-
Die
Erfindung bezieht sich auf einen Radialverdichter mit einem Laufrad,
das eine Nabe und davon abstehende Schaufeln aufweist, und einem
das Laufrad umgebenden Diffusor mit Flügeln zur Lenkung und Verlangsamung
der das Laufrad verlassenden Strömung
zur Erzielung eines Druckaufbaus.
-
Radialverdichter
bestehen aus einem Laufrad mit meist axialem Eintritt und einem
radialen Austritt. Das Gas tritt aus dem Laufrad mit hoher Geschwindigkeit
aus, die sowohl eine radiale als auch eine tangentiale Komponente
hat. Die kinetische Energie des zu verdichtenden Gases wird in einem
Diffusor in potenzielle Energie in Form von Druck umgewandelt. Der
Diffusor wird durch zwei nichtrotierende Ringe, die an den Laufradaustritt
anschließen
und senkrecht zur Drehachse oder zu dieser in einem sehr stumpfen
Winkel stehen, gebildet.
-
Das
aus dem Laufrad austretende Gas wird zwischen diesen beiden Wänden geführt. Häufig haben
Diffusoren Flügel
zur Lenkung und besseren Steuerung der Verlangsamung der Strömung. Die Diffusoren
haben Flügel
zur Lenkung und Verlangsamung der das Laufrad verlassenden Strömung. Die Verlangsamung
tritt in Folge des mit größerem Radius
größer werdenden
Querschnitts ein. Die Flügel der
Diffusoren sind generell tangential zum Laufrad ausgerichtet. Bei
Keildiffusoren sind die Flügel
keilförmig
gestaltet und geradlinig. Die Flügelprofile
sind so gestaltet, dass ihre Druckverluste gering sind. Nachteilig
ist die hohe Umfangsgeschwindigkeit am Austritt des Diffusors.
-
Eine
weitere bekannte Art, eine Verlangsamung der Gasströmung mit
geringen Verlusten zu realisieren, sind sogenannte Pipe-Diffusoren.
Diese Bauart ist aufwendig und benötigt einen großen Bauraum.
Es existiert ein nur sehr kurzer radialer Diffusor aus parallelen
Wänden.
Im Anschluss wird der Massenstrom in Teilmassenströme unterteilt
und diese werden in einzelnen gekrümmten Rohrbögen verlangsamt.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Radialverdichter zu
schaffen, der eine verlustarme Verlangsamung und Umlenkung der Strömung im Diffusor
bewirkt und auch eine drallfreie bzw. drallarme Abströmung ermöglicht.
-
Der
erfindungsgemäße Radialverdichter
ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Bei ihm haben die Flügel des
Diffusors eine Skelettlinie, deren Anstellwinkel sich mit zunehmendem
Abstand von der Laufradachse vergrößert. Die Flügel sind
somit in Bezug auf die vom Laufrad erzeugte Anströmung konkav
gekrümmt,
so dass sie das tangential zum Laufrad anströmende Gas zunehmend in radiale
Richtung umlenken. Dadurch verringert sich die kinetische Energie
des Gases, die in potentielle Energie, nämlich Druck, umgewandelt wird.
Die Energieumwandlung erfolgt verlustarm und innerhalb einer kurzen
Wegstrecke. Der erfindungsgemäße Radialverdichter
ist mit geringem baulichen und konstruktiven Aufwand zu realisieren.
-
Einsatzgebiete
des Radialverdichters sind beispielsweise Turbolader, Flugtriebwerke,
Gasturbinen und Anwendungen in der Verfahrenstechnik, beispielsweise
in Luftzerlegungsanlagen und Pipelines.
-
Vorzugsweise
beträgt
der Anstellwinkel der Skelettlinie am radial äußeren Ende annähernd 90°. Diese Angabe
bedeutet einen Spielraum +/–10%. Der
hohe Anstellwinkel bedeutet eine nahezu vollständige Aufhebung der tangentialen
Geschwindigkeitskomponente und eine effektive Umwandlung in Druckenergie.
Der Anstellwinkel der Skelettlinie am radial äußeren Ende beträgt vorzugsweise
mehr als 60°,
insbesondere mehr als 80°.
-
Die
Vergrößerung des
Anstellwinkels mit zunehmendem Abstand von der Laufradachse bedeutet
eine ständige
bzw. stetige Vergrößerung von
innen nach außen,
was zu der konkaven Flügelform
in Bezug auf die durch das Laufrad erzeugte Anströmung führt.
-
Im
Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher
erläutert,
wobei die Zeichnungen nur als eine mögliche Ausgestaltung der Erfindung
und nicht einschränkend
zu verstehen sind.
-
Es
zeigen:
-
1 eine
perspektivische Ansicht des Laufrades und des Diffusors bei geöffnetem
Gehäuse,
-
2 einen
Axialschnitt durch den Radialverdichter,
-
3 eine
Darstellung der Flügelform
des Diffusors,
-
4 eine
perspektivische Ansicht des Diffusors und
-
5 eine
Darstellung der Strömungsverhältnisse
im Diffusor.
-
Der
Radialverdichter weist ein Laufrad 10 auf, das um eine
Achse 11 mit hoher Drehzahl rotiert. Das Laufrad 10 besitzt
eine Nabe 12 und davon radial abstehende Schaufeln 13.
