-
"Verdichter" Die Erfindung bezieht sich auf einen Verdichter, aus
dessen Laufrad das Fördermittel mit Übersehallgeschwindigkeit in einen verstellbaren
Diffusor einströmt.
-
Bei einem bekannten Zentrifugalverdichter der genannten Bauart wird
das Laufrad konzentrisch von einer Leitvorrichtung umschlossen. Dadurch ergibt sich
ein Verdichter -mit einem sehr großen Durchmesser, dessen Einbau bei beschränkten
Raumverhältnissen Schwierigkeiten bereitet. Es ist Aufgabe der Erfindung; diesen
Nachteil zu beseitigen und einen Verdichter zu schaffen, der sich durch eine gedrängte
Bauweise und überdies durch geringes Gewicht auszeichnet. Dabei soll der Verdichter
ein hohes Druckverhäitnis bei gutem Wirkungsgrad erzielen, so daß man möglichst
mit einer Verdichterstufe auskommt. Dies gescllieht erfindungsgemäß dadurch, daß
der von dem Gehäuse und dem Nabenkörper des Laufrades begrenzte Ringkanal, in dem
die Verdichterscilaufeln arbeiten, aus einem axialen Eintrittsteil in einen in wesentlichen
radialen Mittelteil und weiter in einen axialen Austrittsteil übergeht, an den sich
axial ein Uberschall-Diffusor anschließt, dessen in Umfangsriciltung liegende Wände
jeweils an ihrer Innenseite von einem Rotationskörper begrenzt werden, dessen erzeugende
Mantellinie aus einem auswärts gekrümmten Parabelabschnitt und einem anschließenden
einwärts gegekrümmten Kreisbogen gebildet wird, wobei die Seitenwände jedes Diffusorkanales,
von
denen mindestens eine schwenkbar im Gehäuse gelagert ist, in einem ersten, im wesentlichen
konvergenten Abschnitt aus ebenen Wandteilen und in einem zweiten, divergenten Absclmitt
aus parabelförmig in eine axiale Richtung gekrümmten Wandteilen zusammengesetzt
sind. Die genannten Merkmale ergeben einen Verdichter, der durch die besondere Gestalt
seiner Kanäle im Bereich des Laufrades und in dem axial anschließenden Überschall-Diffusor
bei hohem Druckverhältnis und gutem Wirkungsgrad eine gedrängte und leichte Bauweise
er -möglicht.
-
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird
die Strömung des Fördermittels im Bereich des Überganges von Laufrad in den Überschall-Diffusor
dadurch besonders günstig beeinflußt, daß zwischen Laufschaufeln, die sich vom Eintrittsteil
bis zum Austrittsteil des Ringkanales erstrecken, kurze laufschaufeln im Umfangsbereich
des Laufrades angeordnet sind.
-
Erfindungsgemäß ist eine Seitenwand jedes Diffusorkanales njit einer
r radial im Gehäuse gelagerten Welle verbunden, an derem äußeren Ende ein Zahnradsegment
befestigt ist, das mit einem Zahnkranz eines gemeinsamen Stellrillges kämmt. I)iese
Maßnahme erlaubt auf eine besonders einfache und zuverlässige Art die Anpassung
der Querschnitte der Diffusorkaiiäle an die Betriebszustände des Verdicliters.
-
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
-
Es zeigen Fig. 1 einen Schnitt durch eilen Verdichter nuch der Linie
I-I der Fig. 3,
Fig. 2 die Vorderansicht des Laufrades dieses Verdichters,
Fig. 3 die Abwicklung eines Schnittes durch einen Teil des Verdichters nach der
Linie III-III der Fig. 1 in vergrößertem Maßstab und Fig. 4 die Abwicklung eines
Teiles des Laufradumfanges eines weiteren Verdichters.
-
Der in den Fig. 1 bis 3 gezeigte Verdichter hat die aufgabe, Luft
auf sehr hohe Drücke zu verdichten. Er besteht aus einem Laufrad 11, einem Gehäuse
12 und einem Überschall-Diffusor 13. Das Gehäuse 12 setzt sich aus einem Gehäuseteil
14 und einem Gehäuseteil 15, mit dem der Überschall-Diffusor 13 verbunden ist, zusammen.
