DE2101628C3 - Überschallkreiselverdichter - Google Patents
ÜberschallkreiselverdichterInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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Description
Die Erfindung betrifft einen O' srschallkreiselverdichier
mit hohem Verdichtungsverhältnis in einer Stufe, mit einem aus Tragscheibe und Laufschaufeln
bestehenden Radiallaufrad, einem diesem nachgeordneten schaufellosen Verlangsamungsringraum und diesem
nächgeordneten 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 Leitschaufel)! 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 Konstruk.euren 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
is sogar Unregelmäßigkeiten der Durchsat/Ieistiinp oder
des 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 Oberschallkreiselverdichter mit hohem Verdichtungsverhältnis in einer
Stufe, mit einem aus Tragscheibe und Laufschaufeln bestehenden Radiallaufrad, einem diesen nachgeordneten
schaufellosen Verlangsamungsringraum und diesem nachgeordneten äußren Diffusor überraschend dadurch,
daß der Verlangsamungsringraum zwischen einer Gehäusefläche und der Verlängerung der Tragscheibe
über die Schaufelaustrittskanten hinaus gebildet ist.
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 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 Übersc,1 a'lgeschwindigkeii
fortbewegt wird, so daß ein Stoßwellensystem geringer Stärke erzielt wird, wodurch im Diffusor 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 inneren Mantel.
einen rotierenden äußeren Mantel sowie anschließend an die Mantelseite feste Diffusorkanäle auf, in
denen die Diffusorschaufeln vorgesehen sind.
An sich sind natürlich Überschallkrcisclvcrdichter ohne obere Deckscheibe und ohr
<■ rotorischen Verlang-
to samungsraum (DE-AS 10 96 53b) bekannt.
Die Maßnahme nach der Erfindung, wonach ein
Verlangsamungsraum zwischen einer festen und einer 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 unbegründet waren und daß dies untei anderem
möglicherweise auf die Tatsache zurückzuführen war,
bo daß der Druck auf die bewegliche Scheibe 3 wegen der
Krümmung der Schaufeln stärker war als gegen das starre Gehäuse, weswegen die Druckverluste infolge
Reibung gering blieben.
Vorzugsweise sind die Leitschaufeln des Diffusors
h5 stark bezüglich der Radialrichtung geneigt und begrenzen
konstant divergierende Kanäle.
Hierdurch werden im wesentlichen geradlinige neue Verdichuingswellen erzeugt.
21 Ol
Zweckmäßig ist die Anströmkante der Leitschaufeln in Anpassung an Überschallbetrieb sehr dünn ausgebildet.
In Weiterbildung der Erfindung verlaufen die Flächen
der kreisförmigen Tragscheibe, von denen die eine ϊ dutch die Verlängerung der Laufschaufel, die andere
durch die Innenfläche des festes Gehäuses gebildet ist, im wesentlichen pprallel.
Durch diese Parallelanordnung wird eine bedeutende Verlangsamung der Überschallströmung zwischen Innenradita
und Außenradius erreicht Da andererseits bekannt ist, daß die obere Scheibe wegen ihrer Form
gewöhnlich bedeutende Verlegungen erfährt, wenn sie unter großen Geschwindigkeiten in Drehbewegung
versetzt wird, wirkt die Maßnahme nach der Erfindung mit der unbeweglichen Scheibe Oberzeugend; sie ist
daher nui Wärmespannungen ausgesetzt, die der Fachmann leicht meistern kann.
Der Wirkungsgrad im festen Diffusor liegt nahe 1. Die erzielte Wirkungsgradsteigerung kompensiert bei weitem
die entstehenden Reibungsverluste an df - Stehe
zwischen den Laufschaufeln des Rades und den Leitschaufeln des Diffusors. Die Strömungstabilität 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. I einen Axialschnitt durch einen solchen J0
Verdichter;
F i g. 2 e'u.en Schnitt senkrecht zur Verdichterdrehachse.
Als Ausführungsbeispie! wird ein Kreiselluftverdichter bzw. Turbokompressor mit einem Rad und einem
Verdichtungsverhältnis von 9 beschrieben.
Der Oberschallkreiselverdichter 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 ^o
Radradius oberhalb der Umfangsenden der I .aufschaufeln 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 Gehäusefäche 5 sowie von
einem Diffusor 6 mit sechs divergierenden Kanälen 7 und Oberschalleinlauf 8 begrenzt, wobei letzterer durch
die Leitschaufeln 9 gebildet wird. Der Zwischenraum zwischen Tragscheibe 3 und dem Rand der Anströmkante
2' der Laufschaufeln 2 ist sehr klein gehalten und berücksichtig die radiale Dehnung der Tragscheibe.
wenn diese sich mit Überschallgeschwindigkeit dreht.
Die aus Laufschaufeln 2 und Tragscheibe 3 gebildete Anordnung ist auf die Verdichterwelle 10 gekeilt.
Das feste Gehäuse bzw. die feste Gehäusefläche 5
bildet in ihrem Anströmbereich 5' die Gaseintrittsöffnung
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. M)
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 b?
oberen Flansch es bildet.
Ist sehr hohe Durchsatzleistung notwendig, 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 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
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 Verlangsamungskranz 4 nimmt die Luftgeschwindigkeit ab und
erreicht nur einen unter 1,1 Mach liegenden Wert, wenn das Gas mit der Anströmkante 9' der Leitschaufeln 9 des
Diffusors 6 in Berührung kommt; dahei *md die Verluste
am Eintritt geringfügig. Die Luft dringt in den divergierenden Kanal 6 mit nur schwacher Überschallgeschwindigkeit
ein und nimmt langsam an Geschwindigkeit zu, bis eine neue Verdichtungswelle entsteht;
dann ninwnt ihre Geschwindigkeit im divergierenden Kanal 6 wegen der nunmehr angenommenen Unterschallgeschwindigkeit
ab.
Der Gesamtwirkungsgrad des obenbeschriebenen Verdichters beträgt praktisch 80%.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Oberschallkreiselverdichter mit hohem Verdichtungsverhältnis in einer Stufe, mit einem aus
Tragscheibe und Laufschaufeln bestehenden Radiallaufrad, einem diesem nachgeordneten schaufellosen
Verlangsamungsringraum und diesem nachgeordneten äußeren Diffusor, dadurch gekennzeichnet,
daß der Verlangsamungsringraum (4) zwischen einer Gehäusefläche (5) und der Verlängerung (3') der Tragscheibe (3) über die
Schaufelaustrittskanten (2') hinaus gebildet ist
2. Oberschallkreiselverdichter nach Anspruch i, 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 (9') der Leitschaufeln (9) in Anpassung an
Überschallbetrieb sehr dünn ausgebildet ist
4. Überschallkreiselverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Flächen der kreisförmigen Tragscheibe (3), von denen die eine durch d'.e Verlängerung der
Laufschaufel (2), die andere durch die Innenfläche des festen Gehäuses (5) gebildet ist, im wesentlichen
parallel verlaufen.
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