Die Nabe 12 hat einen ersten Bereich 12a, der
im wesentlichen zylindrisch ist, einen Übergangsbereich 12b,
in dem sich der Nabenradius nach Art einer Hyperbel erweitert, und
einen Endbereich 12c, der im wesentlichen senkrecht zu
der Achse 11 verläuft.
Das axial einströmende Gas
wird durch das Laufrad 10 in Rotation versetzt und verlässt das
Laufrad in radialer Richtung zur Achse 11 und in einem
stumpfen Winkel zu der Achse 11. Die Schaufeln 13 sind
an einer gemeinsamen Rückenplatte 14 der
Nabe 12 befestigt. Im Rahmen der Erfindung sind auch andere
Bauformen des Laufrades möglich.
Die obige Beschreibung betrifft nur eine der zahlreichen möglichen
Bauweisen. So kann beispielsweise der Leitradeintritt unter einem
spitzen Winkel zur Drehachse verlaufen und der in dem Gehäuse gebildete
Kanal kann unterschiedliche Kurvenverläufe aufweisen, die vom Konstrukteur
nach den jeweiligen Anforderungen festgelegt werden.
-
Das
Laufrad 10 befindet sich in einem Gehäuse 15, dessen Wand 16 der
Außenkontur
des Laufrades angepasst ist.
-
Das
von dem Laufrad 10 gebildete Gebläse weist einen axialen Einlass 17 und
eine sich um den Umfang des Laufrades erstreckenden radialen Auslass 18 auf.
-
Die
Schaufeln 13 des Laufrades sind in der in 1 dargestellten
Weise gekrümmt.
-
An
den Auslass 18 schließt
sich der Diffusor 20 an, der mit dem Gehäuse 15 fest
verbunden ist und nicht rotiert. Der Diffusor 20 weist
eine im wesentlichen radiale Tragwand 21 auf, an der Flügel 22 angebracht
sind, welche die den Auslass 18 passierende Strömung leiten.
Die Flügel 22 verlaufen
im wesentlichen radial zur Achse 11, wobei ihr genauer Verlauf
im Folgenden noch näher
erläutert
wird. Zwischen den Flügeln 22 sind
Diffusorkanäle 23 gebildet,
deren Querschnittsfläche
von innen nach außen zunimmt.
Die Aufgabe des Diffusors 20 besteht darin, das von dem
Laufrad 10 beschleunigte Gas, das eine hohe kinetische
Energie hat, zu verlangsamen und die kinetische Energie in Druck
umzusetzen. Der Umfang des Diffusors 20 ist mit einem (nicht
dargestellten) Druckauslass verbunden.
-
4 zeigt
eine perspektivische Darstellung des Diffusors. Die Tragwand 21 ist
kegelstumpfförmig ausgebildet,
wobei sie vom Diffusoreinlass 25 bis zum Diffusorauslass 26 zurückweicht.
Die Flügel 22 haben
an ihren inneren Enden am Diffusoreinlass 25 eine relativ
spitze abgerundete bzw. konturierte (Vorder-)Kante 27.
Ihre Breite B (1) vergrößert sich stetig nach außen hin
bis zu einer markanten breiten Hinterkante 28. Die Flügelform
ist in 3 verdeutlicht. Der Flügel 22 hat eine Skelettlinie 30,
die die Mittellinie der Breite B repräsentiert. Die Skelettlinie hat
im Zuströmbereich
einen Anstellwinkel β1 in Bezug auf einen Kreis 31 um
die Achse 11. Der Anstellwinkel β1 entspricht
der Zuströmrichtung
des aus dem Laufrad in den Diffusor strömenden Gases: tan(β1)
= Vrad/Vtan.Vrad ist die radiale Geschwindigkeitskomponente
und Vtan die tangentiale Geschwindigkeitskomponente.
-
Der
Anstellwinkel β vergrößert sich
stetig mit zunehmendem Radius bis zu einem Anstellwinkel β2 im
Bereich der Hinterkante 28. Der Flügel 22 hat drei Bereiche,
nämlich
den inneren Zuströmbereich 22a in
der Nähe
der Spitze 27, einen Übergangsbereich 22b und
einen Austrittsbereich 22c mit im wesentlichen radialer
Abströmung.
Der Anstellwinkel β2 beträgt
im allgemeinen zwischen 80° und
90°, er
kann vom Konstrukteur anhand der jeweiligen Gegebenheiten festgelegt
werden. Auch Werte unterhalb von 80° sind möglich. Es besteht daher die
Möglichkeit, den
Abströmwinkel
zu wählen
bzw. entsprechend den Gegebenheiten einzustellen. Die markante Hinterkante 28 bewirkt,
dass danach eine plötzliche
Verzögerung
erfolgen muss, die in der Literatur als Carnot-Stoß bekannt
ist. Dieser ist mit Verlusten behaftet, die von der Geschwindigkeit
vor der Querschnittserweiterung abhängen. Die Verluste sind hier allerdings
gering, da die Geschwindigkeit bereits stark verringert ist.
-
5 zeigt
die durch Pfeile angegebenen Strömungen
zwischen den jeweiligen Diffusorflügeln.
-
Mit
der vorliegenden Erfindung ist es möglich, durch die Gestaltung
der Flügel
die Abströmrichtung
frei zu wählen.
Der Übergangsbereich 22b der Flügel ist
so gewählt,
dass die Strömungsumlenkung und
-verzögerung
mit geringen Verlusten erfolgt. Mit dieser Bauart können Strömungsabrisse
praktisch im gesamten Arbeitsbereich des Verdichters vermieden werden.