DE2101628B2

DE2101628B2 - Überschallkreiselverdichter

Info

Publication number: DE2101628B2
Application number: DE2101628A
Authority: DE
Inventors: Jean-Marie Eugene Bourg-La-Reine Friberg; Jean-Marie Palaiseau Merigoux
Original assignee: Alsacienne de Constructions Atomiques de Telecommunications et dElectronique ALCATEL
Current assignee: Alsacienne de Constructions Atomiques de Telecommunications et dElectronique ALCATEL
Priority date: 1970-01-14
Filing date: 1971-01-14
Publication date: 1980-06-26
Also published as: DE2101628A1; US3771925A; SE412098B; DE2101628C3; FR2076426A5; GB1325853A; BE761213A; JPS5429722B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Oberschallkreiselverdichter mit hohem Verdichtungsverhältnis in einer Stufe, mit einem aus Tragscheibe urd Laufschaufeln bestehenden Radiallaufrad, einem diesem nachgeordneten schaufellosen Verlangsamungsringraum und diesem nachgeordrieten äußeren Diffusor.

Aus der österreichischen Patentschrift 21 977 ist bekannt, daß eine vorteilhafte Umsetzung der kinetischen Energie in Druck einfach durch die Benutzung eines Diffusors herbeigeführt wird, der durch Verlängerung des Radius der umlaufenden Flansche oder Tragscheiben über die Leitschaufeln hinaus hergestellt wird: die Expansion des Gases zwischen zwei Wänden, die beide mit einer der Geschwindigkeit des Gases nahekommenden Geschwindigkeit bewegt werden, erfolgt mit ziemlich hohem Wirkungsgrad. Eine derartige Vorrichtung, für die seit 1904 zahlreiche Verbesserungen vorgeschlagen wurden, kann nicht mehr verwendet werden, wenn versucht werden soll, mit einer einzigen Verdichtungsstufe sehr hohe Verdichtungsverhältnisse, beispielsweise über 5, zu erzielen. Die Drehgeschwindigkeit der Schaufeln auf ihrem Umkreis muß beispielsweise Werte von 400 bis 500 m/sec. erreichen, was noch höhere Geschwindigkeiten am Umfang des Rotordiffusors bewirkt Die zentrifugalen Spannungen nehmen dann einen sehr hohen Wert an und können die in Bewegung befindlichen Flansche, insbesondere den oberen Flansch wegen seines Profils, verbiegen. Diesen mechanischen Spannungen überlagern sich andere Spannungen, die vor allem durch die Ausdehnung der Teile infolge Erwärmens entstehen. Andererseits wurde bereits der Rotordiffusor durch einen feststehenden Diffusor ersetzt, dessen beide Wände die umlaufenden Flansche verlängern, deren Radius in diesem Fall auf die Leitschaufeln begrenzt ist. Die Reibung des mit Überschallgeschwindigkeit geführten Gases an den festen Wandungen, insbesondere an der unteren Wand, gegen die im allgemeinen wegen der vom Gas verfolgten gekrümmten Bahn ein höherer Druck ausgeübt wird, führt zu Leistungsverlusten, wodurch der an sich zu erwartende Druckgewinn wesentlich verringert wird. Unabhängig von dieser Lösung oder in Verbindung mit ihr ist von einigen Konstrukteuren vorgeschlagen worden, einen aus Kanälen mit Oberschalleinlauf bestehenden Diffusor mit konvergierendem und divergierendem oder mit konvergierendem Profil nachzuschalten. Die verschiedenen Lösungen haben jedoch das Verdichtungsverhältnis einer derartigen Stufe nicht merklich verbessert; einige bewirken sogar Unregelmäßigkeiten der Durchsatzleistung oder de* mechanischen Verhaltens.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile und Gefahren auszuschalten und das Verdichtungsverhältnis zu erhöhen und dies bei einem hohen und stabilen Durchsatz.

Erreicht wird dies bei einem Überschallkreiselverdichter mit hohem Verdichtungsverhältnis in einer Stufe, mit einem aus Tragscheibe und Laufschaufeln bestehenden Radiallaufrad, einem diesen nachgeordneten schaufellosen Verlangsamungsringraum und diesem nachgeordneten äußeren Diffusor überraschend dadurch, daß der Verlangsamungsringraum zwischen einer Gehäusefläche und dt? Verlängerung der Tragscheibe über die Schaufelaustrittskanten hinaus gebildet ist

jo Es hat sich gezeigt, daß durch Gewährleistung einer größeren als der durch einen Rotordiffusor desselben Durchmessers erzielten Verlangsamung in einem auf dem Radumfang gelegenen Raum es möglich wurde, praktisch nicht nur die mechanischen Nachteile eines

Ji Rades mit zwei beweglichen Flanschen oder Scheiben auszuschalten, sondern auch den Verdichter mit einem Überschalldiffusor zu kombinieren, an dessen Eingang das Gas nur mit geringer Überschallgeschwindigkeit fortbewegt wird, so daß ein Stoßwellensystem geringer Stärke erzielt wird, wodurch irr Diffutor der Wirkungsgrad der Umsetzung der kinetischen Energie in Druck und somit die Gesamtleistung erhöht wird.

