadurch einen sicheren Rotorbe— triebszustand zu schaffen.

Wenn auf der Grundlage der obigen Erörterung die Düsen 28 in gleichen Abständen um den Rotor angeordnet sind und ihre Anzahl einem der Vibrationsbereiche innerhalb des Strahlhilfe-Drehzahlbereichs entspricht, tritt bei einigen Drehzahlen innerhalb dieses Drehzahlbereichs ein resonanter Zustand auf, wie oben erörtert. Um einen derartigen resonanten Zustand gemäß der vorliegenden Erfindung zu verhindern, ist jede Düse an einer Stelle entlang einem Radius einer bestimmten Anzahl von Radien angeordnet, die rechtwinklig von der Rotorachse ausgehen und die Rotorkawter in gleiche Sektoren unterteilen. Die bestimmte Anzahl der Radien,

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die in Fig. 2 mit 32 bezeichnet sind, wird als eine Primzahl ^; gegenüber den Vibrationsbereichen bestimmt, die in dem Strahlhilfe-Drehzahlbereich enthalten sind, wodurch die bestimmte Anzahl der Radien weder durch einen der in diesem Strahlhilfe-Drehzahlbereich enthaltenen Vibrationsbereiche teilbar ist noch in einen derartigen Vibrationsbereich teilbar ist. Unter nochmaliger Bezugnahme insbesondere auf Fig. 4 sei bemerkt, daß, da der 8. bis 15. Vibrationsbereich in dem Strahlhilfe-Drehzahlbereich enthalten ist, jede Zahl unter diesen Vibrationsbereichen, d.h. die Zahl 7 oder geringer, in einen der Vibrationsbereiche innerhalb des Strahlhilfe-Drehzahlbereichs teilbar wäre. Die Zahl 16 ist durch den 8. Vibrationsbereich teilbar, der sich innerhalb des Strahlhilfe-Drehzahlbereichs befindet, und Kanu daher keine der oben genannten Primzahlen sein. Die Zahl 17 ist eine geeignete Primzahl und demzufolge sind 17 Radien gewählt, um die Rotorkammer 22 in 17 gleiche Sektoren zu unterteilen.

Eine Düse 28 könnte auf jedem der 17 Radien angeordnet sein, wobei gewährleistet wird, daß die Rotorschaufeln sich nicht immer in einer nah vorn gerichteten Schwingung befinden können, wenn sie an jeder Düse vorbeilaufen. Es gibt jedoch zusätzliche Erwägungen, die die Auswahl der Gesamtzahl der Düsen gemäß der nachfolgenden Beschreibung bestimmen, und selbst wenn eine kleinere Anzahl von Düsen gewählt wird, wird durch die Tatsache, daß jede von ihnen entlang einem der Radien angeordnet ist, eine Gewähr gegen die Erzeugung eines unerwünschten Resonanzzustandes bilden. Hinsichtlich der Bedingungen, die die Anzahl der Düsen begrenzen, sei erwähnt,

daß die Bearbeitungsmöglichkeiten die Mindestquerschnittsflache

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des Luftströmungsdurchganges durch, jede Düse begrenzen. Da anderer— seits die Menge und die Strömungsgeschwindigkeit, der Druckluft in den ringförmigen Luftdurchgang 26 begrenzt ist, muß der Gesamtquerschnitt aller Düsen zusammen unter einem Höchst-wert gehalten werden, um eine optimale Wirkung der Luftstrahlen zu gewährleisten, die durch die Düsen gelangen und auf die Rotorschaufeln auftreffen. Demzufolge wurden sieben Düsen 28 gewählt, um eine Querschnittsfläche jeder einzelnen Düse zu erhalten, die ohne weiteres durch einen Bearbeitungsvorgang erzielt werden kann, und dabei gleichzeitig einen optimalen Luftstrahl zu erhalten, der auf die Rotorschaufeln wirkt. Wie in Fig. 2 dargestellt, sind die sieben Düsen 28 um denlhfang des Rotors angeordnet, wobei jede Düse entlang einem der 17 Radien angeordnet ist.