Das Laufrad 11 ist auf einer Welle 11; befestigt, die im Gehäuseteil 15 gelagert
ist. Der Gehäuseteil 14 bildet zusammen mit dem Nabenkörper 17 des Laufrades 11
einen Rillgkanal 18, der aus einem axialen Eintrittsteil 19 in einen inl wesentlichen
radialen Mittelteil 20 und weiter iii einen axialen Austrittsteil 21 übergeht. Im
Ringkanal 18 arbeiten am Nabenkörper 17 des Laufrades 11 angeordnete Schaufeln 22
und 25. J)ie Schaufeln 22 erstrecken sich vom I;illtrittsteil 1<3 bis zum Austrittsteil
21 des Ringkanales 18, während die kürzeren Schaufeln 23 lediglich im Umfangsbereich
des Laufrades 11 angebracht sind. Zwischen zwei durchgehenden Schaufeln 22 sind
jeweils vier kurze Schaufeln 23 angeordnet. Die Profile sämtlicher Schaufelii sind
im Umfangsbereich des Laufrades 11 zur weiteren Erhöhung der Ge schwindigkeitsenergie
der Luft gewölbt.
-
An den Ringkanal 18 schließt sich axial der ÜberschaU-Diffusor 13
an, an dessen Umfang Diffusorkanäle 24 angeordnet sind. Die beiden in Umfangsrichtung
liegenden Wände 25 und 26 jedes Diffusorkanales 24 werden jeweils an ihrer innenseite
von einem Rotationskörper begrenzt, dessen erzeugende Mantellinie aus einem auswärts
gekrümmten Parabelabschnitt 27 bzw. 28 und aus einem daran anschließenden einwärts
gekrümmten Kreisbogen 29 bzw. 30 gebildet wird. Die beiden Kreisbogen 29 bzw. 30
haben dabei den gleichen Mittelpunkt, so daß der in diesem Bereich zwischen den
Wänden 25 und 26 liegende Raum einem Ausschnitt aus einer Kugelschale entspricht.
-
Die Seitenwände 31 und 32 jedes Diffusorkanales 24 sind jeweils in
einem ersten, im wesentlichen konvergenten Abschnitt 33 aus ebenen VVandteilen 34,
35 und 36 bzw. 37 und 38 und in einem zweiten divergenten Abschnitt 39 aus parabelförmig
in eine axiale Richtung gekrümmten Wandteilen 40 bzw. 41 zusammengesetzt.
-
Der größte Teil der Seitenwand 31 ist an einem Drosselkörper 42 angeordnet,
der mit einer Welle 43 drehfest verbunden ist. Die in einem Lager 44 radial im Gehäuseteil
15 gelagerte Welle 43 trägt an ihrem äußeren Ende ein Zalmradsegment 45, das mit
dein Zahnkranz 46 eines Stellringes 47 kämmt. Durch Drehen des Stellringes 47 können
die Seitenwände 31 sämtlicher Diffusorkanäle 24 zwischen zwei Endstellungen geschwenkt
werden. Auf diese Weise lassen sich die Durchgangsquer schnitte sämtlicher Diffusorkanäle
24 gleichzeitig verändern. Damit die Seitenwand 31 jedes Diffusorkanales 24 in jeder
Stellung dicht an den Wänden 25 und 26 anliegt, hat der Drosselkörper 42 im Bereich
des Diffusorkanales 24 die Gestalt einer Kugelschale.
-
Wie die in Fig. 4 gezeigte Abwicklung eines Teiles des Umfanges des
Laufrades 48 eines weiteren Verdichters erkennen läs3t, können die Profile der Schaufeln
49 und 50 am Radumfang auch geradlinig ausgeführt sein. Die Schaufeln können auch,
wie bei Radialläufern bekannt, in Drehrichtung vorwärts oder rückwärts gekrümmt
sein. Die Zahl der jeweils zwischen zwei durchgehenden Schaufeln angeordneten kurzen
Schaufel richtet sich im Einzelfall nach der Größe des Laufrades und den Strömungsverhältnissen
im Verdichter.