Der Überschallkreiselverdichter der eingangs genannten Art (CH-PS 3 49 363) weist einen festeren inneren Mantel, einen rotierenden äußeren Mantel sowie anschließend an die Mantelseite feste Diffusorkanäle auf, in denen die Diffusorschaufeln vorgesehen sind. Eine weitere Lehre im Hinblick auf den Anmeldungsgegenstand ist der CH-PS nicht zu entnehmen.

An sich sind natürlich Überschallkreiselverdichter ohne obere Deckscheibe und ohne rotorischen Verlangsamungsraum (DE-OS 14 28 170) bekannt. Da es allgemein Aufgabe des Diffusors ist, das Gas zu beruhigen, d. h. jede Störung und jeden Wirbel zu vermeiden, was bedeutet, daß zur Lösung der oben gestellten Aufgabe die vorgenannten Dokumente außer Betracht bleiben müssen.

Die Maßnahme nach der Erfindung, wonach ein Verlangsamungsraum zwischen einer festen und einer

t>o beweglichen Fläche geschaffen wurde, wobei sich die bewegliche Fläche mit einer Geschwindigkeit bewegt, die geringfügig über der des Gases liegt, war nicht vorhersehbar. Man hat nun festgestellt, daß die Befürchtungen hinsichtlich der auftretenden Störungen

μ unbegründet waren und daß dies unter anderem möglicherweise auf die Tatsache zurückzuführen war, daß der Druck auf die bewegliche Scheibe 3 wegen der Krümmung der Schaufeln stärker war als gegen das

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starre Gehäuse, weswegen die DrueJcverluste infolge Reibung gering blieben.

Vorzugsweise sind die Leitschaufel des Diffusors stark bezüglich der Radialrichtung geneigt und begrenzen konstant divergierende Kanäle,

Hierdurch werden im wesentlichen geradlinige neue Verdichtungswellen erzeugt

Zweckmäßig ist die Anströmkante der Leitsehaufeln in Anpassung an Oberschallbetrieb sehr dünn ausgebildet

In Weiterbildung der Erfindung verlaufen die Flächen der kreisförmigen Tragscheibe, von denen die eine durch die Verlängerung der Laufschaufel, die andere durch die Innenfläche des festes Gehäuses gebildet ist im wesentlichen parallel.

Durch diese Parallelanordnung wird eine bedeutende Verlangsamung der Oberschallströmung zwischen Innenradius und Außenradius erreicht Da andererseits bekannt ist daß die obere Scheibe wegen ihrer Form gewöhnlich bedeutende Verbiegungen erfährt, wenn sie unter großen Geschwindigkeiten in Drehbewegung versetzt wird, wirkt die Maßnahme nach der Erfindung mit der unbeweglichen Scheibe überzeugend-, sie ist daher nur Wärmespannungen ausgesetzt dis der Fachmann leicht meistern kann.

Der Wirkungsgrad im festen Diffusor liegt nahe 1. Die erzielte Wirkungsgradsteigerung kompensiert bei weitem die entstehenden Reibungsverluste an der Stelle zwischen den Laufschaufeln des Rades und den Leitsehaufeln des Diffusors. Die Strömungstabilitäi wird verbessert Außerdem weist das Rad mit nur einer überkragenden Scheibe eine größere mechanische Festigkeit auf.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung soll nun mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert werden. Diese zeigt in

F i g. 1 einen Axialschnitt durch einen solchen Verdichter;

Fig.2 einen Schnitt senkrecht zur Verdichterdrehachse.

Als Ausführungsbeispiel wird ein Kreiselluftverdichter bzw. Turbokompressor mit einem Rad und einem Verdichtungsverhältnis von 9 beschrieben.