Um die maximale Wirkung jedes Luftstroms auf die Rotorschaufeln zu erzielen, wäre es wünschenswert, die Düsen so anzuorden, daß sie den Luftstrom in rechtem Winkel auf die Fläche der Rotorschaufeln lenken. Bei durch das Kompressorgehäuse hindurchgehenden Düsen wird jedoch der optimale erzielbare Effekt eines durch jede Düse hindurchgehenden Luftstroms erhalten, wenn die Düse in einem Winkel zwischen 15 und 30° mit einem angrenzenden' Teil der Innenfläche des Gehäuses gehalten werden kann, wie es in Fig. 3 gezeigt ist.

Es sei darauf hingewiesen, daß die theoretisch optimale Düsenanordnung eine unendliche Anzahl von Düsen mit unendlich kleinen Luftdurchgängen wäre, die um den gesamten Umfang des Rotors ver-.teilt sind, um einen im wesentlichen gleichmäßigen Luftdruck in der gesamten Rotorkammer aufrechtzuerhalten und dadurch mögliche Resonanzzustände zu vermeiden. Aufgrund der obengenannten Begrenzungen, besonders hinsichtlich des Mindestdurchmessers einer Düse,

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der in das Rotorgehäuse gebohrt werden kann, ist eine derartige theoretisch optimale Anordnung nicht möglich, und die vorliegende Erfindung sieht eine Lösung vor, die das Problem der Resonanzzustände wirksam verhindert.

Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß die vorliegende Erfindung auch ein verbessertes Verfahren zur Anwendung des Luftstoßprinzips auf einen sich drehenden Rotor gemäß einem Vorwahlplan schafft, durch das die Notwendigkeit der Veränderung des Rotors zur Verhinderung von resonanten Vibrationszuständen vermieden wird, die in den Rotorschaufeln auftreten. Bei einem derartigen Verfahren werden Gas- oder Luftstoßströme intermittierend auf jede Rotorschaufel geschickt, wobei die Stelle, an der der Gasstrom auf den an ihm vorbeilaufenden Rotorschaufeln auftrifft, und die Zeit, in der jede Rotorschaufel eine der Stellen passiert, an der einer der Gasströme auf ihr auftrifft, in geeigneter Weise mit der natürlichen Vibrationsfrequenz der Rotorschaufeln gemäß der obigen Beschreibung synchronisiert sind.

Wenngleich die Erfindung mit besonderem Bezug auf ein einzige· Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist, sei darauf hingewiesen, daß verschiedene Abwandlungen und Änderungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich sind. Beispielsweise wird in der Luftverdichteranlage gemäß Fig. 1 die Luft durch mehrere Öffnungen 28 in eine Rotorkammer eingeführt, um mit den Rotorschaufeln zusammenzuwirken. Die Erfindung ist jedoch ebenso auf eine Rotoranordnung anwendbar, bei der die Luft mit den Rotorschaufeln zusammenwirken soll und anschließend die Rotorkammer durch mehrere ähnliche Öffnungen verläßt, die in dem Rotorgehäuse ausgebildet sind. Bei einer derartigen Ausbildung wurden Zonen ansteigenden Luftdruckes

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durch die Rotorschaufeln erzeugt, während an jeder Auslaßöffnung eine Druckverringerung stattfinden würde. In diesem Fall würde ein ähnliches periodisch wiederkehrendes Muster von Hegionen hohen Druckes um die Rotorkammer vorhanden sein, und die Anordnung der Auslaßöffnungen in ähnlicher Weise wie die oben erörterte würde in gleicher Weise der Verhinderung von Resonanzzuständen dienen.

Da ferner der Drehzahlbereich, bei dem die Luftströme mit den Rotorschaufeln zusammenwirken sollen, eine größere Anzahl von Vibrationsbereichen umfaßt, ist es ersichtlich, daß Öffnungen mit erheblicher Ouerschnittsflache über einen anderen Radius einer veränderlichen Anzahl von Radien hinausreichen, die die Rotorkammer gleichmäßig unterteilen. Wenn also eine sehr große Primzahl gewählt werden muß, muß die Größe der Düsen sehr sorgfältig gewählt werden, um die oben erwähnte mögliche Folge zu vermeiden. Eine Lösung, durch die verhindert wird, daß die Öffnungen über mehr als einen der verschiedenen vorgewählten Radien hinausstehen, würden darin bestehen, jede Düse als einen Schlitz auszubilden, der entlang einem der Radien ausgerichtet ist, und dadurch die Möglichkeit eines derartigen Überlappens so gering wie möglich zu halten.

