DE2050950C3 - Überschallaxialverdichter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Überschailaxialverdichter, der in ein und der gleichen Stufe zwei Strömungen verdichtet.

Solch ein Überschallaxialverdichter ist durch die französische Patentschrift 14 93111 (PV 69660) bekannt geworden. Solche Verdichter eignen sich für erhebliche Durchsätze ir.id erhebliche Kompressionsverhältnisse. Beschrieben ist de ι unter anderem ein Axialverdichter mit mehreren einflutigen oder mehrflutigen Stufen, die aber hinsichtlich des Drucks sowohl vor wie hinter dem gleichen Laufrad kompatibel sind. Unter Druckkompatibilität wird ein kontinuierlicher praktisch knickfreier Verlauf des Drucks über die Schaufel verstanden.

Allgemein kann man nur unter ganz erheblichem mechanischen Aufwand zwei unterschiedliche Strömungen, die sich auf stark unterschiedlichem statischen Druck anströmseitig bzw. abströmseitig befinden, verdichten. Beide Strömungen müssen rigoros getrennt gehalten werden. Gesonderte Eintrittssammler für jede dieser beiden Strömungen sind notwendig, besondere Trennwände vorgesehen. Mit erheblichen Verlustströmungen ist zu rechnen.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, in einem Laufrad Verdichtungen mit unterschiedlichem Kompressionsverhältnis bei geringstmöglichem mechanischen Aufwand und damit bei möglichst geringen Verlusten vorzunehmen.

Erreicht wird dies überraschend einfach bei einem Überschailaxialverdichter, der in ein und der gleichen Stufe zwei Strömungen verdichtet, dadurch, daß die Schaufeln des Laufrades einen Teil, der sich über ihre Gesamttiefe erstreckt sowie einen Teil, der sich nur über einen Bruchteil ihrer Tiefe erstreckt, aufweisen. Durch diese einfache Maßnahme wird es möglich, in einem Überschallaxialverdichter, dessen Laufradstufe beispielsweise das Kompressionsverhältnis vier hat, zusätzlich eine Rückführströmung z. B. mit dem Kompressionsverhältnis 1,4 zu verdichten. Nur beispielsweise sei darauf hingewiesen, daß solche Überschallaxialverdichter sich hervorragend in der isotopen Trennung durch Gasdiffusion bewähren. Die Verdichtung erfolgt allein in dem im Laufrad befindlichen Teil der Strömungsbahn der beiden Strömungen, und zwar ab der Ebene, wo die beiden Strömungen druckkompatibel sind.

Auch im transsonischen Bereich arbeitet der Überschallaxialverdichter nach der Erfindung mit Erfolg. Sind bei einer praktischen Verwirklichungsform die beiden Strömungen anströmseitig inkompatibel, so wird die Strömung, deren anströmsei tiger Druck Kleiner ist, zunächst getrennt von der anderen Strömung verdich tet, bis die statischen Drücke der beiden Strömungen kompatibel gemacht sind. Der Teil der Beschaufelung, der seine Energie derjenigen Strömung erteilt, deren anströmseitiger Druck am größten ist, besitzt eine Anströmkante an der Stelle, wo die statischen Drücke der beiden Strömungen kompatibel geworden sind, und zwar hinter der Anströmkante für die Strömung, deren anströmseitiger Druck am geringsten war.

In dem Fall, daß die beiden Strömungen schaufelaustrittsseitig hinsichtlich des Druckes inkompatibel sind, ist die Abströmkante des Schaufelteils, der seine Energie der Strömung erteilt, deren abströmseitiger Druck am geringsten ist, an einer Stelle angeordnet, wo die beiden Strömungen kompatibel sind, und zwar vor der Abströmkante des Schaufelteils, der von der Strömung beaufschlagt wird, deren abströmseitiger Druck höher ist. Letztere wird dann gesondert verdichtet.

Die Lage der Anströmkante und der Abströmkante des Schaufelblattteils, welche die dem geringeren

ίο Verdichtungsverhältnis ausgesetzte Strömung beaufschlagt, ist derart festgelegt, daß vor und hinter diesem Schaufelblatteil die Kompatibilität der Drücke mit der das höchste Verdichtungsverhältnis erleidenden Strömung sichergestellt ist

Ist die Richtung bzw. der Wert der Relativgeschwindigkeit der beiden Strömungen teilweise unterschiedlich, so ist es von Vorteil, die beiden Strömungen durch Flossen zu trennen, wobei die Anstellung und die Wölbungen der Schaufeln zu beiden Seiten der beweglichen Trennwand unterschiedlich sein können.