Der Überschallkreiselverdichter weist ein Radiallaufrad mit Tragscheibe 3 und hieran befestigten Laufschaufeln 2 auf; die Tragscheibe wird durch eine glatte Fläche 3' verlängert die etwa gleich einem Zehntel des Radradius oberhalb der Umfangsenden der Laufschaufeln 2 ist; diese glatte Verlängerung 3' der Tragscheibe 3 bildet die untere bewegliche Fläche eines Verlangsamungsringraums 4 (im Beispiel Luft); dieser ist oben durch eine feste völlig starre Gehäusefläche 5 sowie von einem Diffusor 6 mit sechs divergierenden Kanälen 7 und Oberschalleinlauf 8 begrenzt wobei letzterer durch die Leitsehaufeln 9 gebildet wird. Der Zwischenraum zwischen Tragscheibe 3 und dem Rand der Anström-

ΐ kante 2' der Laufschaufeln 2 ist sehr klein gehalten und berücksichtigt die radiale Dehnung der Tragscheibe, wenn diese sich mit Oberschallgeschwindigkeit dreht Die aus Laufschaufeln 2 und Tragscheibe 3 gebildete Anordnung ist auf die Verdichterwelle 10 gekeilt

ίο Das feste Gehäuse bzw, die feste Gehäusefläche 5 bildet in ihrem Anströmbereich 5' die Gaseintrittsßffnung 11. Im Abströmteil 5" folgt die Innenseite 5i des Gehäuses 5 eng dem Querschnitt der Laufschaufeln 2 und hat die Form eines gekrümmten Kegelstumpfs, wie klar aus F i g. 1 ersichtlich.

Diese Innenseite des Gehäuses folgt der Form des Innenflansches und verläuft nahezu parallel zu dieser, womit die Bildung des Verlangsamungskranzes des Fluids beendet ist Das Gehäuse 5 schließt dann die Schaufeln des Diffusors 6 ein, dessen unteren und oberen Flansch es bildet

Ist sehr hohe Durchsatzieistung notwer jig, so kann vor dem Laufrad ein Verteiler bekannter Art angebracht werden, der auf dem vor dem festen Gehäuse 5 befindlichen Teil angebracht ist und dazu dient, die relative Geschwindigkeit des Fluids (im gegebenen Beispiel Luft) am Eintritt in das Laufrad 1 zu vermindern.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung wird im folgenden

Wi für den Fall beschrieben, daß das Gas Luft ist und die Drehgeschwindigkeit des Rotors 33 000 U/min beträgt Die Drehgeschwindigkeit am Außenradius der Schaufeln 2 entspricht demnach einer Mach-Zahl um 1,3. Unter diesen Bedingungen wird die durch die

y, Eintrittsöffnung 5' einströmende Luft, die eventuell aus einem nicht dargestellten Verteiler kommt, vom Rad 1 mit Radialschaufeln 2 angetrieben wird und die in Höhe des Außenradius der Schaufeln gemessene Luftgeschwindigkeit beträgt um 1,2 Mach. Im Verlangsa-

-tii mungskranz 4 nimmt die Luftgeschwindigkeit ab und erreicht nur einen unter 1,1 Mach liegenden Wert, wenn das GuS mit der Anströmkante 9' der Leitsehaufeln 9 des Diffusors 6 in Berührung kommt; daher sind die Verluste am Eintritt geringfügig. Die Luft dringt in den

4ί divergierenden Kanal 6 mit nur schwacher Überschallgeschwindigkeit ein und nimmt langsam an Geschwindigkeit zu, bis eine neue Verdichtungswelle entsteht; dann nimmt ihre Geschwindigkeit im divergierenden Kanal 6 wegen der nunmehr angenommenen Unter-

so Schallgeschwindigkeit ab.

Der Gesamtwirkungsgrad des obenbeschriebenen Verdichters beträgt praktisch 80%.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Überscballkreiselyerdiehter mit hoben Verdichtungsverhältnis in einer Stufe, mit einen» aus Tragscheibe und Laufschaufeln bestehenden Radiallaufrad, einem diesem nachgeordneten schaufellosen Verlangsamungsringraum und diesem nachgeordneten äußeren Diffusor, dadurch gekennzeichnet, daß der Veriangsaraungsringraum (4) zwischen einer Gehäusefläche (5) und der Verlängerung (3') der Tragscheibe (3) über die Schaufelaustrittskanten (?) hinaus gebildet ist.

2. Oberschallkreiselverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (9) des Diffusors stark bezüglich der Radialrichtung geneigt sind und konstant divergierende Kanäle (7) begrenzen.

3. Überschallkreiselverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anströmkante (Ψ) der Leitschaufeln (9) in Anpassung an Überschallbptjieb sehr dünn ausgebildet ist

4. Überseliaiikreiseiverdiehter nach einem der vorher;j."fc?<7ien Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen der kreisförmigen Tragscheibe (3), von denen die eine durch die Verlängerung der Laufschaufel (2), die andere durch die Innenfläche des festen Gehäuses (S) gebildet ist, im wesentlichen parallel verlaufen.