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Claims

(früher: San Leandro, Kalifornien, Davis Street 800, V. St. A.)

Patentanmeldung; Luftstoßdüse für Turbinen oder Turbolader—

Kompressoren und Verfahren zur Anwendung des Luftstoßprinzips

PATENTANSPRÜCHE

1. Luftstoßdüse für Turbinen mit einem Gehäuse, das eine im wesentlichen zylindrische Rotorkammer umschließt, und mit

einem kraftübertragenden Rotor, der in der Rotorkammer drehbar angeordnet ist, und bei der mehrere Öffnungen durch das Gehäuse verlaufen, die einen außerhalb des Gehäuses befindlichen Luftdurchgang mit der Rotorkammer verbinden, wodurch Gas, das durch die Öffnungen gelangt, mit dem Rotor zumindest während eines Teils des Drehzahlbereichs des Rotors zusammenwirkt, und bei der der Rotor eine natürliche Vibrationsfrequenz und verschiedene Vibrationsbereiche aufweist, die durch die natürliche Vibrationsfrequenz und die Drehzahlbereiche in der Rotorkammer hervorgerufen werden, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Öffnungen (28), die in Verbindung mit der Rotorkammer (22) stehen, an einer Stelle entlang einem Radius einer _fVßrgewäiilteja Anzahl von Radien angeord-

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Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirttch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann

8 MÖNCHEN 2, THERESIENSTRASSE33 · T«l»foniΜ1Ϊ02 · T«l«gramm-Adr«iiti lipolll/Μβη*·« Bayer. Vireinibunk München, ZweiflsK Oikar-von-Mlllir-Rlng, KIc-Nr. M2495 · Poitahtdc-Kontoi MOnchtn Nr. M3397 ORIGINAL

OpptnoutrBOro. PATENTANWALT DR. REINHOLD SCHMIDT ^

net ist, die in rechtem Winkel von der Achse der zylindrischen Kammer ausgehen und das Gehäuse (21) in gleiche Sektoren teilen, wobei die vorgewählte Anzahl der Radien eine Primzahl hinsichtlich des Zahlenwertes der Vibrationsbereiche ist, die eine Funktion der natürlichen Vibrationsfrequenz des Rotors (23) und des Drehzahlbereichs sind, innerhalb dessen der Rotor sich dreht, während das Gas mit ihm zusammenwirkt.

2. Luftstoßdüse nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine von der Art ist, bei der das Gas durch die Öffnungen (28) aus dem außerhalb des Gehäuses gelegenen Gasdurchgang (2ό) in die Rotorkammer (22) gelangt und auf Schaufeln {2h) des Rotors auftrifft, wobei das auftreffende Gas mindestens als Teil der Antriebskraft dient, die auf den Rotor ausgeübt wird.

3. Verbesserter Turbolader-Kompressor für den Motor eines Industrie-Luftverdichters, bei dem der Turbolader-Kompressor ein Gehäuse mit im wesentlichen zylindrischer Rotorkammer aufweist und der Rotor radial verlaufende Schaufeln aufweist und in der Rotorkammer drehbar angeordnet ist, um sich mit veränderlichen Drehzahlen zu drehen und die Strömung von Luft von einem Einlaß des Gehäuses durch einen Auslaß des Gehäuses hervorzurufen, der in Verbindung mit dem Motor steht, und mit einem Luftdurchgang, der zumindest teilweise durch das Gehäuse außerhalb der Rotorkammer gebildet wird, wobei der Rotor eine natürliche Vibrationsfrequenz und verschiedene Vibrationsbereiche aufweist, die durch seine natürliche Vibrationsfrequenz und seihen Drehzahlbereich in der Rotorkammer hervorgerufen werden, und bei dem das Gehäuse mehrere Luftstoßdüsen aufweist, die in Verbindung; mit dem Luftdurchgang und der Rotorkammer stehen, um wahlweise in den Luft-