-
Beim Betrieb des Verdichters wird die in Pfeilrichtung angesaugte
Luft durch das mit hoher Drehzahl angetriebene Laufrad 11 im Binglianal 18 auf eine
Geschwindigkeit beschleunigt, die über der örtlichen Schallgeschwindigkeit liegt.
Das axiale Austrittsteil 21 des Ringkanales 18 bewirkt, daß die Luft nicht, wie
bei Radialverdichtern in der Ebene des Laufrades nach außen geschleudert wird, sondern
eine axiale Geschwindigkeitskomponente erhält, die zu einem geradlinigen Einströmen
in den axial an den Ringkanal 18 anschließenden Überschall-Diffusor 13 führt.
-
Die am Umfang des Laufrades 11 angeordneten Schaufeln 23 beseitigen
weitgehend die vom radialen Mittelteil 20 des Ringkanales 18 ausgehenden Störungen
wie Grenzschiciitabläsung und Wirbelbildung und bewirken nach einer Gleichrichtung
der Strömung im axialen Austrittsteil 21 ein glattes Einströmen in den Überschall-Diffusor
13. Weiterhin führt die große Schaufelzahl zu einer hohen Anströmfrequenz der einzelnen
Diffusorkanäle 24, die die an derem Eingang ausgelösten Verdichtungsstöße günstig
beeinflußt und damit die Stabilität der Verdichtung in einem weiten
Drehzahlbereich
unterstützt. Außerdem wird der Übergang von Verdichtungs- oder Verdünnungswellen
vom Überschall-Diffusor 13 in das Laufrad 11 verhindert und damit deren störender
Einfluß auf die Strömung am Ausgang des Laufrades 11 ausgeschaltet.
-
Die in Höhe des Austrittsteiles 21 des Ringkanales 18 unter einem
Winkelα zur Laufradebene in die Diffusorkanäle 24 einströmende Luft bewegt
sich bis etwa zur halben Tiefe des Überschall-I)iffusors 13 auf Paralielebenen zur
Verdichterachse geradlinig weiter und wird dann entsprechend dem parabelförmigen
Verlauf der Wandteile 40 und 41 mit gutem Wirkungsgrad in eiiie axiale Richtung
umgelenkt, in der sie aus dem Überschall-Diffusor 13 austritt. Beim Durchströmen
jedes Diffus sorkanales 24 wird jeweils iii dessen konvergentem Abschnitt 33 ein
Teil der Geschwindigkeitsenergie der Luft in bekannter Weise durch eine Stoßkombination
aus sct-lragen Verdichtungsstößen und einem senkrechten Verdichtungsstoß in Druckenergie
umgewandelt. In Fig. 3 siiid diese Verdichtungsstöße in einem der Diffusorkanäle
24 durch strichpunktierte Linien angedeutet. Die Lluft wird bei der daiiiit verknüpften
stufeiiweisen Verzögeruiig von der Überschallgeschwindigkeit auf die örtliche Schallgeschwindigkeit
im engsten Querschnitt jedes Diffusorkanales 24 gebracht. Beim anschließenden Durchströmen
des divergenten Abschnittes 39 wird die Luft auf Unters@@allgeschwindigkeit stetig
verzögert. Der Druck der Luft wird dabei noch weiter gesteigert.
-
Beim Start des Verdichters steht der Drosselkörper 42 in der in Fig.
3 gezeigten strichpunktierten Stellung, in der die Seitenwand 31 am Drosselkörper
42 einen großen Durchgangsquerschnitt freigibt. Mit steigender Drehzahl und damit
anwachsender Verdichtung wird der Durchgangsquerschnitt
durch Schwenken
des Drosselkörpers 42 durch die Welle 43, das Zahnradsegment 45 und den Zahnkranz
46 am Stellring 47 stetig weiter gedrosselt, bis der Drosselkörper 42 bei der Betriebsdrehzahl
des Verdichters die dargestellte Stellung einnimmt, in der die Verdichtung ihren
Höchstwert erreicht. Die Verstellung des Drosselkörpers 42 kann selbskändig in Abhängigkeit
einer ßetriebsgröße des Verdichters, z.B. der Drellzahl, erfolgen.