Um andererseits die Tatsache zu berücksichtigen, daß der Wert oder die Richtung der Absolutgeschwindigkeit für die beiden Strömungen im Bereich der Leitbeschaufelung unterschiedlich ist, kann es wichtig sein, die Strömungen in dieser Zone in an sich bekannter Weise, wenigstens über eine gewisse Entfernung, zu trennen.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun anhatid der Zeichnungen näher erläutert werden. Diese zeigt in

F i g. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Verdichter nach der Erfindung,

Fig. la eine Teildarstellung im Vertikalschnitt durch einen Verdichter, bei dem die Eintrittsdrücke der Fluide inkompatibel sind,

Fig.2 perspektivisch in größerer Darstellung eine Schaufelbauart für einen Verdichter nach F i g. 1,

Fig.3 einen axialen Teilschnitt durch einen Überschallverdichter für Fluide, deren austrittsseitige Drücke inkompatibel sind und

M> F i g. 4 perspektivisch eine Schaufelbauart für den Fall eines Verdichters entsprechend F i g. 3.

Bei der Ausführungsform der F i g. 1 ist nur der Teil eines Axialverdichters mit konischem Einlauf für zwei Fluide mit inkompatiblen Eintrittsdrucken dargestellt,

f>5 wo bei Ende der Verdichtung eine Vermischung der beiden Strömungen eintritt. In den F i g. I und la ist die kegelslumpfförmige Erweiterung des Einlaufs 5 und 6 bezeichnet. Der Einlaufkalottenteil trägt das Bezugszei-

chen 9, die Beschaufelung des zweiten Laufrads das Bezugszeichen 12, wogegen das erste Laufrad mit 11 bezeichnet ist. Bei 17 ist der Einlaß für das zweite Fluid mit kegelstumpfförmiger Erweiterung 18, die im wesentlichen parallel zur Verlängerung 19 der Kalotte 9 verläuft, zu sehen. Eine innere Trennwand 30 für die beiden Strömungen ist bis über die Beschaufelung 12 hinaus verlängert. Diese Beschaufelung 12 umfaßt erfindungsgemäß einen Teil 12', der sich über die gesamte Tiefe des Laufrads erstreckt und sowie einen mit dem Teil 12' verbundenen Teil 12", der nur über einen Teil der Tiefe des Laufrads reicht. Die Anströmlcante des Teiis 12" befindet sich an einer Zwischenebene, wo die Drücke der beider« Strömungen kompatibel sind; die Abströmkante fällt im wesentlichen mit der Abströmkante des Elements 12' zusammen. Die beiden Teile 12' und 12" der Beschaufelung 12 sind durch eine dünne mit der Schaufel verbundene »Flosse« bezeichnete Trennwand 31 getrennt, die sich über das Laufrad hinaus als feste Trennwand 32 (siehe Fig. !a) fortsetzt

Nach Fig.2 weist die Schaufel 12 einen Schaufelfuß 13 auf, wobei der Teil 12' der Schaufel die gesamte Tiefe des Laufrads einnimmt, wogegen der Teil 12" nur über einen Teil dieser Tiefe reicht Die Flosse 31 kompensiert die Inkompatibilität der Geschwindigkeit.

Die Arbeitsweise dieser Vorrichtung ist die folgende: Es wird angenommen, daß im vorderen äußeren, durch die Trennwand 30 begrenzten Kanal der Druck der Sekundärströmung 300 Millibar und 200 Millibar in der Hauptströmung beträgt und daß man einen Druck von 400 Millibar hinter der Verdichterstufe zu erhalten wünscht Unter diesen Bedingungen beträgt dab maximale Verdichtungsverhältnis des Rades 2, das Verhältnis zwischen dem erhöhten Druck (300 Millibar) und dem Druck der Hauptströmung (200 Millibar) ist gleich 1,5 und damit kleiner als das maximal mögliche Verdichtungsverhältnis.