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durehgang geschickte Druckluft auf den Rotor mindestens über einen bestimmten Drehzahlbereich des Rotors zu lenken, um als Strahlhilfe zur Erhöhung der Rotordrehzahl zu wirken und den Luftstrom von dem Gehäuseeinlaß zu dem Motor zu erhöhen, dadurch gekennzeichnet, daß jede Düse (28), die in Verbindung mit der Rotorkammer (22) steht, entlang eines Radius^f einer bestimmten vorgewählten Anzahl von Radien (32) angeordnet ist, die in rechtem Winkel von der Achse des Rotors ausgehen und die Rotorkammer des Gehäuses (21) in gleiche Sektoren unterteilen, daß die vorgewählte Anzahl der R_adien eine Primzahl gegenüber den Zahlenwerten der Vibrationsbereiche ist, die eine Funktion der natürlichen Vibrationsfrequenz des Rotors und des bestimmten Drelizahlbereichs des Rotors sind, innerhalb dessen die Druckluft aus dem außen liegenden Luftdurchgang (26) durch die Düsen (28) auf die Rotorschaufeln (2*t) gelenkt wird. k. Verbesserter Turbolader-Kompressor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgewählte Anzahl der Radien (32) größer als und durch irgendeinen der Zahlenwerte der Vibrationsbereiche unteilbar ist, die Funktimen der Rotordrehzahlen sind, bei denen die Strahlhilfe angewendet werden soll.

5. Verbesserter Turbolader-Kompressor nach Anspruch 3: dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (28) in einer Wand der Rotorkammer angeordnet sind, so daß sie sich im wesentlichen an den äußeren Enden der radial verlaufenden Rotorschaufeln {2k) befinden.

6. Verbesserter Turbolader-Kompressor nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß jede Düse eine Druckluftleitung aufweist, die sich der Rotorkammer im wesentlichen in einer Richtung nähert, die der Drehrichtung des Rotors entspricht, und die mit dem benachbarten Teil der Innenfläche der Rotorkammer einen Winkel im allgemeinen

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Bereich zwischen 15 und 30° bildet.

7. Verbesserter Turbolader-Kompressor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Düse eine wirksame Innen-Querschnittsflache für den Durchgang von Druckluft aufweist, und daß die Anzahl und die gesamte wirksame Querschnittsfläche aller Düsen für die genaue Steuerung der Druckluft gewählt sind, die durch die Düsen hindurchgeht und auf die Rotorschaufeln auftritt.

8. Verbessertes Verfahren zur Anwendung des Luftstoßprinzips, bei dem mehrere Gasströme auf die Schaufeln eines sich drehenden Rotors gelenkt werden, um die Drehgeschwindigkeit des Rotors zu erhphen, ohne resonante Vibrationszustände in dem Rotor hervorzurufen, wobei die Rotorschaufeln eine natürliche Vibrationsfrequenz haben, die bewirkt, daß die Rotorschaufeln während der Drehung des Rotors in aufeinanderfolgenden Vorwärts- und Rüekwärts-Vibrationsschwingungen schwingen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßgasströme nach einem Vorwahlplan auf die Rotorschaufeln gelenkt werden, um intermittierend auf jeder Schaufel zumindest teilweise anders aufzutreffen, als wenn die Schaufeln sich gemäß ihrer natürlichen Vibrationsfrequenz in ihrer nach vorn gerichteten Vibrationsschwingung befinden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt, durch den die Stoßgasströme auf die Rotor schaufeln gelenkt werden, um intermittierend auf jeder Rotorschaufel aufzutreffen, gemäß einem vorgewählten Plan von geeingeten Synchronisationsstellen durchgeführt wird, an denen jeder Gasstrom auf die an ihn vorbeilaufenden Rotorschaufeln auftrifft, sowie gemäß der

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Zeit, in der jede Rotorschaufel an einer dieser Stellen vorbeiläuft, an der einer der Gasströme bei der natürlichen Vibrationsfrequenz der Rotorschaufeln auf sie auftrifft.

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