Im Kann! der Hauptströmung, die von der Sekundärströmung durch die Verlängerung der Innenwandung 30 getrennt ist, wird die Strömung von 200 auf 400 Millibar, in dem Ausmaß, wie sie sich in Strömungsrichtung fortbewegt, komprimiert. Ausgehend vom Druck von 200 Millibar erreicht sie 300 Millibar, welches der Eintrittsdruck der Sekundärströnvung ist. Man kann dann die beiden Strömungen zusammen aufgrund des um den Teil 12" verlängerten Schaufelteils 12' verdichten. Hieraus folgt, daß die Anströmkante des Teiles 12" genau an der Stelle sich befindet, wo der im Hauptkanal zunehmende Druck den Wert von 300 Millibar entsprechend dem Druck der Sekundärströmung am Eintritt passiert. Es wird also prinzipiell möglich, frei die beiden Strömungen kommunizieren zu lassen, da sie hinsichtlich des Druckes von diesem Zeitpunkt an ja kompatibel sind. Jedoch sind die Richtungen der Geschwindigkeiten dieser in Fig. la

durch Pfeile angegebenen Strömungen noch nirht vollkommen oder tuf jeden Fall noch unzureichend parallel. Um diese Differenz zu beheben, ordnet man eine Flosse 31 zur Trennung der beiden Schaufelteile 12' und 12" an. Da die Richtungen der Geschwindigkeiten am Austritt aus dem Rad noch unterschiedlich sind, verlängert man die Trennwand 32 um ein gewisses Stück, um es zu ermöglichen, gleichzeitig eine Kompatibilität der Drücke und der Geschwindigkeiten zu erreichen.

Nach dem Ausführungsbeispiel der F i g. 3 und 4 sind die Drücke vor der Verdichtungssiufe 33 gleich; die Drücke dahinter sind jedoch unterschiedlich. Dies gilt insbesondere, wenn ein Teil der aus einer Verdichterstufe austretenden Strömung für einen Hilfszweck entnommen wird. Das betrachtete Ausführungsbeispiel befaßt sich insbesondere mit der ersten Stufe 33 eines axialen Überschalikompressors mit konischem Einlauf, ist jedoch auch für jeden anraten Verdichtertyp zweckmäßig.

Der Eintritt der Strömung erfolgt über einen Einlauf entsprechend der genannten französischen Patentschrift.

Nach Durchgang durch die erste Stufe 33 wird ein Teil der Strömung zur folgenden Stufe 35 geleitet, ein anderer Teil der Strömung wird in Höhe der ersten Stufe 33 entnommen und unter einem geringeren Druck einer Volute 36 zugeführt

Im Gegensatz zur Beschauflung nach der französichen Patentschrift umfassen die Schaufeln 37 nach der Erfindung (F i g. 4) einen Teil 37', der die gesamte Tiefe des Kanals entsprechend der Strömung einnimmt die die größte Verdichtung erleiden muß, sowie einen Teil 37", der der abgezweigten Strömung entspricht und eine mit dem Teil 37' gemeinsame Anströmkante aufweist; seine Abström- oder Austrittskante befindet sich jedoch vor der Abströmkante dr*s TeHss 37' senkrecht über der Stelle, wo der statische Druck in beiden Kanälen den Wert erreicht den er hinter dem Ableitungskanal haben muß.

Eine Trennwand trennt die beiden Strömungen und trägt dazu bei, den Abzweigungskanal zu bilden.

Eine solche Verdichtungsstufe arbeitet wie folgt: Ein Teil der aus dem Einlauf kommenden Strömung geht durch die Stufen 33 und 35 des Verdichters und tritt aus der ersten Stufe 33 aus, nachdem er beispielsweise ein Verdichtungsverhältnis von 2 erlitten hat, während die abgezweigte Strömung nur ein Verdichtungsverhältnis von 1,2 erlitten hat. Die Ausbildung der Schaufelzwischenkanäle des Schaufelteiles 37' und die Lage der Austrittskante des Teiles 37" sind derart, daß die Rekompressionszone mit starkem Gradient in dem durch die Teile 37' begrenzten Teil des Kanals sich hinter der die Abströmkanten der Schaufelelcmente wie 37" enthaltenden Ebene, d. h. in der Schaufelblattzone der F i g. 4, befindet.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Überschallaxialverdichter, der in ein und der gleichen Stufe zwei Strömungen verdichtet, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (12) des Laufrades einen Teil (12'; 37'), der sich über ihre Gesamttiefe erstreckt sowie einen Teil (12"; 37"), der sich nur über einen Bruchteil ihrer Tiefe erstreckt, aufweisen.

2. Überschailaxialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anströmkanten (F i g. 4) der Laufschaufeln, wenn vor dem Laufrad die Drücke kompatibel sind, gemeinsam sind.

3. Oberschallaxialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abströmkanten (F i g. 2) der Laufschaufeln (12), wenn hinter dem Laufrad die Drücke kompatibel sind, gemeinsam sind.

4. Oh-jrschallaxialverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Flosse (31) zur Trennung der beiden Schaufelteile.